Keras一些基本概念

Posted 2023-02-26 悟空很开心

原文出处：http://blog.csdn.net/u011437229/article/details/53464213
符号计算

Keras的底层库使用Theano或TensorFlow，这两个库也称为Keras的后端，无论事Theano还是TensorFlow，都是一个符号主义的库。 
关于符号主义，可以一般概括为这种说法：符号主义的计算首先定义各种变量，然后建立一个“计算图”，计算图规定了各个变量之间的计算关系。建立好的计算图需要编译已确定其内部细节，然而，此时的计算图还是一个“空壳子”，里面没有任何实际的数据，只有当你把需要运算的输入放进去后，才能在整个模型中形成数据流，从而形成输出值。 
Keras的模型搭建形式就是这种方法，在你搭建Keras模型完毕后，你的模型就是一个空壳子，只有实际生成可调用的函数后（K.function），输入数据，才会形成真正的数据流。 
使用计算图的语言，如Theano，以难以调试而闻名，当Keras的Debug进入Theano这个层次时，往往也令人头痛。没有经验的开发者很难直观的感受到计算图到底在干些什么。尽管很让人头痛，但大多数的深度学习框架使用的都是符号计算这一套方法，因为符号计算能够提供关键的计算优化、自动求导等功能。

张量

前面的概念中提到并解释了这个词，该词本身还是兼具多个学科的，而这里的用到的相对来说较简单一些。 
张量，或tensor，是本文档会经常出现的一个词汇，在此稍作解释。 
使用这个词汇的目的是为了表述统一，张量可以看作是向量、矩阵的自然推广，我们用张量来表示广泛的数据类型。 
规模最小的张量是0阶张量，即标量，也就是一个数。 
当我们把一些数有序的排列起来，就形成了1阶张量，也就是一个向量 
如果我们继续把一组向量有序的排列起来，就形成了2阶张量，也就是一个矩阵 
把矩阵摞起来，就是3阶张量，我们可以称为一个立方体，具有3个颜色通道的彩色图片就是一个这样的立方体 
把矩阵摞起来，好吧这次我们真的没有给它起别名了，就叫4阶张量了，不要去试图想像4阶张量是什么样子，它就是个数学上的概念。

‘th’与’tf’
‘

th’模式，也即Theano模式会把100张RGB三通道的16×32（高为16宽为32）彩色图表示为下面这种形式（100,3,16,32），Caffe采取的也是这种方式。第0个维度是样本维，代表样本的数目，第1个维度是通道维，代表颜色通道数。后面两个就是高和宽了。 
而TensorFlow，即‘tf’模式的表达形式是（100,16,32,3），即把通道维放在了最后。这两个表达方法本质上没有什么区别。

泛型模型

在原本的Keras版本中，模型其实有两种，一种叫Sequential，称为序贯模型，也就是单输入单输出，一条路通到底，层与层之间只有相邻关系，跨层连接统统没有。这种模型编译速度快，操作上也比较简单。第二种模型称为Graph，即图模型，这个模型支持多输入多输出，层与层之间想怎么连怎么连，但是编译速度慢。可以看到，Sequential其实是Graph的一个特殊情况。 
在现在这版Keras中，图模型被移除，而增加了了“functional model API”，这个东西，更加强调了Sequential是特殊情况这一点。一般的模型就称为Model，然后如果你要用简单的Sequential，OK，那还有一个快捷方式Sequential。 
由于functional model API表达的是“一般的模型”这个概念，我们将其译为泛型模型，即只要这个东西接收一个或一些张量作为输入，然后输出的也是一个或一些张，不管它是什么鬼。统统都称作“模型”。

Batch

其实我之前看到这个参数设置的时候，一直没搞懂，今天来整理一下吧。 
这词设计到训练过程中如何优化，嘿嘿，那就提到了深度学习的优化算法，说白了就是梯度下降。每次的参数更新有两种方式。 
第一种，遍历全部数据集算一次损失函数，然后算函数对各个参数的梯度，更新梯度。这种方法每更新一次参数都要把数据集里的所有样本都看一遍，计算量开销大，计算速度慢，不支持在线学习，这称为Batch gradient descent，批梯度下降。 
另一种，每看一个数据就算一下损失函数，然后求梯度更新参数，这个称为随机梯度下降，stochastic gradient descent。这个方法速度比较快，但是收敛性能不太好，可能在最优点附近晃来晃去，hit不到最优点。两次参数的更新也有可能互相抵消掉，造成目标函数震荡的比较剧烈。 
为了克服两种方法的缺点，现在一般采用的是一种折中手段，mini-batch gradient decent，小批的梯度下降，这种方法把数据分为若干个批，按批来更新参数，这样，一个批中的一组数据共同决定了本次梯度的方向，下降起来就不容易跑偏，减少了随机性。另一方面因为批的样本数与整个数据集相比小了很多，计算量也不是很大。 
基本上现在的梯度下降都是基于mini-batch的，所以Keras的模块中经常会出现batch_size，就是指这个。 
顺便说一句，Keras中用的优化器SGD是stochastic gradient descent的缩写，但不代表是一个样本就更新一回，还是基于mini-batch的。