理解keras中的sequential模型

Posted 2023-01-13 云水木石

keras中的主要数据结构是model（模型），它提供定义完整计算图的方法。通过将图层添加到现有模型/计算图，我们可以构建出复杂的神经网络。

Keras有两种不同的构建模型的方法：

1. Sequential models
2. Functional API

本文将要讨论的就是keras中的Sequential模型。

理解Sequential模型

Sequential模型字面上的翻译是顺序模型，给人的第一感觉是那种简单的线性模型，但实际上Sequential模型可以构建非常复杂的神经网络，包括全连接神经网络、卷积神经网络(CNN)、循环神经网络(RNN)、等等。这里的Sequential更准确的应该理解为堆叠，通过堆叠许多层，构建出深度神经网络。

如下代码向模型添加一个带有64个大小为3 * 3的过滤器的卷积层:

from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense, Activation,Conv2D,MaxPooling2D,Flatten,Dropout

model = Sequential()
model.add(Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))

Sequential模型的核心操作是添加layers（图层），以下展示如何将一些最流行的图层添加到模型中：

• 卷积层

model.add(Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))

• 最大池化层

model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))

• 全连接层

model.add(Dense(256, activation='relu'))

• dropout

model.add(Dropout(0.5))

• Flattening layer(展平层)

model.add(Flatten())

基本的Sequential模型开发流程

从我们所学习到的机器学习知识可以知道，机器学习通常包括定义模型、定义优化目标、输入数据、训练模型，最后通常还需要使用测试数据评估模型的性能。keras中的Sequential模型构建也包含这些步骤。

首先，网络的第一层是输入层，读取训练数据。为此，我们需要指定为网络提供的训练数据的大小，这里input_shape参数用于指定输入数据的形状：

model.add(Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(224, 224, 3)))

上面的代码中，输入层是卷积层，其获取224 * 224 * 3的输入图像。

接下来就是为模型添加中间层和输出层，请参考上面一节的内容，这里不赘述。

然后，进入最重要的部分: 选择优化器（如rmsprop或adagrad）并指定损失函数（如categorical_crossentropy）来指定反向传播的计算方法。在keras中，Sequential模型的compile方法用来完成这一操作。例如，在下面的这一行代码中，我们使用’rmsprop’优化器，损失函数为’binary_crossentropy’。

model.compile(loss='binary_crossentropy',
              optimizer='rmsprop')

到这一步，我们创建了模型，接下来就是调用fit函数将数据提供给模型。这里还可以指定批次大小（batch size）、迭代次数、验证数据集等等。其中批次大小、迭代次数需要根据数据规模来确定，并没有一个固定的最优值。

model.fit(x_train, y_train, batch_size=32, epochs=10,validation_data=(x_val, y_val))

最后，使用evaluate方法来评估模型：

score = model.evaluate(x_test，y_test，batch_size = 32)

以上就是在Keras中使用Sequential模型的基本构建块，相对于tensorflow，keras的代码更少，接口更加清晰，更重要的是，keras的后端框架切（比如从tensorflow切换到Theano）换后，我们的代码不需要做任何修改。

使用Sequential模型解决线性回归问题

谈到tensorflow、keras之类的框架，我们的第一反应通常是深度学习，其实大部分的问题并不需要深度学习，特别是在数据规模较小的情况下，一些机器学习算法就可以解决问题。除了构建深度神经网络，keras也可以构建一些简单的算法模型，下面以线性学习为例，说明使用keras解决线性回归问题。

线性回归中，我们根据一些数据点，试图找出最拟合各数据点的直线。为了说明这一问题，我们创建100个数据点，然后通过回归找出拟合这100个数据点的直线。

1. 创建训练数据

import keras
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense
import numpy as np

trX = np.linspace(-1, 1, 101)
trY = 3 * trX + np.random.randn(*trX.shape) * 0.33

上面这段代码创中，TrainX的值在-1和1之间均匀分布，而TrainY的值为TrainX的三倍，但增加了一些随机扰动。

1. 创建模型

model = Sequential()
model.add(Dense(input_dim=1, output_dim=1, init='uniform', activation='linear'))

代码创建一个Sequential模型，这里使用了一个采用线性激活的全连接(Dense)层。它实际上封装了输入值x乘以权重w，加上偏置(bias)b，然后进行线性激活以产生输出。

我们可以查看默认初始化的权重和偏置值：

weights = model.layers[0].get_weights()
w_init = weights[0][0][0]
b_init = weights[1][0]
print('Linear regression model is initialized with weights w: %.2f, b: %.2f' % (w_init, b_init))

1. 选择优化器和损失函数

model.compile(optimizer='sgd', loss='mse')

选择简单的梯度递减优化算法，损失函数选择均方差(mean squared error, mse)。

1. 训练模型

model.fit(trX, trY, nb_epoch=200, verbose=1)

训练完毕之后，我们可以再看看权重值和偏置值

weights = model.layers[0].get_weights()
w_final = weights[0][0][0]
b_final = weights[1][0]
print('Linear regression model is trained to have weight w: %.2f, b: %.2f' % (w_final, b_final))

最后的结果为

Linear regression model is trained to have weight w: 2.94, b: 0.08

可以看到，进行200次迭代之后，权重值现在非常接近3。我们可以尝试修改迭代次数，看看不同迭代次数下得到的权重值。

这段例子仅仅作为一个简单的示例，所以没有做模型评估，有兴趣的同学可以构建测试数据自己尝试一下。

总结

keras中的Sequential模型其实非常强大，而且接口简单易懂，大部分情况下，我们只需要使用Sequential模型即可满足需求。在某些特别的场合，可能需要更复杂的模型结构，这时就需要Functional API，在后面的教程中，我将探讨Functional API。

参考

1. Keras tutorial: Practical guide from getting started to developing complex deep neural network
2. Getting started with the Keras Sequential model