易用的新深度学习框架Keras简介及使用

Posted 2021-04-29 数盟

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了易用的新深度学习框架Keras简介及使用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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之前我一直在使用Theano，前面五篇Deeplearning相关的文章也是学习Theano的一些笔记，当时已经觉得Theano用起来略显麻烦，有时想实现一个新的结构，就要花很多时间去编程，所以想过将代码模块化，方便重复使用，但因为实在太忙没有时间去做。最近发现了一个叫做Keras的框架，跟我的想法不谋而合，用起来特别简单，适合快速开发。（其实还有很多其他的深度学习框架都是比较容易用的。）

1. Keras简介

Keras是基于Theano的一个深度学习框架，它的设计参考了Torch，用Python语言编写，是一个高度模块化的神经网络库，支持GPU和CPU。使用文档在这：http://keras.io/，这个框架貌似是刚刚火起来的，使用上的问题可以到github提issue:https://github.com/fchollet/keras

下面简单介绍一下怎么使用Keras，以Mnist数据库为例,编写一个CNN网络结构，你将会发现特别简单。

2. Keras里的模块介绍

Optimizers顾名思义，Optimizers包含了一些优化的方法，比如最基本的随机梯度下降SGD,另外还有Adagrad、Adadelta、RMSprop、Adam，一些新的方法以后也会被不断添加进来。
```
keras.optimizers.SGD(lr=0.01, momentum=0.9, decay=0.9, nesterov=False)
```
上面的代码是SGD的使用方法，lr表示学习速率,momentum表示动量项，decay是学习速率的衰减系数(每个epoch衰减一次),Nesterov的值是False或者True，表示使不使用Nesterov momentum。其他的请参考文档。

Objectives这是目标函数模块，keras提供了mean_squared_error，mean_absolute_error ，squared_hinge，hinge，binary_crossentropy，categorical_crossentropy这几种目标函数。
这里binary_crossentropy 和 categorical_crossentropy也就是logloss
Activations这是激活函数模块，keras提供了linear、sigmoid、hard_sigmoid、tanh、softplus、relu、softplus，另外softmax也放在Activations模块里(我觉得放在layers模块里更合理些）。此外，像LeakyReLU和PReLU这种比较新的激活函数，keras在keras.layers.advanced_activations模块里提供。
Initializations这是参数初始化模块，在添加layer的时候调用init进行初始化。keras提供了uniform、lecun_uniform、normal、orthogonal、zero、glorot_normal、he_normal这几种。
layerslayers模块包含了core、convolutional、recurrent、advanced_activations、normalization、embeddings这几种layer。
其中core里面包含了flatten(CNN的全连接层之前需要把二维特征图flatten成为一维的)、reshape（CNN输入时将一维的向量弄成二维的）、dense(就是隐藏层，dense是稠密的意思),还有其他的就不介绍了。convolutional层基本就是Theano的Convolution2D的封装。
Preprocessing这是预处理模块，包括序列数据的处理，文本数据的处理，图像数据的处理。重点看一下图像数据的处理，keras提供了ImageDataGenerator函数,实现data augmentation，数据集扩增，对图像做一些弹性变换，比如水平翻转，垂直翻转，旋转等。
Models这是最主要的模块，模型。上面定义了各种基本组件，model是将它们组合起来，下面通过一个实例来说明。

3.一个实例：用CNN分类Mnist

数据下载Mnist数据在其官网上有提供，但是不是图像格式的，因为我们通常都是直接处理图像，为了以后程序能复用，我把它弄成图像格式的，这里可以下载：http://pan.baidu.com/s/1qCdS6，共有42000张图片。
读取图片数据keras要求输入的数据格式是numpy.array类型（numpy是一个python的数值计算的库），所以需要写一个脚本来读入mnist图像，保存为一个四维的data，还有一个一维的label，代码：

#coding:utf-8""" Author:wepon Source:https://github.com/wepe file:data.py """import osfrom PIL import Imageimport numpy as np#读取文件夹mnist下的42000张图片，图片为灰度图，所以为1通道，#如果是将彩色图作为输入,则将1替换为3,图像大小28*28def load_data(): data = np.empty((42000,1,28,28),dtype="float32") label = np.empty((42000,),dtype="uint8") imgs = os.listdir("./mnist") num = len(imgs) for i in range(num): img = Image.open("./mnist/"+imgs[i]) arr = np.asarray(img,dtype="float32") data[i,:,:,:] = arr label[i] = int(imgs[i].split('.')[0]) return data,label

构建CNN，训练短短二十多行代码，构建一个三个卷积层的CNN，直接读下面的代码吧，有注释，很容易读懂：

#导入各种用到的模块组件from __future__ import absolute_importfrom __future__ import print_functionfrom keras.preprocessing.image import ImageDataGeneratorfrom keras.models import Sequentialfrom keras.layers.core import Dense, Dropout, Activation, Flattenfrom keras.layers.advanced_activations import PReLUfrom keras.layers.convolutional import Convolution2D, MaxPooling2Dfrom keras.optimizers import SGD, Adadelta, Adagradfrom keras.utils import np_utils, generic_utilsfrom six.moves import rangefrom data import load_data#加载数据data, label = load_data()print(data.shape[0], ' samples')#label为0~9共10个类别，keras要求格式为binary class matrices,转化一下，直接调用keras提供的这个函数label = np_utils.to_categorical(label, 10)################开始建立CNN模型################生成一个modelmodel = Sequential()#第一个卷积层，4个卷积核，每个卷积核大小5*5。1表示输入的图片的通道,灰度图为1通道。#border_mode可以是valid或者full，具体看这里说明：http://deeplearning.net/software/theano/library/tensor/nnet/conv.html#theano.tensor.nnet.conv.conv2d#激活函数用tanh#你还可以在model.add(Activation('tanh'))后加上dropout的技巧: model.add(Dropout(0.5))model.add(Convolution2D(4, 1, 5, 5, border_mode='valid')) model.add(Activation('tanh'))#第二个卷积层，8个卷积核，每个卷积核大小3*3。4表示输入的特征图个数，等于上一层的卷积核个数#激活函数用tanh#采用maxpooling，poolsize为(2,2)model.add(Convolution2D(8,4, 3, 3, border_mode='valid'))model.add(Activation('tanh'))model.add(MaxPooling2D(poolsize=(2, 2)))#第三个卷积层，16个卷积核，每个卷积核大小3*3#激活函数用tanh#采用maxpooling，poolsize为(2,2)model.add(Convolution2D(16, 8, 3, 3, border_mode='valid')) model.add(Activation('tanh'))model.add(MaxPooling2D(poolsize=(2, 2)))#全连接层，先将前一层输出的二维特征图flatten为一维的。#Dense就是隐藏层。16就是上一层输出的特征图个数。4是根据每个卷积层计算出来的：(28-5+1)得到24,(24-3+1)/2得到11，(11-3+1)/2得到4#全连接有128个神经元节点,初始化方式为normalmodel.add(Flatten())model.add(Dense(16*4*4, 128, init='normal'))model.add(Activation('tanh'))#Softmax分类，输出是10类别model.add(Dense(128, 10, init='normal'))model.add(Activation('softmax'))##############开始训练模型###############使用SGD + momentum#model.compile里的参数loss就是损失函数(目标函数)sgd = SGD(l2=0.0,lr=0.05, decay=1e-6, momentum=0.9, nesterov=True)model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer=sgd,class_mode="categorical")#调用fit方法，就是一个训练过程. 训练的epoch数设为10，batch_size为100．#数据经过随机打乱shuffle=True。verbose=1，训练过程中输出的信息，0、1、2三种方式都可以，无关紧要。show_accuracy=True，训练时每一个epoch都输出accuracy。#validation_split=0.2，将20%的数据作为验证集。model.fit(data, label, batch_size=100,nb_epoch=10,shuffle=True,verbose=1,show_accuracy=True,validation_split=0.2)#fit方法在达到设定的nb_epoch时结束，并且自动地保存了效果最好的model,之后你可以调用model.evaluate()方法对测试数据进行测试，#还有model.predict_classes,model.predict_proba等方法,具体请看文档。

代码使用与结果

代码放在我github的机器学习仓库里：https://github.com/wepe/MachineLearning,非github用户直接点右下的DownloadZip。

在/DeepLearning Tutorials/keras_usage目录下包括data.py,cnn.py两份代码，下载Mnist数据后解压到该目录下，运行cnn.py这份文件即可。

结果如下所示，在Epoch 9达到了0.98的训练集识别率和0.97的验证集识别率：

易用的新深度学习框架Keras简介及使用

以上总结了Keras的基本使用方法，相信用过的同学都会觉得不可思议，太简洁了。十多天前，我在github上发现这个框架的时候，关注Keras的人还比较少，这两天无论是github还是微薄，都看到越来越多的人关注和使用Keras。所以这篇文章就简单地再介绍一下Keras的使用,方便各位入门。

主要包括以下三个内容：

训练CNN并保存训练好的模型。
将CNN用于特征提取，用提取出来的特征训练SVM。
可视化CNN卷积层后的特征图。

仍然以Mnist为例，代码中用的Mnist数据到这里下载
http://pan.baidu.com/s/1qCdS6,本文的代码在我的github上:dive_into _keras

1. 加载数据

数据是图片格式，利用pyhton的PIL模块读取，并转为numpy.array类型。这部分的代码在data.py里：

2. 训练CNN并保存训练好的CNN模型

将上一步加载进来的数据分为训练数据（X_train，30000个样本）和验证数据（X_val，12000个样本），构建CNN模型并训练。训练过程中，每一个epoch得到的val-accuracy都不一样，我们保存达到最好的val-accuracy时的模型，利用Python的cPickle模块保持。（Keras的开发者最近在添加用hdf5保持模型的功能，我试了一下，没用成功，去github发了issue也没人回，估计还没完善，hdf5压缩率会更高，保存下来的文件会更小。）

这部分的代码在cnn.py里，运行: