Keras 初探

最近在接触些深度学习的东西，也对一些深度学习的框架进行了大致的了解。Python的科学计算包主要是Theano和TensorFlow，特点就是很强大，但对于初学者不太友好、有点难用。但Keras可以基于这两种包之一方便地建立神经网络。

什么是Keras

Keras是一个高层神经网络API，Keras由纯Python编写而成并基Tensorflow、Theano以及CNTK后端。Keras 为支持快速实验而生，能够把你的idea迅速转换为结果。

Keras可在Python 2.7或3.5运行，无缝调用后端的CPU或GPU网络。Keras由Google的Francois Chollet开发，并遵循以下原则：

模块化：每个模块都是单独的流程或图，深度学习的所有问题都可以通过组装模块解决
简单化：提供解决问题的最简单办法，不加装饰，最大化可读性
扩展性：新模块的添加特别容易，方便试验新想法
Python：不使用任何自创格式，只使用原生Python

如下图所示，在终端调用keras，后面会输出下面的提示，说明keras默认的后端为tensorflow
```
Using TensorFlow backend.
```

Keras 初探

如果说默认的后端不是tensorflow,而是theano，我们可以配置后端文件进行修改：

~/.keras/keras.json

里面是：

{"epsilon": 1e-07, "floatx": "float32", "backend": "theano"}

我们把backend参数改为tensorflow即可。

序贯模型

Keras的目标就是搭建模型。最主要的模型是Sequential：不同层的叠加。模型创建后可以编译，调用后端进行优化，可以指定损失函数和优化算法。

编译后的模型需要导入数据：可以一批批加入数据，也可以一次性全加入。训练后的模型就可以做预测或分类了。大体上的步骤是：

定义模型：创建Sequential模型，加入每一层
编译模型：指定损失函数和优化算法，使用模型的compile()方法
拟合数据：使用模型的fit()方法拟合数据
进行预测：使用模型的evaluate() 或 predict()方法进行预测

Sequential(序贯模型)是多个网络层的线性堆叠，说人话就是“一条路走到黑”。

我们一般通过.add()方法一个个的将layer加入模型：

from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense, Activation

model = Sequential()
model.add(Dense(32, input_shape=(784,)))
model.add(Activation('relu'))

输入数据

Sequential的第一层需要接受一个关于输入数据shape的参数，后面的各个层则可以自动的推导出中间数据的shape，因此不需要为每个层都指定这个参数。

有几种方法来为第一层指定输入数据的shape

传递一个input_shape的关键字参数给第一层，input_shape是一个tuple类型的数据，其中也可以填入None，如果填入None则表示此位置可能是任何正整数。数据的batch大小不应包含在其中。
有些2D层，如Dense，支持通过指定其输入维度input_dim来隐含的指定输入数据shape,是一个Int类型的数据。一些3D的时域层支持通过参数input_dim和input_length来指定输入shape。
如果你需要为输入指定一个固定大小的batch_size，可以传递batch_size参数到一个层中，例如你想指定输入张量的batch大小是32，数据shape是（6，8），则你需要传递batch_size=32和input_shape=(6,8)。

model = Sequential()
model.add(Dense(32, input_shape=(784,)))

一些重要概念：

batch:
我们经常用到的优化算法——梯度下降，在该算法中参数更新的方式主要有2种。

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。

第二种，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，指的就是这个。

epochs:

指的就是训练过程中数据将被“轮”多少次。

编译模型和训练

在训练模型之前，我们需要通过compile来对学习过程进行配置。compile接收三个参数：

优化器optimizer：该参数可指定为已预定义的优化器名，如rmsprop、adagrad，或一个Optimizer类的对象。
损失函数loss：该参数为模型试图最小化的目标函数，它可为预定义的损失函数名，如categorical_crossentropy、mse，也可以为一个损失函数。
指标列表metrics：对分类问题，我们一般将该列表设置为metrics=['accuracy']。指标可以是一个预定义指标的名字,也可以是一个用户定制的函数.指标函数应该返回单个张量,或一个完成metric_name - > metric_value映射的字典。

比如对于多分类问题：

model.compile(optimizer='rmsprop',
              loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

训练模型一般使用fit函数。

model.fit(data, labels, epochs=10, batch_size=32)

Keras实战

本文主要是介绍Keras的基本用法，所以数据集采用经典数据集，中间的数据清洗过程便可以省略一些。数据集用的是UCI数据集中的皮马人糖尿病数据集（pima-indians-diabetes），在UCI的机器学习网站（http://mlearn.ics.uci.edu/dat...）可以免费下载。

数据集的内容是皮马人的医疗记录，以及过去5年内是否有糖尿病。所有的数据都是数字，问题是（是否有糖尿病是1或0），是二分类问题。数据的数量级不同，有8个属性：

怀孕次数
2小时口服葡萄糖耐量试验中的血浆葡萄糖浓度
舒张压（毫米汞柱）
2小时血清胰岛素（mu U/ml)
体重指数（BMI）
糖尿病血系功能
年龄（年）
类别：过去5年内是否有糖尿病

所有的数据都是数字，可以直接导入Keras，数据前5行长下面这样。。

6,148,72,35,0,33.6,0.627,50,1
1,85,66,29,0,26.6,0.351,31,0
8,183,64,0,0,23.3,0.672,32,1
1,89,66,23,94,28.1,0.167,21,0
0,137,40,35,168,43.1,2.288,33,1

数据导入

因为数据全部为数字，这里我们用NumPy的loadtxt()函数可以直接导入数据，其实用pandas的read_csv也可以，随意啦。并将数据集分成特征和标签。

dataset = numpy.loadtxt("pima-indians-diabetes.csv", delimiter=",")
X = dataset[:,0:8]
Y = dataset[:,8]

delimiter参数为指定数据的界定符

模型定义

Keras的模型由层构成：我们建立一个Sequential模型，一层层加入神经元。第一步是确定输入层的数目正确：在创建模型时用input_dim参数确定。

全连接层用Dense类定义：第一个参数是本层神经元个数，然后是初始化方式和激活函数。这里的初始化方法是0到0.05的连续型均匀分布（uniform），Keras的默认方法也是这个。也可以用高斯分布进行初始化（normal）。

前两层的激活函数是线性整流函数（relu），最后一层的激活函数是S型函数（sigmoid）。之前大家喜欢用S型和正切函数，但现在线性整流函数效果更好。

为了保证输出是0到1的概率数字，最后一层的激活函数是S型函数，这样映射到0.5的阈值函数也容易。前两个隐层分别有12和8个神经元，最后一层是1个神经元（是否有糖尿病）。

隐层设置:不太好设置吧，我的理解是，一般来说，如果网络够大，即使存在问题也不会有影响。这个例子里我们用3层全连接网络。

model = Sequential()
model.add(Dense(12, input_dim=8, init='uniform', activation='relu'))
model.add(Dense(8, init='uniform', activation='relu'))
model.add(Dense(1, init='uniform', activation='sigmoid'))

模型的编译

Keras会调用Theano或者TensorFlow编译模型。

我们需要定义损失函数和优化算法，以及需要收集的数据。我们使用binary_crossentropy，错误的对数作为损失函数；adam作为优化算法。基于本问题是分类问题，so我们收集每轮的准确率。

model.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])

训练并测试模型

网络按轮训练，通过nb_epoch参数控制。每次送入的数据可以用batch_size参数控制。这里我们只跑150轮，每次10个数据。

model.fit(X, Y, nb_epoch=150, batch_size=10)

我们把测试数据拿出来检验一下模型的效果（注意这样不能测试在新数据的预测能力）我们应该将数据分成训练和测试集。调用模型的evaluation()方法，传入训练时的数据。输出是平均值，包括平均误差和其他的数据，例如准确度。

scores = model.evaluate(X, Y)
print("%s: %.2f%%" % (model.metrics_names[1], scores[1]*100))

结果输出

...
Epoch 143/150
768/768 [==============================] - 0s - loss: 0.4614 - acc: 0.7878
Epoch 144/150
768/768 [==============================] - 0s - loss: 0.4508 - acc: 0.7969
Epoch 145/150
768/768 [==============================] - 0s - loss: 0.4580 - acc: 0.7747
Epoch 146/150
768/768 [==============================] - 0s - loss: 0.4627 - acc: 0.7812
Epoch 147/150
768/768 [==============================] - 0s - loss: 0.4531 - acc: 0.7943
Epoch 148/150
768/768 [==============================] - 0s - loss: 0.4656 - acc: 0.7734
Epoch 149/150
768/768 [==============================] - 0s - loss: 0.4566 - acc: 0.7839
Epoch 150/150
768/768 [==============================] - 0s - loss: 0.4593 - acc: 0.7839
768/768 [==============================] - 0s
acc: 79.56%

最后模型的准确率为79.56%，还不是特别高。本文的目的只是为了将keras的特点展示出来。对于该数据集，我们还可以进行很多优化，比如神经网络中的隐层的设计、引入交叉验证调参、dropout等。看客莫急，后面会慢慢写到的。

Keras 初探