机器不学习:卷积神经网络CNN与Keras实战

一、概述及完整代码

本例的代码主要来自Keras自带的example里的mnist_cnn模块，主要用到keras.layers中的Dense, Dropout, Activation, Flatten模块和keras.layers中的Convolution2D,MaxPooling2D。构建一个两层卷积层两层全连接层的简单卷积神经网络，12次循环后可以达到99.25%的准确率，可见CNN的预测准确率已经相当高了。

完整代码：

import numpy as np

np.random.seed(1337) # for reproducibility

from keras.datasets import mnist

from keras.models import Sequential

from keras.layers import Dense, Dropout, Activation, Flatten

from keras.layers import Convolution2D, MaxPooling2D

from keras.utils import np_utils

from keras import backend as K

# 全局变量

batch_size = 128

nb_classes = 10

epochs = 12

# input image dimensions

img_rows, img_cols = 28, 28

# number of convolutional filters to use

nb_filters = 32

# size of pooling area for max pooling

pool_size = (2, 2)

# convolution kernel size

kernel_size = (3, 3)

# the data, shuffled and split between train and test sets

(X_train, y_train), (X_test, y_test) = mnist.load_data()

# 根据不同的backend定下不同的格式

if K.image_dim_ordering() == 'th':

X_train = X_train.reshape(X_train.shape[0], 1, img_rows, img_cols)

X_test = X_test.reshape(X_test.shape[0], 1, img_rows, img_cols)

input_shape = (1, img_rows, img_cols)

else:

X_train = X_train.reshape(X_train.shape[0], img_rows, img_cols, 1)

X_test = X_test.reshape(X_test.shape[0], img_rows, img_cols, 1)

input_shape = (img_rows, img_cols, 1)

X_train = X_train.astype('float32')

X_test = X_test.astype('float32')

X_train /= 255

X_test /= 255

print('X_train shape:', X_train.shape)

print(X_train.shape[0], 'train samples')

print(X_test.shape[0], 'test samples')

# 转换为one_hot类型

Y_train = np_utils.to_categorical(y_train, nb_classes)

Y_test = np_utils.to_categorical(y_test, nb_classes)

#构建模型

model = Sequential()

"""

model.add(Convolution2D(nb_filters, kernel_size[0], kernel_size[1],

border_mode='same',

input_shape=input_shape))

"""

model.add(Convolution2D(nb_filters, (kernel_size[0], kernel_size[1]),

padding='same',

input_shape=input_shape)) # 卷积层1

model.add(Activation('relu')) #激活层

model.add(Convolution2D(nb_filters, (kernel_size[0], kernel_size[1]))) #卷积层2

model.add(Activation('relu')) #激活层

model.add(MaxPooling2D(pool_size=pool_size)) #池化层

model.add(Dropout(0.25)) #神经元随机失活

model.add(Flatten()) #拉成一维数据

model.add(Dense(128)) #全连接层1

model.add(Activation('relu')) #激活层

model.add(Dropout(0.5)) #随机失活

model.add(Dense(nb_classes)) #全连接层2

model.add(Activation('softmax')) #Softmax评分

#编译模型

model.compile(loss='categorical_crossentropy',

optimizer='adadelta',

metrics=['accuracy'])

#训练模型

model.fit(X_train, Y_train, batch_size=batch_size, epochs=epochs,

verbose=1, validation_data=(X_test, Y_test))

#评估模型

score = model.evaluate(X_test, Y_test, verbose=0)

print('Test score:', score[0])

print('Test accuracy:', score[1])

二、知识点详解

1. 关于Keras可能会使用不同的backend

该选择结构可以灵活对theano和tensorflow两种backend生成对应格式的训练数据格式。举例说明：'th'模式，即Theano模式会把100张RGB三通道的16×32（高为16宽为32）彩色图表示为下面这种形式（100,3,16,32），Caffe采取的也是这种方式。第0个维度是样本维，代表样本的数目，第1个维度是通道维，代表颜色通道数。后面两个就是高和宽了。而TensorFlow，即'tf'模式的表达形式是（100,16,32,3），即把通道维放在了最后。这两个表达方法本质上没有什么区别。

1. 
   
2. # 根据不同的backend定下不同的格式
3. if K.image_dim_ordering() == 'th':
4. X_train = X_train.reshape(X_train.shape[0], 1, img_rows, img_cols)
5. X_test = X_test.reshape(X_test.shape[0], 1, img_rows, img_cols)
6. input_shape = (1, img_rows, img_cols)
7. else:
8. X_train = X_train.reshape(X_train.shape[0], img_rows, img_cols, 1)
9. X_test = X_test.reshape(X_test.shape[0], img_rows, img_cols, 1)
10. input_shape = (img_rows, img_cols, 1)

2. 二维卷积层Conv2D

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)

二维卷积层对二维输入进行滑动窗卷积，当使用该层作为第一层时，应提供input_shape参数。

filters：卷积核的数目；

kernel_size：卷积核的尺寸；

strides：卷积核移动的步长，分为行方向和列方向；

padding：边界模式，有“valid”，“same”或“full”，full需要以theano为后端；

其他参数请参看Keras官方文档。

3. 二维池化层MaxPooling2D

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

对空域信号进行最大值池化。

pool_size：池化核尺寸；

strides：池化核移动步长；

padding：边界模式，有“valid”，“same”或“full”，full需要以theano为后端；

其他参数请参看Keras官方文档。

4. Activation层

keras.layers.core.Activation(activation)

激活层对一个层的输出施加激活函数。

预定义激活函数：

softmax，softplus，softsign，relu，tanh，sigmoid，hard_sigmoid，linear等。

5. Dropout层

keras.layers.core.Dropout(p)

为输入数据施加Dropout。Dropout将在训练过程中每次更新参数时随机断开一定百分比（p）的输入神经元连接，Dropout层用于防止过拟合。

6. Flatten层

keras.layers.core.Flatten()

Flatten层用来将输入“压平”，即把多维的输入一维化，常用在从卷积层到全连接层的过渡。Flatten不影响batch的大小。

例子：

model =Sequential()

model.add(Convolution2D(64,3, 3, border_mode='same', input_shape=(3, 32, 32)))

# now:model.output_shape == (None, 64, 32, 32)

model.add(Flatten())

# now:model.output_shape == (None, 65536)

7.Dense层全连接层

keras.layers.core.Dense(units,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)

units：输出单元的数量，即全连接层神经元的数量，作为第一层的Dense层必须指定input_shape。

8. Sequential模型compile方法

compile(self,optimizer, loss, metrics=[], sample_weight_mode=None)

编译用来配置模型的学习过程，其参数有：

optimizer：字符串（预定义优化器名）或优化器对象；

loss：字符串（预定义损失函数名）或目标函数；

metrics：列表，包含评估模型在训练和测试时的网络性能的指标，典型用法是metrics=['accuracy']；

9. Sequential模型fit方法

fit(self,x, y, batch_size=32, epochs=10, verbose=1, callbacks=None,validation_split=0.0, validation_data=None, shuffle=True, class_weight=None,sample_weight=None, initial_epoch=0)

verbose：日志显示，0为不在标准输出流输出日志信息，1为输出进度条记录，2为每个epoch输出一行记录；

validation_split：0~1之间的浮点数，用来指定训练集的一定比例数据作为验证集。验证集将不参与训练，并在每个epoch结束后测试的模型的指标，如损失函数、精确度等；

validation_data：形式为（X，y）的tuple，是指定的验证集。此参数将覆盖validation_spilt。

10. Sequential模型evaluate方法

evaluate(self,x, y, batch_size=32, verbose=1, sample_weight=None)

相关参数可参考其他方法的同名参数说明。