Если Deep Learning Toolbox™ не обеспечивает слой, вы требуете для своей классификации или проблемы регрессии, то можно задать собственный слой с помощью этого примера в качестве руководства. Для списка встроенных слоев смотрите Список слоев глубокого обучения.
Чтобы создать пользовательский слой, который сам задает график слоев, можно задать dlnetwork возразите как настраиваемый параметр. Этот метод известен как сетевой состав. Можно использовать сетевой состав для:
Создайте один пользовательский слой, который представляет блок learnable слоев, например, остаточный блок.
Создайте сеть с потоком управления, например, сеть с разделом, который может динамически измениться в зависимости от входных данных.
Создайте сеть с циклами, например, сеть с разделами, которые подают выход назад в себя.
Для получения дополнительной информации смотрите Состав Нейронной сети для глубокого обучения.
В этом примере показано, как создать пользовательский слой, представляющий остаточный блок. Пользовательский слой residualBlockLayer содержит learnable блок слоев, состоящих из свертки, нормализации группы, ReLU и слоев сложения, и также включает связь пропуска и дополнительный слой свертки и слой нормализации группы в связи пропуска. Слой имеет один вход, который используется дважды как вход к каждой ветви. Эта схема подсвечивает остаточную блочную структуру.
Чтобы задать пользовательский слой глубокого обучения, можно использовать шаблон, обеспеченный в этом примере, который берет вас через следующие шаги:
Назовите слой – Дают слою имя так, чтобы можно было использовать его в MATLAB®.
Объявите, что свойства слоя – Задают свойства слоя и какие параметры изучены во время обучения.
Создайте (дополнительную) функцию конструктора – Задают, как создать слой и инициализировать его свойства. Если вы не задаете функцию конструктора, то при создании, программное обеспечение инициализирует NameОписание, и Type свойства с [] и определяет номер вводов и выводов слоя к 1.
Создайте прямые функции – Задают, как данные передают вперед через слой (прямое распространение) во время предсказания и в учебное время.
Создайте обратную (дополнительную) функцию – Задают производные потери относительно входных данных и настраиваемых параметров (обратное распространение). Если вы не задаете обратную функцию, то прямые функции должны поддержать dlarray объекты.
Скопируйте слой с шаблоном настраиваемых параметров в новый файл в MATLAB. Этот шаблон обрисовывает в общих чертах структуру слоя с настраиваемыми параметрами и включает функции, которые задают поведение слоя.
classdef myLayer < nnet.layer.Layer % & nnet.layer.Formattable (Optional) properties % (Optional) Layer properties. % Layer properties go here. end properties (Learnable) % (Optional) Layer learnable parameters. % Layer learnable parameters go here. end methods function layer = myLayer() % (Optional) Create a myLayer. % This function must have the same name as the class. % Layer constructor function goes here. end function [Z1, …, Zm] = predict(layer, X1, …, Xn) % Forward input data through the layer at prediction time and % output the result. % % Inputs: % layer - Layer to forward propagate through % X1, ..., Xn - Input data % Outputs: % Z1, ..., Zm - Outputs of layer forward function % Layer forward function for prediction goes here. end function [Z1, …, Zm, memory] = forward(layer, X1, …, Xn) % (Optional) Forward input data through the layer at training % time and output the result and a memory value. % % Inputs: % layer - Layer to forward propagate through % X1, ..., Xn - Input data % Outputs: % Z1, ..., Zm - Outputs of layer forward function % memory - Memory value for custom backward propagation % Layer forward function for training goes here. end function [dLdX1, …, dLdXn, dLdW1, …, dLdWk] = ... backward(layer, X1, …, Xn, Z1, …, Zm, dLdZ1, …, dLdZm, memory) % (Optional) Backward propagate the derivative of the loss % function through the layer. % % Inputs: % layer - Layer to backward propagate through % X1, ..., Xn - Input data % Z1, ..., Zm - Outputs of layer forward function % dLdZ1, ..., dLdZm - Gradients propagated from the next layers % memory - Memory value from forward function % Outputs: % dLdX1, ..., dLdXn - Derivatives of the loss with respect to the % inputs % dLdW1, ..., dLdWk - Derivatives of the loss with respect to each % learnable parameter % Layer backward function goes here. end end end
Во-первых, дайте слою имя. В первой линии файла класса замените существующее имя myLayer с residualBlockLayer.
classdef residualBlockLayer < nnet.layer.Layer ... end
Затем переименуйте myLayer функция конструктора (первая функция в methods разделите) так, чтобы это имело то же имя как слой.
methods function layer = residualBlockLayer() ... end ... end
Сохраните файл класса слоя в новом файле с именем residualBlockLayer.m. Имя файла должно совпадать с именем слоя. Чтобы использовать слой, необходимо сохранить файл в текущей папке или в папке на пути MATLAB.
Объявите свойства слоя в properties разделите и объявите настраиваемые параметры путем листинга их в properties (Learnable) раздел.
По умолчанию пользовательские промежуточные слои имеют эти свойства.
| Свойство | Описание |
|---|---|
Name | Имя слоя в виде вектора символов или строкового скаляра. Чтобы включать слой в график слоев, необходимо задать непустое, уникальное имя слоя. Если вы обучаете серийную сеть со слоем и Name установлен в '', затем программное обеспечение автоматически присваивает имя к слою в учебное время. |
Description | Однострочное описание слоя в виде вектора символов или строкового скаляра. Это описание появляется, когда слой отображен в |
Type | Тип слоя в виде вектора символов или строкового скаляра. Значение Type появляется, когда слой отображен в Layer массив. Если вы не задаете тип слоя, то программное обеспечение отображает имя класса слоя. |
NumInputs | Количество входных параметров слоя в виде положительного целого числа. Если вы не задаете это значение, то программное обеспечение автоматически устанавливает NumInputs к количеству имен в InputNames. Значение по умолчанию равняется 1. |
InputNames | Введите имена слоя в виде массива ячеек из символьных векторов. Если вы не задаете это значение и NumInputs больше 1, затем программное обеспечение автоматически устанавливает InputNames к {'in1',...,'inN'}, где N равно NumInputs. Значением по умолчанию является {'in'}. |
NumOutputs | Количество выходных параметров слоя в виде положительного целого числа. Если вы не задаете это значение, то программное обеспечение автоматически устанавливает NumOutputs к количеству имен в OutputNames. Значение по умолчанию равняется 1. |
OutputNames | Выведите имена слоя в виде массива ячеек из символьных векторов. Если вы не задаете это значение и NumOutputs больше 1, затем программное обеспечение автоматически устанавливает OutputNames к {'out1',...,'outM'}, где M равно NumOutputs. Значением по умолчанию является {'out'}. |
Если слой не имеет никаких других свойств, то можно не использовать properties раздел.
Совет
Если вы создаете слой с несколькими входными параметрами, то необходимо установить любого NumInputs или InputNames свойства в конструкторе слоя. Если вы создаете слой с несколькими выходными параметрами, то необходимо установить любого NumOutputs или OutputNames свойства в конструкторе слоя. Для примера смотрите, Задают Пользовательский Слой Глубокого обучения с Несколькими Входными параметрами.
Остаточный слой блока не требует никаких дополнительных свойств, таким образом, можно удалить properties раздел.
Этот пользовательский слой имеет только один настраиваемый параметр, сам остаточный блок, заданный как dlnetwork объект. Объявите этот настраиваемый параметр в properties (Learnable) разделите и вызовите параметр Network.
properties (Learnable)
% Layer learnable parameters
% Residual block.
Network
endСоздайте функцию, которая создает слой и инициализирует свойства слоя. Задайте любые переменные, требуемые создать слой как входные параметры к функции конструктора.
Остаточная функция конструктора слоя блока требует четырех входных параметров:
Количество сверточных фильтров
Шаг (дополнительный, шагом по умолчанию 1)
Отметьте, чтобы включать свертку в связь пропуска (дополнительный, с флагом false по умолчанию)
Имя слоя (дополнительный, с именем по умолчанию '')
В функции конструктора residualBlockLayer, задайте необходимый входной параметр numFilters и дополнительные аргументы как пары "имя-значение" с именем NameValueArgs. Добавьте комментарий в верхнюю часть функции, которая объясняет синтаксис функции.
function layer = residualBlockLayer(numFilters,NameValueArgs) % layer = residualBlockLayer(numFilters) creates a residual % block layer with the specified number of filters. % % layer = residualBlockLayer(numFilters,Name,Value) specifies % additional options using one or more name-value pair % arguments: % % 'Stride' - Stride of convolution operation % (default 1) % % 'IncludeSkipConvolution' - Flag to include convolution in % skip connection % (default false) % % 'Name' - Layer name % (default '') ... end
Проанализируйте входные параметры с помощью arguments блок. Перечислите аргументы в том же порядке как синтаксис функций и задайте значения по умолчанию. Затем извлеките значения из NameValueArgs входной параметр.
% Parse input arguments. arguments numFilters NameValueArgs.Stride = 1 NameValueArgs.IncludeSkipConvolution = false NameValueArgs.Name = '' end stride = NameValueArgs.Stride; includeSkipConvolution = NameValueArgs.IncludeSkipConvolution; name = NameValueArgs.Name;
В функции конструктора инициализируйте свойства слоя, включая dlnetwork объект. Замените комментарий % Layer constructor function goes here с кодом, который инициализирует свойства слоя.
Установите Name свойство к входному параметру name.
% Set layer name.
layer.Name = name;Дайте слою однострочное описание путем установки Description свойство слоя. Установите описание описывать слой и любые дополнительные свойства.
% Set layer description. description = "Residual block with " + numFilters + " filters, stride " + stride; if includeSkipConvolution description = description + ", and skip convolution"; end layer.Description = description;
Задайте тип слоя путем установки Type свойство. Значение Type появляется, когда слой отображен в Layer массив.
% Set layer type. layer.Type = "Residual Block";
Задайте остаточный блок. Можно создать остаточные слои блока как неинициализированный вложенный dlnetwork объект без входного слоя и позволяет программному обеспечению автоматически инициализировать настраиваемые параметры и параметры состояния в учебное время. Для получения дополнительной информации смотрите, Автоматически Инициализируют Объекты Learnable dlnetwork для Обучения.
Во-первых, создайте массив слоя, содержащий основные слои блока, и преобразуйте его в график слоев.
% Define nested layer graph. layers = [ convolution2dLayer(3,numFilters,'Padding','same','Stride',stride,'Name','conv1') groupNormalizationLayer('all-channels','Name','gn1') reluLayer('Name','relu1') convolution2dLayer(3,numFilters,'Padding','same','Name','conv2') groupNormalizationLayer('channel-wise','Name','gn2') additionLayer(2,'Name','add') reluLayer('Name','relu2')]; lgraph = layerGraph(layers);
Затем добавьте связь пропуска. Если includeSkipConvolution флагом является true, затем также включайте слой свертки и слой нормализации группы в связи пропуска.
% Add skip connection. if includeSkipConvolution layers = [ convolution2dLayer(1,numFilters,'Stride',stride,'Name','convSkip') groupNormalizationLayer('all-channels','Name','gnSkip')]; lgraph = addLayers(lgraph,layers); lgraph = connectLayers(lgraph,'gnSkip','add/in2'); end
С тех пор нет никакого входного слоя, эта сеть имеет два несвязанных входных параметров. Если сеть не имеет связи пропуска, входа к 'conv2' слой и одни из входных параметров к 'add' слой не связан. Если сеть действительно имеет связь пропуска, то несвязанные входные параметры являются входными параметрами к 'conv1' и 'convSkip' слои.
Наконец, преобразуйте график слоев в dlnetwork объект и набор слой Network свойство. Создайте неинициализированный dlnetwork объект. Веса и настраиваемые параметры в dlnetwork объект автоматически инициализируется, когда полная сеть собрана для обучения.
% Convert to dlnetwork. dlnet = dlnetwork(lgraph,'Initialize',false); % Set Network property. layer.Network = dlnet;
Просмотрите завершенную функцию конструктора.
function layer = residualBlockLayer(numFilters,NameValueArgs)
% layer = residualBlockLayer(numFilters) creates a residual
% block layer with the specified number of filters.
%
% layer = residualBlockLayer(numFilters,Name,Value) specifies
% additional options using one or more name-value pair
% arguments:
%
% 'Stride' - Stride of convolution operation
% (default 1)
%
% 'IncludeSkipConvolution' - Flag to include convolution in
% skip connection
% (default false)
%
% 'Name' - Layer name
% (default '')
% Parse input arguments.
arguments
numFilters
NameValueArgs.Stride = 1
NameValueArgs.IncludeSkipConvolution = false
NameValueArgs.Name = ''
end
stride = NameValueArgs.Stride;
includeSkipConvolution = NameValueArgs.IncludeSkipConvolution;
name = NameValueArgs.Name;
% Set layer name.
layer.Name = name;
% Set layer description.
description = "Residual block with " + numFilters + " filters, stride " + stride;
if includeSkipConvolution
description = description + ", and skip convolution";
end
layer.Description = description;
% Set layer type.
layer.Type = "Residual Block";
% Define nested layer graph.
layers = [
convolution2dLayer(3,numFilters,'Padding','same','Stride',stride,'Name','conv1')
groupNormalizationLayer('all-channels','Name','gn1')
reluLayer('Name','relu1')
convolution2dLayer(3,numFilters,'Padding','same','Name','conv2')
groupNormalizationLayer('channel-wise','Name','gn2')
additionLayer(2,'Name','add')
reluLayer('Name','relu2')];
lgraph = layerGraph(layers);
% Add skip connection.
if includeSkipConvolution
layers = [
convolution2dLayer(1,numFilters,'Stride',stride,'Name','convSkip')
groupNormalizationLayer('all-channels','Name','gnSkip')];
lgraph = addLayers(lgraph,layers);
lgraph = connectLayers(lgraph,'gnSkip','add/in2');
end
% Convert to dlnetwork.
dlnet = dlnetwork(lgraph,'Initialize',false);
% Set Network property.
layer.Network = dlnet;
endС этой функцией конструктора, команда residualBlockLayer(64,'Stride',2,'IncludeSkipConvolution',true,'Name','res5') создает остаточный слой блока с 64 фильтрами, шагом 2, свертка в связи пропуска, и с именем 'res5'. Необходимые размеры весов и параметров определяются, когда завершенная сеть собрана для обучения.
Создайте слой вперед функции, чтобы использовать во время предсказания и учебное время.
Создайте функцию с именем predict это распространяет данные вперед через слой во время предсказания и выводит результат.
Синтаксис для predict [Z1,…,Zm] = predict(layer,X1,…,Xn), где X1,…,Xn n входные параметры слоя и Z1,…,Zm m слой выходные параметры. Значения n и m должен соответствовать NumInputs и NumOutputs свойства слоя.
Совет
Если количество входных параметров к predict может варьироваться, затем использовать varargin вместо X1,…,Xn. В этом случае, varargin массив ячеек входных параметров, где varargin{i} соответствует Xi. Если количество выходных параметров может варьироваться, то используйте varargout вместо Z1,…,Zm. В этом случае, varargout массив ячеек выходных параметров, где varargout{j} соответствует Zj.
Совет
Если пользовательский слой имеет dlnetwork объект для настраиваемого параметра, затем в predict функция пользовательского слоя, используйте predict функция для dlnetwork. Используя dlnetwork объект predict функция гарантирует, что программное обеспечение использует правильные операции слоя для предсказания.
Поскольку остаточный блок имеет только один вход и один выход, синтаксис для предсказывают для пользовательского слоя, Z = predict(layer,X).
По умолчанию слой использует predict как прямая функция в учебное время. Использовать различную прямую функцию в учебное время или сохранить значение потребовали для пользовательской обратной функции, необходимо также создать функцию с именем forward.
Размерности входных параметров зависят от типа данных и выхода связанных слоев.
| Вход слоя | Введите размер | Размерность наблюдения |
|---|---|---|
| 2D изображения | h-by-w-by-c-by-N, где h, w и c соответствуют высоте, ширине, и количеству каналов изображений, соответственно, и N, является количеством наблюдений. | 4 |
| 3-D изображения | h-by-w-by-d-by-c-by-N, где h, w, d и c соответствуют высоте, ширине, глубине, и количеству каналов 3-D изображений, соответственно, и N, является количеством наблюдений. | 5 |
| Векторные последовательности | c-by-N-by-S, где c является количеством функций последовательностей, N, является количеством наблюдений, и S является длиной последовательности. | 2 |
| 2D последовательности изображений | h-by-w-by-c-by-N-by-S, где h, w и c соответствуют высоте, ширине и количеству каналов изображений, соответственно, N, является количеством наблюдений, и S является длиной последовательности. | 4 |
| 3-D последовательности изображений | h-by-w-by-d-by-c-by-N-by-S, где h, w, d и c соответствуют высоте, ширине, глубине и количеству каналов 3-D изображений, соответственно, N, является количеством наблюдений, и S является длиной последовательности. | 5 |
Для слоев, которые выводят последовательности, слои могут вывести последовательности любой длины или выходных данных без измерения времени. Обратите внимание на то, что при обучении сети, что выходные последовательности с помощью trainNetwork функция, длины последовательностей ввода и вывода должны соответствовать.
Для остаточного слоя блока прямая передача слоя является просто прямой передачей dlnetwork объект. Передать входные данные dlnetwork объект, необходимо сначала преобразовать его в отформатированный dlarray объект.
Реализуйте эту операцию в пользовательской функции слоя predict. Выполнять прямую передачу dlnetwork для предсказания используйте predict функция для dlnetwork объекты. В этом случае вход к остаточному слою блока используется в качестве входа к обоим из несвязанных входных параметров к dlnetwork объект, таким образом, синтаксис для predict для dlnetwork объектом является Z = predict(dlnet,X,X).
Поскольку слои в dlnetwork объект не ведет себя по-другому во время обучения и что остаточный слой блока не требует памяти или различной прямой функции для обучения, можно удалить forward функция из файла класса.
Создайте predict функционируйте и добавьте комментарий в верхнюю часть функции, которая объясняет синтаксисы функции.
function Z = predict(layer, X)
% Forward input data through the layer at prediction time and
% output the result.
%
% Inputs:
% layer - Layer to forward propagate through
% X - Input data
% Outputs:
% Z - Output of layer forward function
% Convert input data to formatted dlarray.
X = dlarray(X,'SSCB');
% Predict using network.
dlnet = layer.Network;
Z = predict(dlnet,X,X);
% Strip dimension labels.
Z = stripdims(Z);
endПоскольку predict функционируйте только использует функции та поддержка dlarray объекты, задавая backward функция является дополнительной. Для списка функций та поддержка dlarray объекты, см. Список Функций с Поддержкой dlarray.
Просмотрите завершенный файл класса слоя.
classdef residualBlockLayer < nnet.layer.Layer % Example custom residual block layer. properties (Learnable) % Layer learnable parameters % Residual block. Network end methods function layer = residualBlockLayer(numFilters,NameValueArgs) % layer = residualBlockLayer(numFilters) creates a residual % block layer with the specified number of filters. % % layer = residualBlockLayer(numFilters,Name,Value) specifies % additional options using one or more name-value pair % arguments: % % 'Stride' - Stride of convolution operation % (default 1) % % 'IncludeSkipConvolution' - Flag to include convolution in % skip connection % (default false) % % 'Name' - Layer name % (default '') % Parse input arguments. arguments numFilters NameValueArgs.Stride = 1 NameValueArgs.IncludeSkipConvolution = false NameValueArgs.Name = '' end stride = NameValueArgs.Stride; includeSkipConvolution = NameValueArgs.IncludeSkipConvolution; name = NameValueArgs.Name; % Set layer name. layer.Name = name; % Set layer description. description = "Residual block with " + numFilters + " filters, stride " + stride; if includeSkipConvolution description = description + ", and skip convolution"; end layer.Description = description; % Set layer type. layer.Type = "Residual Block"; % Define nested layer graph. layers = [ convolution2dLayer(3,numFilters,'Padding','same','Stride',stride,'Name','conv1') groupNormalizationLayer('all-channels','Name','gn1') reluLayer('Name','relu1') convolution2dLayer(3,numFilters,'Padding','same','Name','conv2') groupNormalizationLayer('channel-wise','Name','gn2') additionLayer(2,'Name','add') reluLayer('Name','relu2')]; lgraph = layerGraph(layers); % Add skip connection. if includeSkipConvolution layers = [ convolution2dLayer(1,numFilters,'Stride',stride,'Name','convSkip') groupNormalizationLayer('all-channels','Name','gnSkip')]; lgraph = addLayers(lgraph,layers); lgraph = connectLayers(lgraph,'gnSkip','add/in2'); end % Convert to dlnetwork. dlnet = dlnetwork(lgraph,'Initialize',false); % Set Network property. layer.Network = dlnet; end function Z = predict(layer, X) % Forward input data through the layer at prediction time and % output the result. % % Inputs: % layer - Layer to forward propagate through % X - Input data % Outputs: % Z - Output of layer forward function % Convert input data to formatted dlarray. X = dlarray(X,'SSCB'); % Predict using network. dlnet = layer.Network; Z = predict(dlnet,X,X); % Strip dimension labels. Z = stripdims(Z); end end end
Если слой вперед функции полностью поддерживает dlarray объекты, затем слоем является совместимый графический процессор. В противном случае, чтобы быть совместимым графическим процессором, функции слоя должны поддержать входные параметры и возвратить выходные параметры типа gpuArray (Parallel Computing Toolbox).
Много поддержки встроенных функций MATLAB gpuArray (Parallel Computing Toolbox) и dlarray входные параметры. Для списка функций та поддержка dlarray объекты, см. Список Функций с Поддержкой dlarray. Для списка функций, которые выполняются на графическом процессоре, смотрите функции MATLAB Запуска на графическом процессоре (Parallel Computing Toolbox). Чтобы использовать графический процессор для глубокого обучения, у вас должно также быть поддерживаемое устройство графического процессора. Для получения информации о поддерживаемых устройствах смотрите Поддержку графического процессора Релизом (Parallel Computing Toolbox). Для получения дополнительной информации о работе с графическими процессорами в MATLAB смотрите, что графический процессор Вычисляет в MATLAB (Parallel Computing Toolbox).
В этом примере функции MATLAB используются в predict вся поддержка dlarray объекты, таким образом, слоем является совместимый графический процессор.
checkLayerПроверяйте валидность слоя пользовательского слоя residualBlockLayer использование checkLayer функция.
Создайте экземпляр остаточного слоя блока. Чтобы получить доступ к этому слою, откройте этот пример как live скрипт.
numFilters = 64; layer = residualBlockLayer(numFilters)
layer =
residualBlockLayer with properties:
Name: ''
Learnable Parameters
Network: [1x1 dlnetwork]
Show all properties
Проверяйте валидность слоя с помощью checkLayer функция. Слой ожидает 4-D входные параметры массивов, где первые три измерения соответствуют высоте, ширине и количеству каналов предыдущего слоя выход, и четвертая размерность соответствует наблюдениям. Задайте типичный входной размер и установите 'ObservationDimension' опция к 4.
validInputSize = [56 56 64];
checkLayer(layer,validInputSize,'ObservationDimension',4)Skipping GPU tests. No compatible GPU device found. Skipping code generation compatibility tests. To check validity of the layer for code generation, specify the 'CheckCodegenCompatibility' and 'ObservationDimension' options. Running nnet.checklayer.TestLayerWithoutBackward .......... ... Done nnet.checklayer.TestLayerWithoutBackward __________ Test Summary: 13 Passed, 0 Failed, 0 Incomplete, 9 Skipped. Time elapsed: 5.2727 seconds.
Функция не обнаруживает проблем со слоем.
assembleNetwork | checkLayer | getL2Factor | getLearnRateFactor | setL2Factor | setLearnRateFactor