R语言中的keras

Keras是一个高层神经网络API，由纯Python编写而成。此API支持相同的代码无缝跑在CPU或GPU上；对用户友好，易于快速prototype深度学习模型；支持计算机视觉中的卷积网络、序列处理中的循环网络，也支持两种网络的任意组合；支持任意网络架构：多段输入或多段输出模型、层共享、模型共享等。这意味着Keras 本质上适合用于构建任意深度学习模型（从记忆网络到神经图灵机）兼容多种运行后端，例如TensorFlow、CNTK和Theano。

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devtools::install_github("rstudio/keras")
library(keras)
install_keras()##安装依赖环境

当然，这里默认安装的是CPU版本，如果需要安装GPU版本则需要运行如下代码：

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install_keras(tensorflow= "gpu")

安装成功的界面如下，如果失败需要多试几次，基本是网络不稳定的原因。

Linux版本：

接下来我们通过一个实例进行后面的分析：

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##数据载入
mnist <-dataset_mnist()  #导入mnist数据集
x_train <-mnist$train$x   #训练集的自变量
y_train <-mnist$train$y   #训练集的因变量
x_test <-mnist$test$x
y_test <-mnist$test$y

注意：在此处导入数据的时候，会因为不是GPU版本而有警告出现，可以不用管：

接下来我们要进行数据的结构转化，x_train和x_test数据是灰度值的三维数组(图像ID、宽度、高度)。为了准备训练数据，通过将宽度和高度转换为一维(28x28的矩阵被简化成长为784的向量)，从而把三维数组转换为矩阵。然后，我们将值为0到255的整数之间的灰度值转换成0到1之间的浮点值。

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##矩阵向量化
dim(x_train)<- c(nrow(x_train), 784)
dim(x_test)<- c(nrow(x_test), 784)
 
##灰度值转化
x_train <-x_train / 255
x_test <-x_test / 255

因变量数据也需要进行处理。首先y_train和y_test数据都是一个整型向量，其值从0到9。为了准备训练数据，我们利用 Keras to_categorical()函数，用one-hot编码方法将向量转化为二进制类矩阵。我们来看下具体的原理，也就是说每行代表一个y的特征，一共10列（0-9），找到y对应列标记为1，其余为0。这样就构建了一个n*10的矩阵。

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##因变量结构改变
y_train <-to_categorical(y_train, 10)
y_test <-to_categorical(y_test, 10)

一. keras_model_sequential。序列在这里指的是比如语音数据、文本数据、视频数据等一系列具有连续关系的数据。接下来我们看下序列模型的构建。

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##模型的定义
model <- keras_model_sequential()
model %>%
  layer_dense(units =256, activation = 'relu', input_shape = c(784)) %>%
  layer_dropout(rate = 0.4) %>%
  layer_dense(units = 128, activation = 'relu')%>%
  layer_dropout(rate = 0.3) %>%
  layer_dense(units = 10, activation ='softmax')

layer_dense指的全连接层可以出现在输入，中间以及输出层。本质就是由一个特征空间线性变换到另一个特征空间。因此，dense层的目的是将前面提取的特征，在dense经过非线性变化，提取这些特征之间的关联，最后映射到输出空间上。如28*28转化为1：784。其中所涉及的参数：

units ：代表该层的输出维度或神经元个数, units解释为神经元个数为了方便计算参数量，解释为输出维度为了方便计算维度。

activation=None：激活函数.但是默认 liner 。具体函数列表如下

use_bias=True：布尔值，该层是否使用偏置向量b

input_shape是指输入张量的shape。所谓张量就是维度，把矩阵的概念进行扩展。对应的矩阵，数组的大小。如784个元素的向量就是784。

input_dim是指的张量的维度。此处维度指的就是普通的矩阵就是二维张量，数组就是一维张量，空间矩阵就是三维张量，类似的，还有四维、五维、六维张量。

layer_dropout层，目的是为了防止模型过拟合。关键的想法是在训练期间从神经网络随机丢弃单位（以及它们的连接）。只需要按一定的概率（retaining probability）p 来对weight layer 的参数进行随机采样，将这个子网络作为此次更新的目标网络。可以想象，如果整个网络有n个参数，那么我们可用的子网络个数为 2^n 。并且，当n很大时，每次迭代更新使用的子网络基本上不会重复，从而避免了某一个网络被过分的拟合到训练集上。

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##设置优化项
model %>%compile(
  loss = 'categorical_crossentropy',
  optimizer = optimizer_rmsprop(),
  metrics = c('accuracy')
)

其中optimizer包括optimizer_rmsprop（递归神经网络），optimizer_adagrad(),optimizer_adamax(), optimizer_adam(), optimizer_nadam(), optimizer_sgd()。

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 ##训练模型
history <-model %>% fit(
  x_train, y_train,
  epochs = 30, batch_size= 128,
  validation_split = 0.2
)

上图是动态生成的结果图，可以看到每次迭代的训练集和验证集的准确率，或者可以通过plot（history）直接看最终的结果：

Epochs 迭代的次数。

batch_size一次训练所选取的样本数。BatchSize的大小影响模型的优化程度和速度。同时其直接影响到GPU内存的使用情况，假如你GPU内存不大，该数值最好设置小一点。BatchSize从小到大的变化对网络影响

1、没有BatchSize，梯度准确，只适用于小样本数据库

2、BatchSize=1，梯度变来变去，非常不准确，网络很难收敛。

3、BatchSize增大，梯度变准确，

4、BatchSize增大，梯度已经非常准确，再增加BatchSize也没有用

注意：Batch Size增大了，要到达相同的准确度，必须要增大epoch。

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##模型的评估
model %>%evaluate(x_test, y_test)

从上面结果可以看出其实在测试集准确率很低。

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##数据的预测
model %>%predict(x_test)

二. keras_model_custom进行自定义的模型构建。和默认的模型的区别就是可以进行更多层的引入，并且可以进行多种情况的判断。我们直接看下实例:

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##模型构建
keras_model_simple_mlp<- function(num_classes,
                                   use_bn =FALSE, use_dp = FALSE,
                                   name = NULL){
 
  # define and return a custom model
  keras_model_custom(name = name,function(self) {
   
    # create layers we'll need for the call(this code executes once)
    self$dense1 <- layer_dense(units = 32,activation = "relu")
    self$dense2 <- layer_dense(units =num_classes, activation = "softmax")
    if (use_dp)
      self$dp <- layer_dropout(rate = 0.5)
    if (use_bn)
      self$bn <- layer_batch_normalization(axis= -1)
   
    # implement call (this code executes duringtraining & inference)
    function(inputs, mask = NULL, training =FALSE) {
      x <- self$dense1(inputs)
      if (use_dp)
        x <- self$dp(x)
      if (use_bn)
        x <- self$bn(x)
      self$dense2(x)
    }
  })
}

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##模型实例化
# create themodel
model <-keras_model_simple_mlp(num_classes = 10, use_dp = TRUE)
 
# compile graph
model %>%compile(
  loss = 'categorical_crossentropy',
  optimizer = optimizer_rmsprop(),
  metrics = c('accuracy')
)
 
# Generatedummy data
data <-matrix(runif(1000*100), nrow = 1000, ncol = 100)
labels <-matrix(round(runif(1000, min = 0, max = 9)), nrow = 1000, ncol = 1)
 
# Convertlabels to categorical one-hot encoding
one_hot_labels<- to_categorical(labels, num_classes = 10)
 
# Train themodel
model %>%fit(data, one_hot_labels, epochs=10, batch_size=32)

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##模型的保存
save_model_hdf5(model,"model.h5")##hdf5格式
save_model_tf(model,"./")##pb格式
export_savedmodel(model,"./")##pb格式

批量计算 keras 编程算法神经网络

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