keras学习笔记

作者: 赵小闹闹 | 来源:发表于2018-08-09 21:01 被阅读242次

参考keras 中文文档

1.在多张GPU卡上使用Keras

以TnesorFlow后端，可以使用数据并行的方式。数据并行将目标模型在多个设备上各复制一份，并使用每个设备上的复制品处理整个数据集的不同部分数据。
from keras.utils import multi_gpu_model

# Replicates `model` on 8 GPUs.
# This assumes that your machine has 8 available GPUs.
parallel_model = multi_gpu_model(model, gpus=8)
parallel_model.compile(loss='categorical_crossentropy',
                       optimizer='rmsprop')

# This `fit` call will be distributed on 8 GPUs.
# Since the batch size is 256, each GPU will process 32 samples.
parallel_model.fit(x, y, epochs=20, batch_size=256)

2. "batch", "epoch"和"sample"的含义

Sample：样本，数据集中的一条数据。例如图片数据集中的一张图片
Batch：中文为批，一个batch由若干条数据构成。batch是进行网络优化的基本单位，网络参数的每一轮优化需要使用一个batch。batch越大则对输入数据分布模拟的越好，反应在网络训练上，则体现为能让网络训练的方向“更加正确”。但另一方面，一个batch也只能让网络的参数更新一次，因此网络参数的迭代会较慢。在测试网络的时候，应该在条件的允许的范围内尽量使用更大的batch，这样计算效率会更高。
Epoch，epoch可译为“轮次”。如果说每个batch对应网络的一次更新的话，一个epoch对应的就是网络的一轮更新。每一轮更新中网络更新的次数可以随意，但通常会设置为遍历一遍数据集。因此一个epoch的含义是模型完整的看了一遍数据集。

3. 保存Keras模型

可以使用model.save(filepath)将Keras模型和权重保存在一个HDF5文件中，该文件将包含：

模型的结构，以便重构该模型
模型的权重
训练配置（损失函数，优化器等）
优化器的状态，以便于从上次训练中断的地方开始
使用keras.models.load_model(filepath)来重新实例化你的模型

from keras.models import load_model
model.save('my_model.h5')  # creates a HDF5 file 'my_model.h5'
del model  # deletes the existing model
# returns a compiled model
# identical to the previous one
model = load_model('my_model.h5')

如果需要保存模型的权重，可通过下面的代码利用HDF5进行保存。注意，在使用前需要确保你已安装了HDF5和其Python库h5py

model.save_weights('my_model_weights.h5')

如果你需要在代码中初始化一个完全相同的模型，请使用：

model.load_weights('my_model_weights.h5')

如果你需要加载权重到不同的网络结构（有些层一样）中，例如fine-tune或transfer-learning，你可以通过层名字来加载模型：

model.load_weights('my_model_weights.h5', by_name=True)

例如：仅加载层名字相同的参数。

"""
假如原模型为：
    model = Sequential()
    model.add(Dense(2, input_dim=3, name="dense_1"))
    model.add(Dense(3, name="dense_2"))
    ...
    model.save_weights(fname)
"""
# new model
model = Sequential()
model.add(Dense(2, input_dim=3, name="dense_1"))  # will be loaded
model.add(Dense(10, name="new_dense"))  # will not be loaded

# load weights from first model; will only affect the first layer, dense_1.
model.load_weights(fname, by_name=True)

获取中间层的输出

可以建立一个Keras的函数来达到这一目的：

from keras import backend as K

# with a Sequential model
get_3rd_layer_output = K.function([model.layers[0].input],
                                  [model.layers[3].output])
layer_output = get_3rd_layer_output([X])[0]

注意，如果你的模型在训练和测试两种模式下不完全一致，例如你的模型中含有Dropout层，批规范化（BatchNormalization）层等组件，你需要在函数中传递一个learning_phase的标记，像这样：

get_3rd_layer_output = K.function([model.layers[0].input, K.learning_phase()],
                                  [model.layers[3].output])
# output in test mode = 0
layer_output = get_3rd_layer_output([X, 0])[0]
# output in train mode = 1
layer_output = get_3rd_layer_output([X, 1])[0]

数据集分割与洗乱

如果在model.fit中设置validation_spilt的值，则可将数据分为训练集和验证集，原数据在进行验证集分割前并没有被shuffle，所以这里的验证集严格的就是你输入数据最末的x%。
如果model.fit的shuffle参数为真，训练的数据就会被随机洗乱。不设置时默认为真。训练数据会在每个epoch的训练中都重新洗乱一次。验证集的数据不会被洗乱

在每个epoch后记录训练/测试的loss和正确率

model.fit在运行结束后返回一个History对象，其中含有的history属性包含了训练过程中损失函数的值以及其他度量指标。

hist = model.fit(X, y, validation_split=0.2)
print(hist.history)

“冻结”网络的层

“冻结”一个层指的是该层将不参加网络训练，即该层的权重永不会更新。在进行fine-tune时我们经常会需要这项操作。
可以通过向层的构造函数传递trainable参数来指定一个层是不是可训练的，如：

frozen_layer = Dense(32,trainable=False)

此外，也可以通过将层对象的trainable属性设为True或False来为已经搭建好的模型设置要冻结的层。在设置完后，需要运行compile来使设置生效，例如：

x = Input(shape=(32,))
layer = Dense(32)
layer.trainable = False
y = layer(x)

frozen_model = Model(x, y)
# in the model below, the weights of `layer` will not be updated during training
frozen_model.compile(optimizer='rmsprop', loss='mse')

layer.trainable = True
trainable_model = Model(x, y)
# with this model the weights of the layer will be updated during training
# (which will also affect the above model since it uses the same layer instance)
trainable_model.compile(optimizer='rmsprop', loss='mse')

frozen_model.fit(data, labels)  # this does NOT update the weights of `layer`
trainable_model.fit(data, labels)  # this updates the weights of `layer`

从Sequential模型中去除一个层

通过调用.pop()来去除模型的最后一个层，反复调用n次即可去除模型后面的n个层

model = Sequential()
model.add(Dense(32, activation='relu', input_dim=784))
model.add(Dense(32, activation='relu'))

print(len(model.layers))  # "2"

model.pop()
print(len(model.layers))  # "1"

在Keras中使用预训练的模型

通过keras.applications载入这些模型：

from keras.applications.vgg16 import VGG16
from keras.applications.vgg19 import VGG19
from keras.applications.resnet50 import ResNet50
from keras.applications.inception_v3 import InceptionV3

model = VGG16(weights='imagenet', include_top=True)

序列模型

model = Sequential()
#定义各层
model.add()
#编译
model.compile(optimizer='rmsprop',
              loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])
#训练
model.fit(）

常用Sequential属性
model.layers是添加到模型上的层的list

函数式（Functional）模型

只要你的模型不是类似VGG一样一条路走到黑的模型，或者你的模型需要多于一个的输出，那么你总应该选择函数式模型。函数式模型是最广泛的一类模型，序贯模型（Sequential）只是它的一种特殊情况。函数式模型称作Functional，但它的类名是Model

使用函数式模型的一个典型场景是搭建多输入、多输出的模型

keras 常用层

Dense层是全连接层

所实现的运算是output = activation(dot(input, kernel)+bias)也就是激活函数（wx+b）
第一个参数是指输出的维度。

卷积层

Conv2D层

keras.layers.convolutional.Conv2D(filters, kernel_size, strides=(1, 1), padding='valid', data_format=None, dilation_rate=(1, 1), activation=None, use_bias=True, kernel_initializer='glorot_uniform', bias_initializer='zeros', kernel_regularizer=None, bias_regularizer=None, activity_regularizer=None, kernel_constraint=None, bias_constraint=None)

二维卷积层，即对图像的空域卷积。该层对二维输入进行滑动窗卷积

filters：卷积核的数目（即输出的维度）
kernel_size：卷积核
strides：步长，任何不为1的strides均与任何不为1的dilation_rate均不兼容。
padding：补0策略，“valid”代表只进行有效的卷积，即对边界数据不处理。“same”代表保留边界处的卷积结果，通常会导致输出shape与输入shape相同。
activation：激活函数，如果不指定该参数，将不会使用任何激活函数，极线性激活函数。
dilation_rate：指定dilated convolution中的膨胀比例。任何不为1的dilation_rate均与任何不为1的strides均不兼容。（没明白）
use_bias:布尔值，是否使用偏置项
data_format：字符串，“channels_first”或“channels_last”之一，代表图像的通道维的位置。tensorflow对应“channels_last”，thoneo对应“channels_first”。以128x128的RGB图像为例，“channels_first”应将数据组织为（3,128,128），而“channels_last”应将数据组织为（128,128,3）。不指定时，默认为channels_last，也就是把维数放在后面。

Conv2DTranspose层

该层是转置的卷积操作（反卷积）

Conv3D层

三维卷积对三维的输入进行滑动窗卷积,也就是视频。

Cropping2D层

对2D输入（图像）进行裁剪，将在空域维度，即宽和高的方向上裁剪。

ZeroPadding2D层

对2D输入（如图片）的边界填充0，以控制卷积以后特征图的大小

池化层

MaxPooling2D层

为空域信号施加最大值池化

keras.layers.pooling.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2), strides=None, padding='valid', data_format=None)

pool_size：整数或长为2的整数tuple，代表在两个方向（竖直，水平）上的下采样因子，如取（2，2）将使图片在两个维度上均变为原长的一半。为整数意为各个维度值相同且为该数字。

AveragePooling2D层

为空域信号施加平均值池化

GlobalMaxPooling2D层

为空域信号施加全局最大值池化