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Keras:通过详细示例了解基础知识

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开发者们大家好,

如果您是深度学习新手,您可能遇到过 keras 这个名字。但它到底是什么?它是如何工作的?在这篇文章中,我将从头开始解释所有内容,并向您展示一个使用 keras 构建简单深度学习模型的分步示例。我还将解释诸如 mnist 数据集 之类的关键概念,以便您可以轻松理解!

1.什么是keras?

keras 是一个用 python 编写的开源高级神经网络 api。它允许开发人员使用用户友好的界面快速轻松地构建深度学习模型。 keras 位于 tensorflow 等更复杂的深度学习框架之上,让您可以专注于构建模型,而不会被底层复杂性所困扰。

2. 为什么使用 keras?

  • 易于使用:keras 的设计易于阅读和理解,这非常适合初学者。
  • 模块化:它是高度模块化的,这意味着您可以像积木一样将模型组合在一起。
  • 多后端支持:keras 可以在 tensorflow、theano 或 cntk 之上运行,使其非常灵活。
  • 快速原型:只需几行代码即可构建、编译和训练深度学习模型。

3.什么是mnist?

mnist 数据集 是机器学习领域最著名的数据集之一。它包含 70,000 张手写数字 (0-9) 图像。每个图像都是灰度图片,大小为 28x28 像素。目标是将这些图像分类为十个数字类别之一。

以下是 mnist 数据集中的一些数字示例:

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]

使用 keras 时,您经常会看到教程中使用 mnist 数据集,因为它简单、易于理解,并且非常适合测试新模型。


4. 使用 keras 构建简单的神经网络(逐步)

现在让我们使用 keras 构建一个简单的神经网络来对这些手写数字进行分类。我们将一步步进行。

第 1 步:安装 tensorflow(keras 与 tensorflow 捆绑在一起)

首先,您需要安装 tensorflow,因为 keras 是最新版本中 tensorflow 的一部分。您可以通过 pip 安装它:

pip install tensorflow

第2步:导入所需的库

我们将导入构建和训练模型所需的 tensorflow 和 keras 特定库。

import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import layers, models

这里,tensorflow.keras 是 tensorflow 中的 keras api。

步骤 3:加载 mnist 数据集

keras 提供了对 mnist 等数据集的轻松访问。我们将加载数据集并将其分为训练集和测试集。

# load the mnist dataset
mnist = tf.keras.datasets.mnist
(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = mnist.load_data()

在此步骤中,train_images 和 train_labels 保存训练数据,而 test_images 和 test_labels 保存测试数据。

train_images中的每张图像都是28x28像素的灰度图像,train_labels包含每张图像对应的数字标签(0-9)。

步骤 4:预处理数据

接下来,我们需要对图像的像素值进行归一化,以使模型训练更加高效。图像中的每个像素值都在 0 到 255 之间。我们将图像除以 255,将这些值缩放到 0 到 1 之间。

# normalize pixel values to be between 0 and 1
train_images = train_images / 255.0
test_images = test_images / 255.0

第 5 步:构建模型

现在让我们使用 keras 构建我们的神经网络。我们将创建一个顺序模型,它允许我们将层堆叠在另一个之上。

# build the model
model = models.sequential([
    layers.flatten(input_shape=(28, 28)),      # flatten the 28x28 images into a 1d vector of 784 pixels
    layers.dense(128, activation='relu'),      # add a fully-connected (dense) layer with 128 neurons
    layers.dense(10, activation='softmax')     # output layer with 10 neurons (one for each digit 0-9)
])
  • flatten:flatten 层将 28x28 2d 图像转换为 784 个值的 1d 数组。
  • dense:dense 层是全连接层。这里我们的隐藏层有 128 个神经元,输出层有 10 个神经元(因为我们有 10 个数字类)。我们使用 relu 作为隐藏层的激活函数,使用 softmax 作为输出层。

第 6 步:编译模型

接下来,我们需要编译模型。这是我们指定优化器损失函数评估指标
的地方

# compile the model
model.compile(optimizer='adam',
              loss='sparse_categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])
  • adam 优化器:这是一种用于训练深度学习模型的流行优化器。
  • 稀疏分类交叉熵:此损失函数用于像我们这样的多类分类问题。
  • 准确性:我们将使用准确性作为评估模型性能的指标。

第 7 步:训练模型

现在,我们准备好训练模型了!我们将对其进行 5 epochs 训练(即模型将遍历整个训练数据集 5 次)。

# train the model
model.fit(train_images, train_labels, epochs=5)

第 8 步:评估模型

模型训练完成后,我们可以评估其在测试数据上的性能。

# Evaluate the model
test_loss, test_acc = model.evaluate(test_images, test_labels)

print(f'Test accuracy: {test_acc}')

这将为我们提供模型在测试数据集上的准确性。


5. 幕后发生了什么?

简单来说:

  1. 数据预处理:我们对数据进行归一化,使训练更加高效。
  2. 模型定义:我们使用顺序 api 构建了一个简单的前馈神经网络。
  3. 编译:我们选择了正确的损失函数和优化器来指导模型的学习。
  4. 训练:模型学会了通过多次遍历数据集将图像映射到数字。
  5. 评估:最后,我们检查了模型对未见过的数据的泛化程度。

6. 下一步该何去何从?

keras 简化了构建和训练神经网络的过程,使其成为初学者的理想起点。一旦您熟悉了基本模型,您就可以尝试更复杂的架构,例如卷积神经网络(cnn)循环神经网络(rnn)

随意使用 keras 更深入地探索深度学习世界,尝试不同的模型,并突破可能的界限!


到目前为止,您对 keras 有何看法?

以上就是Keras:通过详细示例了解基础知识的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!