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[机器学习] 对比学习用 Keras 搭建 CNN RNN 等常用神经网络

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发表于 2018-2-28 09:40:01 |显示全部楼层
Keras 是一个兼容 Theano 和 Tensorflow 的神经网络高级包, 用他来组件一个神经网络更加快速, 几条语句就搞定了. 而且广泛的兼容性能使 Keras 在 Windows 和 MacOS 或者 Linux 上运行无阻碍.

今天来对比学习一下用 Keras 搭建下面几个常用神经网络:

回归
RNN回归
分类
CNN分类
RNN分类
自编码分类
它们的步骤差不多是一样的:

[导入模块并创建数据]
[建立模型]
[定义优化器]
[激活模型]
[训练模型]
[检验模型]
[可视化结果]
为了对比学习,用到的数据也差不多是一样的,
所以本文只把注意力放在 2. [建立模型] 上面,其它步骤大同小异,可以去参考里提到的教学网站观看或者直接看源代码。

1. 回归
目的是对一组数据进行拟合。
7.png

1. 用 Sequential 建立 model
2. 再用 model.add 添加神经层,添加的是 Dense 全连接神经层。

参数有两个,一个是输入数据和输出数据的维度,本代码的例子中 x 和 y 是一维的。

如果需要添加下一个神经层的时候,不用再定义输入的纬度,因为它默认就把前一层的输出作为当前层的输入。在这个例子里,只需要一层就够了。
  1. # build a neural network from the 1st layer to the last layer
  2. model = Sequential()
  3. model.add(Dense(output_dim=1, input_dim=1))
复制代码
2. RNN回归
我们要用 sin 函数预测 cos 数据,会用到 LSTM 这个网络。
6.png

RNN vs LSTM
1. 搭建模型,仍然用 Sequential。
2. 然后加入 LSTM 神经层。

batch_input_shape 就是在后面处理批量的训练数据时它的大小是多少,有多少个时间点,每个时间点有多少个数据。
output_dim 意思是 LSTM 里面有二十个 unit。
return_sequences 意思是在每个时间点,要不要输出output,默认的是 false,现在我们把它定义为 true。如果等于 false,就是只在最后一个时间点输出一个值。
stateful,默认的也是 false,意义是批和批之间是否有联系。直观的理解就是我们在读完二十步,第21步开始是接着前面二十步的。也就是第一个 batch中的最后一步与第二个 batch 中的第一步之间是有联系的。
3. 有个不同点是 TimeDistributed。

在上一个回归问题中,我们是直接加 Dense 层,因为只在最后一个输出层把它变成一个全连接层。
今天这个问题是每个时间点都有一个 output,那需要 dense 对每一个 output 都进行一次全连接的计算。
  1. model = Sequential()
  2. # build a LSTM RNN
  3. model.add(LSTM(
  4.     batch_input_shape=(BATCH_SIZE, TIME_STEps, INPUT_SIZE),       # Or: input_dim=INPUT_SIZE, input_length=TIME_STEPS,
  5.     output_dim=CELL_SIZE,
  6.     return_sequences=True,      # True: output at all steps. False: output as last step.
  7.     stateful=True,              # True: the final state of batch1 is feed into the initial state of batch2
  8. ))
  9. # add output layer
  10. model.add(TimeDistributed(Dense(OUTPUT_SIZE)))
  11. adam = Adam(LR)
  12. model.compile(optimizer=adam,
  13.               loss='mse',)

复制代码
3. 分类
数据用的是 Keras 自带 MNIST 这个数据包,再分成训练集和测试集。x 是一张张图片,y 是每张图片对应的标签,即它是哪个数字。
5.png

简单介绍一下相关模块:

models.Sequential,用来一层一层一层的去建立神经层;
layers.Dense 意思是这个神经层是全连接层。
layers.Activation 激活函数。
optimizers.RMSprop 优化器采用 RMSprop,加速神经网络训练方法。
  1. import numpy as np
  2. np.random.seed(1337)  # for reproducibility
  3. from keras.datasets import mnist
  4. from keras.utils import np_utils
  5. from keras.models import Sequential
  6. from keras.layers import Dense, Activation
  7. from keras.optimizers import RMSprop
复制代码
在回归网络中用到的是 model.add 一层一层添加神经层,今天的方法是直接在模型的里面加多个神经层。好比一个水管,一段一段的,数据是从上面一段掉到下面一段,再掉到下面一段。

第一段就是加入 Dense 神经层。32 是输出的维度,784 是输入的维度。
第一层传出的数据有 32 个feature,传给激活单元.
激活函数用到的是 relu 函数。
经过激活函数之后,就变成了非线性的数据。
然后再把这个数据传给下一个神经层,这个 Dense 我们定义它有 10 个输出的 feature。同样的,此处不需要再定义输入的维度,因为它接收的是上一层的输出。
接下来再输入给下面的 softmax 函数,用来分类。
  1. # Another way to build your neural net
  2. model = Sequential([
  3.     Dense(32, input_dim=784),
  4.     Activation('relu'),
  5.     Dense(10),
  6.     Activation('softmax'),
  7. ])
复制代码
4. CNN分类
4.png

CNN
数据仍然是用 mnist。

1. 建立网络第一层,建立一个 Convolution2D,参数有 filter 的数量。

filter 就是滤波器,用32个滤波器扫描同一张图片,每个滤波器会总结出一个 feature。每个滤波器会生成一整张图片,有32个滤波器就会生成32张代表不同特征的图片,
nb_row nb_col 代表这个滤波器有多少行多少列。
border_mode 代表这个滤波器在过滤时候用什么方式,这里我们用 same。
因为是第一层,所以需要定义输入数据的维度,1, 28, 28 就是图片图片的维度。
滤波器完成之后,会生成32层的数据,但是图片的长和宽是不变的,仍然是28×28。
之后再加一个 relu 激活函数。
  1. # Another way to build your CNN
  2. model = Sequential()

  3. # Conv layer 1 output shape (32, 28, 28)
  4. model.add(Convolution2D(
  5.     nb_filter=32,
  6.     nb_row=5,
  7.     nb_col=5,
  8.     border_mode='same',     # Padding method
  9.     dim_ordering='th',      # if use tensorflow, to set the input dimension order to theano ("th") style, but you can change it.
  10.     input_shape=(1,         # channels
  11.                  28, 28,)    # height & width
  12. ))
  13. model.add(Activation('relu'))
复制代码
2. Pooling 是一个向下取样的过程.
它可以缩小生成出来的长和宽,高度不需要被压缩。

pool_size 是向下取样的时候,考虑多长多宽的图片。
strides 步长,是取完一个样之后要跳几步再取样,再跳几步再取样。
  1. # Pooling layer 1 (max pooling) output shape (32, 14, 14)
  2. model.add(MaxPooling2D(
  3.     pool_size=(2, 2),
  4.     strides=(2, 2),
  5.     border_mode='same',    # Padding method
  6. ))
复制代码
3. 接下来建立第二个神经层

有 64 个 filter,5, 5 的长宽,再跟着一个激活函数。
再跟着一个 MaxPooling2D 取样。
  1. # Conv layer 2 output shape (64, 14, 14)
  2. model.add(Convolution2D(64, 5, 5, border_mode='same'))
  3. model.add(Activation('relu'))

  4. # Pooling layer 2 (max pooling) output shape (64, 7, 7)
  5. model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2), border_mode='same'))
复制代码
4. 接下来进入全联接层

用 Flatten 把卷出来的三维的层,抹平成二维的。
接下来就加一个 Dense 全联接层,抹平就是为了可以把这一个一个点全连接成一个层.
接着再加一个激活函数。
  1. # Fully connected layer 1 input shape (64 * 7 * 7) = (3136), output shape (1024)
  2. model.add(Flatten())
  3. model.add(Dense(1024))
  4. model.add(Activation('relu'))
复制代码
5. 在第二个全连接层,输出 10 个 unit, 用 softmax 作为分类。
  1. <p># Fully connected layer 2 to shape (10) for 10 classes</p><p>model.add(Dense(10))</p><p>model.add(Activation('softmax'))</p>
复制代码
5. RNN分类
3.png

RNN分类
RNN 是一个序列化的神经网,我们处理图片数据的时候,也要以序列化的方式去考虑。
图片是由一行一行的像素组成,我们就一行一行地去序列化地读取数据。最后再进行一个总结,来决定它到底是被分辨成哪一类。

用到的参数含义:

TIME_STEPS 是要读取多少个时间点的数据,如果一次读一行需要读28次。
INPUT_SIZE 每次每一行读取多少个像素。
BATCH_SIZE 每一批训练多少张。
BATCH_INDEX 用来生成数据。
OUTPUT_SIZE 分类结果的长度,0到9,所以长度为 10。
CELL_SIZE 网络中隐藏层要放多少个 unit。
LR 是学习率。
1. 用 Sequential 建立模型,就是一层一层地加上神经层。
  1. # build RNN model
  2. model = Sequential()
复制代码
2. 加上 SimpleRNN。
batch_input_shape 就是在后面处理批量的训练数据时它的大小是多少,有多少个时间点,每个时间点有多少个像素。
  1. <p># RNN cell</p><p>model.add(SimpleRNN(</p><p>    # for batch_input_shape, if using tensorflow as the backend, we have to put None for the batch_size.</p><p>    # Otherwise, model.evaluate() will get error.</p><p>    batch_input_shape=(None, TIME_STEPS, INPUT_SIZE),       # Or: input_dim=INPUT_SIZE, input_length=TIME_STEPS,</p><p>    output_dim=CELL_SIZE,</p><p>    unroll=True,</p><p>))</p>
复制代码
3. 加 Dense 输出层。
输出 output 长度为 10,接着用 softmax 激活函数用于分类。
  1. <p># output layer</p><p>model.add(Dense(OUTPUT_SIZE))</p><p>model.add(Activation('softmax'))</p>
复制代码
4. 在训练的时候有一个小技巧,就是怎么去处理批量。
输出结果时每 500 步输出一下测试集的准确率和损失。

需要用到 BATCH_INDEX,一批批地截取数据,下一批的时候,这个 BATCH_INDEX 就需要累加,后面的时间点和步长没有变化都是28。
y 的批量和 x 的处理是一样的,只不过 y 只有二维,所以它只有两个参数。

后面有一个判断语句,如果这个 index 大于训练数据的总数,index 就变为 0,再从头开始一批批处理。
  1. <p># training</p><p>for step in range(4001):</p><p>    # data shape = (batch_num, steps, inputs/outputs)</p><p>    X_batch = X_train[BATCH_INDEX: BATCH_INDEX+BATCH_SIZE, :, :]</p><p>    Y_batch = y_train[BATCH_INDEX: BATCH_INDEX+BATCH_SIZE, :]</p><p>    cost = model.train_on_batch(X_batch, Y_batch)</p><p>    BATCH_INDEX += BATCH_SIZE</p><p>    BATCH_INDEX = 0 if BATCH_INDEX >= X_train.shape[0] else BATCH_INDEX</p><p>
  2. </p><p>    if step % 500 == 0:</p><p>        cost, accuracy = model.evaluate(X_test, y_test, batch_size=y_test.shape[0], verbose=False)</p><p>        print('test cost: ', cost, 'test accuracy: ', accuracy)</p>
复制代码
6. 自编码分类
2.png

自编码
自编码,简单来说就是把输入数据进行一个压缩和解压缩的过程。
原来有很多 Feature,压缩成几个来代表原来的数据,解压之后恢复成原来的维度,再和原数据进行比较。

做的事情是把 datasets.mnist 数据的 28×28=784 维的数据,压缩成 2 维的数据,然后在一个二维空间中可视化出分类的效果。

模型结构:

encoding_dim,要压缩成的维度。
  1. <p>
  2. </p><p># in order to plot in a 2D figure</p><p>encoding_dim = 2</p><p>
  3. </p><p># this is our input placeholder</p><p>input_img = Input(shape=(784,))</p>
复制代码
建立 encoded 层和 decoded 层,再用 autoencoder 把二者组建在一起。训练时用 autoencoder 层。

1. encoded 用4层 Dense 全联接层
激活函数用 relu,输入的维度就是前一步定义的 input_img。
接下来定义下一层,它的输出维度是64,输入是上一层的输出结果。
在最后一层,我们定义它的输出维度就是想要的 encoding_dim=2。

2. 解压的环节,它的过程和压缩的过程是正好相反的。
相对应层的激活函数也是一样的,不过在解压的最后一层用到的激活函数是 tanh。因为输入值是由 -0.5 到 0.5 这个范围,在最后一层用这个激活函数的时候,它的输出是 -1 到 1,可以是作为一个很好的对应。
  1. <p># encoder layers</p><p>encoded = Dense(128, activation='relu')(input_img)</p><p>encoded = Dense(64, activation='relu')(encoded)</p><p>encoded = Dense(10, activation='relu')(encoded)</p><p>encoder_output = Dense(encoding_dim)(encoded)</p><p>
  2. </p><p># decoder layers</p><p>decoded = Dense(10, activation='relu')(encoder_output)</p><p>decoded = Dense(64, activation='relu')(decoded)</p><p>decoded = Dense(128, activation='relu')(decoded)</p><p>decoded = Dense(784, activation='tanh')(decoded)</p><p>
  3. </p><p># construct the autoencoder model</p><p>autoencoder = Model(input=input_img, output=decoded)</p>
复制代码
接下来直接用 Model 这个模块来组建模型
输入就是图片,输出是解压的最后的结果。
  1. <p># construct the encoder model for plotting</p><p>encoder = Model(input=input_img, output=encoder_output)</p>
复制代码
当我们想要看由 784 压缩到 2维后,这个结果是什么样的时候,也可以只单独组建压缩的板块,此时它的输入是图片,输出是压缩环节的最后结果。


1.png


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