关于Keras的“层”（Layer）——常用层

最新推荐文章于 2025-06-04 09:43:55 发布

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本文深入解析Keras中各种层的功能与使用，包括Dense、Activation、Dropout等核心层，以及Flatten、Reshape等数据处理层。通过实例演示如何在神经网络中正确配置和使用这些层。

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所有的Keras层对象都有如下方法：
layer.get_weights()：返回层的权重（numpy array）
layer.set_weights(weights)：从numpy array中将权重加载到该层中，要求numpy array的形状与* layer.get_weights()的形状相同
layer.get_config()：返回当前层配置信息的字典，层也可以借由配置信息重构:
layer = Dense(32)
config = layer.get_config()
reconstructed_layer = Dense.from_config(config)
或者：

from keras import layers

config = layer.get_config()
layer = layers.deserialize({'class_name': layer.__class__.__name__,'config': config})

如果层仅有一个计算节点（即该层不是共享层），则可以通过下列方法获得输入张量、输出张量、输入数据的形状和输出数据的形状：
layer.input
layer.output
layer.input_shape
layer.output_shape
如果该层有多个计算节点（参考层计算节点和共享层）。可以使用下面的方法
layer.get_input_at(node_index)
layer.get_output_at(node_index)
layer.get_input_shape_at(node_index)
layer.get_output_shape_at(node_index)

常用层

常用层对应于core模块，core内部定义了一系列常用的网络层，包括全连接、激活层等
Dense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)

Dense就是常用的全连接层，所实现的运算是output = activation(dot(input, kernel)+bias)。其中activation是逐元素计算的激活函数，kernel是本层的权值矩阵，bias为偏置向量，只有当use_bias=True才会添加。
如果本层的输入数据的维度大于2，则会先被压为与kernel相匹配的大小。
这里是一个使用示例：

# as first layer in a sequential model:
# as first layer in a sequential model:
model = Sequential()
model.add(Dense(32, input_shape=(16,)))
# now the model will take as input arrays of shape (*, 16)
# and output arrays of shape (*, 32)

# after the first layer, you don't need to specify
# the size of the input anymore:
model.add(Dense(32))

参数：
units：大于0的整数，代表该层的输出维度。
activation：激活函数，为预定义的激活函数名（参考激活函数），或逐元素（element-wise）的Theano函数。如果不指定该参数，将不会使用任何激活函数（即使用线性激活函数：a(x)=x）
use_bias: 布尔值，是否使用偏置项
kernel_initializer：权值初始化方法，为预定义初始化方法名的字符串，或用于初始化权重的初始化器。参考initializers
bias_initializer：偏置向量初始化方法，为预定义初始化方法名的字符串，或用于初始化偏置向量的初始化器。参考initializers
kernel_regularizer：施加在权重上的正则项，为Regularizer对象
bias_regularizer：施加在偏置向量上的正则项，为Regularizer对象
activity_regularizer：施加在输出上的正则项，为Regularizer对象
kernel_constraints：施加在权重上的约束项，为Constraints对象
bias_constraints：施加在偏置上的约束项，为Constraints对象
输入
形如(batch_size, …, input_dim)的nD张量，最常见的情况为(batch_size, input_dim)的2D张量
输出
形如(batch_size, …, units)的nD张量，最常见的情况为(batch_size, units)的2D张量

Activation层

keras.layers.core.Activation(activation)

激活层对一个层的输出施加激活函数
参数
activation：将要使用的激活函数，为预定义激活函数名或一个Tensorflow/Theano的函数。参考激活函数
输入shape
任意，当使用激活层作为第一层时，要指定input_shape
输出shape
与输入shape相同

Dropout层

keras.layers.core.Dropout(rate, noise_shape=None, seed=None)

为输入数据施加Dropout。Dropout将在训练过程中每次更新参数时按一定概率（rate）随机断开输入神经元，Dropout层用于防止过拟合。
参数
rate：0~1的浮点数，控制需要断开的神经元的比例
noise_shape：整数张量，为将要应用在输入上的二值Dropout mask的shape，例如你的输入为(batch_size, timesteps, features)，并且你希望在各个时间步上的Dropout mask都相同，则可传入noise_shape=(batch_size, 1, features)。
seed：整数，使用的随机数种子
参考文献
Dropout: A Simple Way to Prevent Neural Networks from Overfitting

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)

Reshape层

keras.layers.core.Reshape(target_shape)

Reshape层用来将输入shape转换为特定的shape
参数
target_shape：目标shape，为整数的tuple，不包含样本数目的维度（batch大小）
输入shape
任意，但输入的shape必须固定。当使用该层为模型首层时，需要指定input_shape参数
输出shape
(batch_size,)+target_shape
例子

 # as first layer in a Sequential model
model = Sequential()
model.add(Reshape((3, 4), input_shape=(12,)))
 # now: model.output_shape == (None, 3, 4)
 # note: `None` is the batch dimension

 # as intermediate layer in a Sequential model
model.add(Reshape((6, 2)))
 # now: model.output_shape == (None, 6, 2)

 # also supports shape inference using `-1` as dimension
model.add(Reshape((-1, 2, 2)))
 # now: model.output_shape == (None, 3, 2, 2)

Permute层

keras.layers.core.Permute(dims)

Permute层将输入的维度按照给定模式进行重排，例如，当需要将RNN和CNN网络连接时，可能会用到该层。
参数
dims：整数tuple，指定重排的模式，不包含样本数的维度。重拍模式的下标从1开始。例如（2，1）代表将输入的第二个维度重拍到输出的第一个维度，而将输入的第一个维度重排到第二个维度
例子

model = Sequential()
model.add(Permute((2, 1), input_shape=(10, 64)))
 # now: model.output_shape == (None, 64, 10)
 # note: `None` is the batch dimension

输入shape
任意，当使用激活层作为第一层时，要指定input_shape
输出shape
与输入相同，但是其维度按照指定的模式重新排列

RepeatVector层

keras.layers.core.RepeatVector(n)

RepeatVector层将输入重复n次
参数
n：整数，重复的次数
输入shape
形如（nb_samples, features）的2D张量
输出shape
形如（nb_samples, n, features）的3D张量
例子

model = Sequential()
model.add(Dense(32, input_dim=32))
 # now: model.output_shape == (None, 32)
 # note: `None` is the batch dimension

model.add(RepeatVector(3))
 # now: model.output_shape == (None, 3, 32)

Lambda层

keras.layers.core.Lambda(function, output_shape=None, mask=None, arguments=None)

本函数用以对上一层的输出施以任何Theano/TensorFlow表达式
参数
function：要实现的函数，该函数仅接受一个变量，即上一层的输出
output_shape：函数应该返回的值的shape，可以是一个tuple，也可以是一个根据输入shape计算输出shape的函数
mask: 掩膜
arguments：可选，字典，用来记录向函数中传递的其他关键字参数
例子

 # add a x -> x^2 layer
model.add(Lambda(lambda x: x ** 2))

 # add a layer that returns the concatenation
 # of the positive part of the input and
 # the opposite of the negative part

def antirectifier(x):
    x -= K.mean(x, axis=1, keepdims=True)
    x = K.l2_normalize(x, axis=1)
    pos = K.relu(x)
    neg = K.relu(-x)
    return K.concatenate([pos, neg], axis=1)

def antirectifier_output_shape(input_shape):
    shape = list(input_shape)
    assert len(shape) == 2  # only valid for 2D tensors
    shape[-1] *= 2
    return tuple(shape)

model.add(Lambda(antirectifier,
         output_shape=antirectifier_output_shape))

输入shape
任意，当使用该层作为第一层时，要指定input_shape
输出shape
由output_shape参数指定的输出shape，当使用tensorflow时可自动推断

ActivityRegularizer层

keras.layers.core.ActivityRegularization(l1=0.0, l2=0.0)

经过本层的数据不会有任何变化，但会基于其激活值更新损失函数值
参数
l1：1范数正则因子（正浮点数）
l2：2范数正则因子（正浮点数）
输入shape
任意，当使用该层作为第一层时，要指定input_shape
输出shape
与输入shape相同

Masking层

keras.layers.core.Masking(mask_value=0.0)

使用给定的值对输入的序列信号进行“屏蔽”，用以定位需要跳过的时间步
对于输入张量的时间步，即输入张量的第1维度（维度从0开始算，见例子），如果输入张量在该时间步上都等于mask_value，则该时间步将在模型接下来的所有层（只要支持masking）被跳过（屏蔽）。
如果模型接下来的一些层不支持masking，却接受到masking过的数据，则抛出异常。
例子
考虑输入数据x是一个形如(samples,timesteps,features)的张量，现将其送入LSTM层。因为你缺少时间步为3和5的信号，所以你希望将其掩盖。这时候应该：
赋值x[:,3,:] = 0.，x[:,5,:] = 0.
在LSTM层之前插入mask_value=0.的Masking层

model = Sequential()
model.add(Masking(mask_value=0., input_shape=(timesteps, features)))
model.add(LSTM(32))