Exponenta Banner

Задайте пользовательский текущий слой глубокого обучения

Если Deep Learning Toolbox™ не обеспечивает слой, вы требуете для своей задачи, то можно задать собственный слой с помощью этого примера в качестве руководства. Для списка встроенных слоев смотрите Список слоев глубокого обучения.

Чтобы задать пользовательский слой глубокого обучения, можно использовать шаблон, обеспеченный в этом примере, который берет вас через следующие шаги:

  1. Назовите слой — Дают слою имя так, чтобы можно было использовать его в MATLAB®.

  2. Объявите, что свойства слоя — Задают свойства слоя включая настраиваемые параметры и параметры состояния.

  3. 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.

  4. Создайте прямые функции — Задают, как данные передают вперед через слой (прямое распространение) во время предсказания и в учебное время.

  5. Создайте (дополнительную) функцию состояния сброса — Задают, как сбросить параметры состояния.

  6. 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.

При определении функций слоя можно использовать dlarray объекты. Используя dlarray объекты делают работу с высокими размерными данными легче, позволяя вам пометить размерности. Например, можно пометить, которому размерности соответствуют пространственный, время, канал, и обрабатывают размерности в пакетном режиме с помощью "S"TC, и "B" метки, соответственно. Для незаданных и других размерностей используйте "U" метка. Для dlarray возразите функциям, которые действуют по конкретным размерностям, можно задать метки размерности путем форматирования dlarray возразите непосредственно, или при помощи DataFormat опция.

Используя отформатированный dlarray объекты в пользовательских слоях также позволяют вам задавать слои, где вводы и выводы имеют различные форматы, такие как слои, которые переставляют, добавляют или удаляют размерности. Например, можно задать слой, который берет в качестве входа мини-пакет изображений с форматом "SSCB" (пространственный, пространственный, канал, пакет) и выход мини-пакет последовательностей с форматом "CBT" (образуйте канал, обработайте в пакетном режиме, время). Используя отформатированный dlarray объекты также позволяют вам задавать слои, которые могут управлять на данных с различными форматами ввода, например, слоями, которые поддерживают входные параметры с форматами "SSCB" (пространственный, пространственный, канал, пакет) и "CBT" (образуйте канал, обработайте в пакетном режиме, время).

dlarray объекты также включают поддержку автоматического дифференцирования. Это означает это, если ваши прямые функции полностью поддерживают dlarray объекты, затем задавая обратную функцию являются дополнительными.

Включить поддержку использования отформатированного dlarray объекты в пользовательском слое прямые функции, также наследуйтесь nnet.layer.Formattable класс при определении пользовательского слоя. Для примера смотрите, Задают Пользовательский Слой Глубокого обучения с Отформатированными Входными параметрами.

В этом примере показано, как задать слой [1] LSTM глазка, который является текущим слоем с настраиваемыми параметрами, и используйте его в нейронной сети. Слой LSTM глазка является вариантом слоя LSTM, где вычисления логического элемента используют состояние ячейки слоя.

Промежуточный шаблон слоя

Скопируйте промежуточный шаблон слоя в новый файл в MATLAB. Этот шаблон обрисовывает в общих чертах структуру промежуточного определения класса слоя. Это обрисовывает в общих чертах:

  • Дополнительный properties блоки для свойств слоя, настраиваемых параметров и параметров состояния.

  • Функция конструктора слоя.

  • predict функционируйте и дополнительный forward функция.

  • Дополнительный resetState функция для слоев со свойствами состояний.

  • Дополнительный backward функция.

classdef myLayer < nnet.layer.Layer % & nnet.layer.Formattable (Optional)

    properties
        % (Optional) Layer properties.

        % Declare layer properties here.
    end

    properties (Learnable)
        % (Optional) Layer learnable parameters.

        % Declare learnable parameters here.
    end

    properties (State)
        % (Optional) Layer state parameters.

        % Declare state parameters here.
    end

    properties (Learnable, State)
        % (Optional) Nested dlnetwork objects with both learnable
        % parameters and state.

        % Declare nested networks with learnable and state parameters here.
    end

    methods
        function layer = myLayer()
            % (Optional) Create a myLayer.
            % This function must have the same name as the class.

            % Define layer constructor function here.
        end

        function [Z,state] = predict(layer,X)
            % Forward input data through the layer at prediction time and
            % output the result and updated state.
            %
            % Inputs:
            %         layer - Layer to forward propagate through 
            %         X     - Input data
            % Outputs:
            %         Z     - Output of layer forward function
            %         state - (Optional) Updated layer state.
            %
            %  - For layers with multiple inputs, replace X with X1,...,XN, 
            %    where N is the number of inputs.
            %  - For layers with multiple outputs, replace Z with 
            %    Z1,...,ZM, where M is the number of outputs.
            %  - For layers with multiple state parameters, replace state 
            %    with state1,...,stateK, where K is the number of state 
            %    parameters.

            % Define layer predict function here.
        end

        function [Z,state,memory] = forward(layer,X)
            % (Optional) Forward input data through the layer at training
            % time and output the result, updated state, and a memory
            % value.
            %
            % Inputs:
            %         layer - Layer to forward propagate through 
            %         X     - Layer input data
            % Outputs:
            %         Z      - Output of layer forward function 
            %         state  - (Optional) Updated layer state 
            %         memory - (Optional) Memory value for custom backward
            %                  function
            %
            %  - For layers with multiple inputs, replace X with X1,...,XN, 
            %    where N is the number of inputs.
            %  - For layers with multiple outputs, replace Z with 
            %    Z1,...,ZM, where M is the number of outputs.
            %  - For layers with multiple state parameters, replace state 
            %    with state1,...,stateK, where K is the number of state 
            %    parameters.

            % Define layer forward function here.
        end

        function layer = resetState(layer)
            % (Optional) Reset layer state.

            % Define reset state function here.
        end

        function [dLdX,dLdW,dLdSin] = backward(layer,X,Z,dLdZ,dLdSout,memory)
            % (Optional) Backward propagate the derivative of the loss
            % function through the layer.
            %
            % Inputs:
            %         layer   - Layer to backward propagate through 
            %         X       - Layer input data 
            %         Z       - Layer output data 
            %         dLdZ    - Derivative of loss with respect to layer 
            %                   output
            %         dLdSout - (Optional) Derivative of loss with respect 
            %                   to state output
            %         memory  - Memory value from forward function
            % Outputs:
            %         dLdX   - Derivative of loss with respect to layer input
            %         dLdW   - (Optional) Derivative of loss with respect to
            %                  learnable parameter 
            %         dLdSin - (Optional) Derivative of loss with respect to 
            %                  state input
            %
            %  - For layers with state parameters, the backward syntax must
            %    include both dLdSout and dLdSin, or neither.
            %  - For layers with multiple inputs, replace X and dLdX with
            %    X1,...,XN and dLdX1,...,dLdXN, respectively, where N is
            %    the number of inputs.
            %  - For layers with multiple outputs, replace Z and dlZ with
            %    Z1,...,ZM and dLdZ,...,dLdZM, respectively, where M is the
            %    number of outputs.
            %  - For layers with multiple learnable parameters, replace 
            %    dLdW with dLdW1,...,dLdWP, where P is the number of 
            %    learnable parameters.
            %  - For layers with multiple state parameters, replace dLdSin
            %    and dLdSout with dLdSin1,...,dLdSinK and 
            %    dLdSout1,...dldSoutK, respectively, where K is the number
            %    of state parameters.

            % Define layer backward function here.
        end
    end
end

Назовите слой

Во-первых, дайте слою имя. В первой линии файла класса замените существующее имя myLayer с peepholeLSTMLayer. Позволить слою выводить различные форматы данных, например, данные с форматом "CBT" (образуйте канал, обработайте в пакетном режиме, время) для последовательности выход и формат "CB" (образуйте канал, пакет) для одного временного шага или показывают выход, также включают nnet.layer.Formattable mixin.

classdef peepholeLSTMLayer < nnet.layer.Layer & nnet.layer.Formattable
    ...
end

Затем переименуйте myLayer функция конструктора (первая функция в methods разделите) так, чтобы это имело то же имя как слой.

    methods
        function layer = peepholeLSTMLayer()           
            ...
        end

        ...
     end

Сохраните слой

Сохраните файл класса слоя в новом файле с именем peepholeLSTMLayer.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, состояние и настраиваемые параметры

Объявите свойства слоя в properties разделите, состояния слоя в properties (State) разделите, и настраиваемые параметры в properties (Learnable) раздел.

По умолчанию пользовательские промежуточные слои имеют эти свойства. Не объявляйте эти свойства в properties раздел.

СвойствоОписание
NameИмя слоя в виде вектора символов или строкового скаляра. Для Layer вход массивов, trainNetwork, assembleNetwork, layerGraph, и dlnetwork функции автоматически присваивают имена к слоям с Name установите на ''.
Description

Однострочное описание слоя в виде строкового скаляра или вектора символов. Это описание появляется, когда слой отображен в Layer массив.

Если вы не задаете описание слоя, то программное обеспечение отображает имя класса слоя.

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.

NumInputsКоличество 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.
InputNamesВведите 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'}.
NumOutputsКоличество 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.
OutputNamesВыведите 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.

Объявите следующие свойства слоя в properties раздел:

  • NumHiddenUnits — Количество скрытых модулей в операции LSTM глазка.

  • OutputMode — Отметьте указание, возвращает ли слой последовательность или один временной шаг.

    properties
        % Layer properties.

        NumHiddenUnits
        OutputMode
    end

Слой LSTM глазка имеет четыре настраиваемых параметра: входные веса, текущие веса, веса глазка и смещение. Объявите эти настраиваемые параметры в properties (Learnable) разделите с именами InputWeights, RecurrentWeights, PeepholeWeights, и Bias, соответственно.

    properties (Learnable)
        % Layer learnable parameters.

        InputWeights
        RecurrentWeights
        PeepholeWeights
        Bias
    end

Слой LSTM глазка имеет параметры с двумя состояниями: скрытое состояние и состояние ячейки. Объявите эти параметры состояния в properties (State) разделите с именами HiddenState и CellState, соответственно.

    properties (State)
        % Layer state parameters.

        HiddenState
        CellState
    end

Создайте функцию конструктора

Создайте функцию, которая создает слой и инициализирует свойства слоя. Задайте любые переменные, требуемые создать слой как входные параметры к функции конструктора.

Функция конструктора слоя LSTM глазка требует двух входных параметров (количество скрытых модулей и количество входных каналов) и два дополнительных аргумента (имя слоя и режим вывода). Задайте два входных параметра под названием numHiddenUnits и inputSize в peepholeLSTMLayer функция, которые соответствуют количеству скрытых модулей и количеству входных каналов, соответственно. Задайте дополнительные входные параметры как отдельный аргумент с именем args. Добавьте комментарий в верхнюю часть функции, которая объясняет синтаксисы функции.

        function layer = peepholeLSTMLayer(numHiddenUnits,inputSize,args)
            %PEEPHOLELSTMLAYER Peephole LSTM Layer
            %   layer = peepholeLSTMLayer(numHiddenUnits,inputSize)
            %   creates a peephole LSTM layer with the specified number of
            %   hidden units and input channels.
            %
            %   layer = peepholeLSTMLayer(numHiddenUnits,inputSize,Name=Value)
            %   creates a peephole LSTM layer and specifies additional
            %   options using one or more name-value arguments:
            %
            %      Name       - Name for the layer, specified as a string.
            %                   The default is "".
            %
            %      OutputMode - Output mode, specified as one of the
            %                   following:
            %                      "sequence" - Output the entire sequence
            %                                   of data.
            %
            %                      "last"     - Output the last time step
            %                                   of the data.
            %                   The default is "sequence".

            ...
        end

Инициализируйте свойства слоя

Инициализируйте свойства слоя, включая настраиваемые параметры и параметры состояния в функции конструктора. Замените комментарий % Layer constructor function goes here с кодом, который инициализирует свойства слоя.

Проанализируйте входные параметры с помощью arguments блокируйте и установите Name и выходные свойства.

            arguments
                numHiddenUnits
                inputSize
                args.Name = "";
                args.OutputMode = "sequence"
            end

            layer.NumHiddenUnits = numHiddenUnits;
            layer.Name = args.Name;
            layer.OutputMode = args.OutputMode;

Дайте слою однострочное описание путем установки Description свойство слоя. Установите описание описывать тип слоя и его размера.

            % Set layer description.
            layer.Description = "Peephole LSTM with " + numHiddenUnits + " hidden units";

Инициализируйте настраиваемые параметры. Инициализируйте входное использование весов инициализация Glorot. Инициализируйте текущие веса с помощью ортогональной инициализации. Инициализируйте смещение с помощью нормализации "модуль, забывают логический элемент". Этот код использует функции помощника initializeGlorot, initializeOrthogonal, и initializeUnitForgetGate. Чтобы получить доступ к этим функциям, откройте пример как live скрипт. Для получения дополнительной информации об инициализации весов, смотрите, Инициализируют Настраиваемые параметры для Функции Модели.

Обратите внимание на то, что текущие веса слоя LSTM глазка и стандартных слоев LSTM имеют различные размеры. Слой LSTM глазка не требует текущих весов для кандидата ячейки вычисление, таким образом, текущими весами является 3*NumHiddenUnits- NumHiddenUnits массив.

            % Initialize weights and bias.
            sz = [4*numHiddenUnits inputSize];
            numOut = 4*numHiddenUnits;
            numIn = inputSize;
            layer.InputWeights = initializeGlorot(sz,numOut,numIn);

            sz = [4*numHiddenUnits numHiddenUnits];
            layer.RecurrentWeights = initializeOrthogonal(sz);
            
            sz = [3*numHiddenUnits 1];
            numOut = 3*numHiddenUnits;
            numIn = 1;
            layer.PeepholeWeights = initializeGlorot(sz,numOut,numIn);

            layer.Bias = initializeUnitForgetGate(numHiddenUnits);

Инициализируйте параметры состояния слоя. Для удобства используйте resetState функция, определяемая в разделе.

            % Initialize layer states.
            layer = resetState(layer);

Просмотрите завершенную функцию конструктора.

        function layer = peepholeLSTMLayer(numHiddenUnits,inputSize,args)
            %PEEPHOLELSTMLAYER Peephole LSTM Layer
            %   layer = peepholeLSTMLayer(numHiddenUnits,inputSize)
            %   creates a peephole LSTM layer with the specified number of
            %   hidden units and input channels.
            %
            %   layer = peepholeLSTMLayer(numHiddenUnits,inputSize,Name=Value)
            %   creates a peephole LSTM layer and specifies additional
            %   options using one or more name-value arguments:
            %
            %      Name       - Name for the layer, specified as a string.
            %                   The default is "".
            %
            %      OutputMode - Output mode, specified as one of the
            %                   following:
            %                      "sequence" - Output the entire sequence
            %                                   of data.
            %
            %                      "last"     - Output the last time step
            %                                   of the data.
            %                   The default is "sequence".

            % Parse input arguments.
            arguments
                numHiddenUnits
                inputSize
                args.Name = "";
                args.OutputMode = "sequence";
            end

            layer.NumHiddenUnits = numHiddenUnits;
            layer.Name = args.Name;
            layer.OutputMode = args.OutputMode;

            % Set layer description.
            layer.Description = "Peephole LSTM with " + numHiddenUnits + " hidden units";

            % Initialize weights and bias.
            sz = [4*numHiddenUnits inputSize];
            numOut = 4*numHiddenUnits;
            numIn = inputSize;
            layer.InputWeights = initializeGlorot(sz,numOut,numIn);

            sz = [4*numHiddenUnits numHiddenUnits];
            layer.RecurrentWeights = initializeOrthogonal(sz);

            sz = [3*numHiddenUnits 1];
            numOut = 3*numHiddenUnits;
            numIn = 1;
            layer.PeepholeWeights = initializeGlorot(sz,numOut,numIn);

            layer.Bias = initializeUnitForgetGate(numHiddenUnits);

            % Initialize layer states.
            layer = resetState(layer);
        end

С этой функцией конструктора, команда peepholeLSTMLayer(200,12,OutputMode="last",Name="peephole") создает слой LSTM глазка с 200 скрытыми модулями, входным размером 12, и имя "peephole", и выходные параметры последний временной шаг операции LSTM глазка.

Создайте предсказывают функцию

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.

predict синтаксис функций зависит от типа слоя.

  • Z = predict(layer,X) вперед входные данные X через слой и выходные параметры результат Z, где layer имеет один вход, один выход.

  • [Z,state] = predict(layer,X) также выводит обновленный параметр состояния state, где layer имеет один параметр состояния.

Можно настроить синтаксисы для слоев с несколькими входными параметрами, несколькими выходными параметрами или несколькими параметрами состояния:

  • Для слоев с несколькими входными параметрами замените X с X1,...,XN, где N количество входных параметров. NumInputs свойство должно совпадать с N.

  • Для слоев с несколькими выходными параметрами замените Z с Z1,...,ZM, где M количество выходных параметров. NumOutputs свойство должно совпадать с M.

  • Для слоев с несколькими параметрами состояния замените state с state1,...,stateK, где K количество параметров состояния.

Совет

Если количество входных параметров к слою может варьироваться, то используйте 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,…,ZN. 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 слой LSTM глазка имеет только один вход, один выход, и параметры с двумя состояниями, синтаксис для predict для глазка слоем LSTM является [Z,hiddenState,cellState] = 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.

Поскольку слой наследовался nnet.layer.Formattable, входными параметрами слоя является отформатированный dlarray объекты и predict функция должна также выходные данные как отформатированный dlarray объекты.

Скрытым состоянием на временном шаге t дают

ht=tanh(ct)⊙ot,

где ⊙ обозначает продукт Адамара (поэлементное умножение векторов).

Состоянием ячейки на временном шаге t дают

ct=gt⊙it+ct−1⊙ft.

Следующие формулы описывают компоненты на временном шаге t.

КомпонентФормула
Введите логический элементit=σg(Wixt+Riht−1+pi⊙ct−1+bi)
Забудьте логический элементft=σg(Wfxt+​Rfht−1+pf⊙ct−1+bf)
Кандидат ячейкиgt=σc(Wgxt+Rh​ht−1+bg)
Выведите логический элементot=σg(Woxt+Roht−1+po⊙ct+bo)

Обратите внимание на то, что выходное вычисление логического элемента требует обновленного состояния ячейки ct.

В этих вычислениях, σg и σc обозначьте логический элемент и утвердите функции активации. Для слоев LSTM глазка используйте сигмоидальные и гиперболические функции тангенса в качестве логического элемента и утвердите функции активации, соответственно.

Реализуйте эту операцию в predict функция. Поскольку слой не требует различной прямой функции для обучения и значения памяти для пользовательской обратной функции, можно удалить forward функция из файла класса. Добавьте комментарий в верхнюю часть функции, которая объясняет синтаксисы функции.

Совет

Если вы предварительно выделяете массивы с помощью функций такой как zeros, затем необходимо гарантировать, что типы данных этих массивов сопоставимы с входными параметрами функции слоя. Чтобы создать массив нулей совпадающего типа данных как другой массив, используйте "like" опция zeros. Например, чтобы инициализировать массив нулей размера sz с совпадающим типом данных как массив X, используйте Z = zeros(sz,"like",X).

        function [Z,cellState,hiddenState] = predict(layer,X)
            %PREDICT Peephole LSTM predict function
            %   [Z,hiddenState,cellState] = predict(layer,X) forward
            %   propagates the data X through the layer and returns the
            %   layer output Z and the updated hidden and cell states. X
            %   is a dlarray with format "CBT" and Z is a dlarray with
            %   format "CB" or "CBT", depending on the layer OutputMode
            %   property.

            % Initialize sequence output.
            numHiddenUnits = layer.NumHiddenUnits;
            miniBatchSize = size(X,finddim(X,"B"));
            numTimeSteps = size(X,finddim(X,"T"));

            if layer.OutputMode == "sequence"
                Z = zeros(numHiddenUnits,miniBatchSize,numTimeSteps,"like",X);
                Z = dlarray(Z,"CBT");
            end

            % Calculate WX + b.
            X = stripdims(X);
            WX = pagemtimes(layer.InputWeights,X) + layer.Bias;

            % Indices of concatenated weight arrays.
            idx1 = 1:numHiddenUnits;
            idx2 = 1+numHiddenUnits:2*numHiddenUnits;
            idx3 = 1+2*numHiddenUnits:3*numHiddenUnits;
            idx4 = 1+3*numHiddenUnits:4*numHiddenUnits;

            % Initial states.
            hiddenState = layer.HiddenState;
            cellState = layer.CellState;

            % Loop over time steps.
            for t = 1:numTimeSteps
                % Calculate R*h_{t-1}.
                Rht = layer.RecurrentWeights * hiddenState;

                % Calculate p*c_{t-1}.
                pict = layer.PeepholeWeights(idx1) .* cellState;
                pfct = layer.PeepholeWeights(idx2) .* cellState;
    
                % Gate calculations.
                it = sigmoid(WX(idx1,:,t) + Rht(idx1,:) + pict);
                ft = sigmoid(WX(idx2,:,t) + Rht(idx2,:) + pfct);
                gt = tanh(WX(idx3,:,t) + Rht(idx3,:));
                
                % Calculate ot using updated cell state.
                cellState = gt .* it + cellState .* ft;
                poct = layer.PeepholeWeights(idx3) .* cellState;
                ot = sigmoid(WX(idx4,:,t) + Rht(idx4,:) + poct);

                % Update hidden state.
                hiddenState = tanh(cellState) .* ot;

                % Update sequence output.
                if layer.OutputMode == "sequence"
                    Z(:,:,t) = hiddenState;
                end
            end

            % Last time step output.
            if layer.OutputMode == "last"
                Z = dlarray(hiddenState,"CB");
            end
        end

Поскольку 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.

Создайте функцию состояния сброса

Когда DAGNetwork или SeriesNetwork объекты содержат слои с параметрами состояния, можно сделать предсказания и обновить состояния слоя с помощью predictAndUpdateState и classifyAndUpdateState функции. Можно сбросить сетевое состояние с помощью resetState функция.

resetState функция для DAGNetwork, SeriesNetwork, и dlnetwork объекты, по умолчанию, не оказывают влияния на пользовательские слои с параметрами состояния. Задавать поведение слоя для resetState функция для сетевых объектов, задайте дополнительный слой resetState функция в определении слоя, которое сбрасывает параметры состояния.

resetState функция должна иметь синтаксис layer = resetState(layer), где возвращенному слою сбрасывали свойства состояний.

Создайте функцию с именем resetState это сбрасывает параметры состояния слоя к нулевым векторам.

        function layer = resetState(layer)
            %RESETSTATE Reset layer state
            % layer = resetState(layer) resets the state properties of the
            % layer.

            numHiddenUnits = layer.NumHiddenUnits;
            layer.HiddenState = zeros(numHiddenUnits,1);
            layer.CellState = zeros(numHiddenUnits,1);
        end

Завершенный слой

Просмотрите завершенный файл класса слоя.

classdef peepholeLSTMLayer < nnet.layer.Layer & nnet.layer.Formattable
    %PEEPHOLELSTMLAYER Peephole LSTM Layer

    properties
        % Layer properties.

        NumHiddenUnits
        OutputMode
    end

    properties (Learnable)
        % Layer learnable parameters.

        InputWeights
        RecurrentWeights
        PeepholeWeights
        Bias
    end

    properties (State)
        % Layer state parameters.

        HiddenState
        CellState
    end

    methods
        function layer = peepholeLSTMLayer(numHiddenUnits,inputSize,args)
            %PEEPHOLELSTMLAYER Peephole LSTM Layer
            %   layer = peepholeLSTMLayer(numHiddenUnits,inputSize)
            %   creates a peephole LSTM layer with the specified number of
            %   hidden units and input channels.
            %
            %   layer = peepholeLSTMLayer(numHiddenUnits,inputSize,Name=Value)
            %   creates a peephole LSTM layer and specifies additional
            %   options using one or more name-value arguments:
            %
            %      Name       - Name for the layer, specified as a string.
            %                   The default is "".
            %
            %      OutputMode - Output mode, specified as one of the
            %                   following:
            %                      "sequence" - Output the entire sequence
            %                                   of data.
            %
            %                      "last"     - Output the last time step
            %                                   of the data.
            %                   The default is "sequence".

            % Parse input arguments.
            arguments
                numHiddenUnits
                inputSize
                args.Name = "";
                args.OutputMode = "sequence";
            end

            layer.NumHiddenUnits = numHiddenUnits;
            layer.Name = args.Name;
            layer.OutputMode = args.OutputMode;

            % Set layer description.
            layer.Description = "Peephole LSTM with " + numHiddenUnits + " hidden units";

            % Initialize weights and bias.
            sz = [4*numHiddenUnits inputSize];
            numOut = 4*numHiddenUnits;
            numIn = inputSize;
            layer.InputWeights = initializeGlorot(sz,numOut,numIn);

            sz = [4*numHiddenUnits numHiddenUnits];
            layer.RecurrentWeights = initializeOrthogonal(sz);

            sz = [3*numHiddenUnits 1];
            numOut = 3*numHiddenUnits;
            numIn = 1;
            layer.PeepholeWeights = initializeGlorot(sz,numOut,numIn);

            layer.Bias = initializeUnitForgetGate(numHiddenUnits);

            % Initialize layer states.
            layer = resetState(layer);
        end
        
        function [Z,cellState,hiddenState] = predict(layer,X)
            %PREDICT Peephole LSTM predict function
            %   [Z,hiddenState,cellState] = predict(layer,X) forward
            %   propagates the data X through the layer and returns the
            %   layer output Z and the updated hidden and cell states. X
            %   is a dlarray with format "CBT" and Z is a dlarray with
            %   format "CB" or "CBT", depending on the layer OutputMode
            %   property.

            % Initialize sequence output.
            numHiddenUnits = layer.NumHiddenUnits;
            miniBatchSize = size(X,finddim(X,"B"));
            numTimeSteps = size(X,finddim(X,"T"));

            if layer.OutputMode == "sequence"
                Z = zeros(numHiddenUnits,miniBatchSize,numTimeSteps,"like",X);
                Z = dlarray(Z,"CBT");
            end

            % Calculate WX + b.
            X = stripdims(X);
            WX = pagemtimes(layer.InputWeights,X) + layer.Bias;

            % Indices of concatenated weight arrays.
            idx1 = 1:numHiddenUnits;
            idx2 = 1+numHiddenUnits:2*numHiddenUnits;
            idx3 = 1+2*numHiddenUnits:3*numHiddenUnits;
            idx4 = 1+3*numHiddenUnits:4*numHiddenUnits;

            % Initial states.
            hiddenState = layer.HiddenState;
            cellState = layer.CellState;

            % Loop over time steps.
            for t = 1:numTimeSteps
                % Calculate R*h_{t-1}.
                Rht = layer.RecurrentWeights * hiddenState;

                % Calculate p*c_{t-1}.
                pict = layer.PeepholeWeights(idx1) .* cellState;
                pfct = layer.PeepholeWeights(idx2) .* cellState;
    
                % Gate calculations.
                it = sigmoid(WX(idx1,:,t) + Rht(idx1,:) + pict);
                ft = sigmoid(WX(idx2,:,t) + Rht(idx2,:) + pfct);
                gt = tanh(WX(idx3,:,t) + Rht(idx3,:));
                
                % Calculate ot using updated cell state.
                cellState = gt .* it + cellState .* ft;
                poct = layer.PeepholeWeights(idx3) .* cellState;
                ot = sigmoid(WX(idx4,:,t) + Rht(idx4,:) + poct);

                % Update hidden state.
                hiddenState = tanh(cellState) .* ot;

                % Update sequence output.
                if layer.OutputMode == "sequence"
                    Z(:,:,t) = hiddenState;
                end
            end

            % Last time step output.
            if layer.OutputMode == "last"
                Z = dlarray(hiddenState,"CB");
            end
        end

        function layer = resetState(layer)
            %RESETSTATE Reset layer state
            % layer = resetState(layer) resets the state properties of the
            % layer.

            numHiddenUnits = layer.NumHiddenUnits;
            layer.HiddenState = zeros(numHiddenUnits,1);
            layer.CellState = zeros(numHiddenUnits,1);
        end
    end
end

Совместимость с GPU

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.

Включайте пользовательский слой в сеть

Скрипт Open Live Script

Можно использовать пользовательский слой таким же образом в качестве любого другого слоя в Deep Learning Toolbox. Этот раздел показывает, как создать и обучить сеть для классификации последовательностей с помощью слоя LSTM глазка, который вы создали ранее.

Загрузите обучающие данные в качестве примера.

[XTrain,TTrain] = japaneseVowelsTrainData;

Определить сетевую архитектуру. Создайте массив слоя, содержащий слой LSTM глазка.

inputSize = 12;
numHiddenUnits = 100;
numClasses = 9;

layers = [
    sequenceInputLayer(inputSize)
    peepholeLSTMLayer(numHiddenUnits,inputSize,OutputMode="last")
    fullyConnectedLayer(numClasses)
    softmaxLayer
    classificationLayer];

Задайте опции обучения и обучите сеть. Обучайтесь с мини-пакетным размером 27 и лево-заполните данные.

options = trainingOptions("adam",MiniBatchSize=27,SequencePaddingDirection="left");
net = trainNetwork(XTrain,TTrain,layers,options);
Training on single CPU.
|========================================================================================|
|  Epoch  |  Iteration  |  Time Elapsed  |  Mini-batch  |  Mini-batch  |  Base Learning  |
|         |             |   (hh:mm:ss)   |   Accuracy   |     Loss     |      Rate       |
|========================================================================================|
|       1 |           1 |       00:00:01 |        3.70% |       2.2060 |          0.0010 |
|       5 |          50 |       00:00:12 |       92.59% |       0.5917 |          0.0010 |
|      10 |         100 |       00:00:24 |       92.59% |       0.2182 |          0.0010 |
|      15 |         150 |       00:00:37 |      100.00% |       0.0588 |          0.0010 |
|      20 |         200 |       00:00:53 |       96.30% |       0.0843 |          0.0010 |
|      25 |         250 |       00:01:09 |      100.00% |       0.0331 |          0.0010 |
|      30 |         300 |       00:01:24 |      100.00% |       0.0130 |          0.0010 |
|========================================================================================|
Training finished: Max epochs completed.

Оцените производительность сети путем предсказания на новых данных и вычисления точности.

[XTest,TTest] = japaneseVowelsTestData;
YTest = classify(net,XTest,MiniBatchSize=27);
accuracy = mean(YTest==TTest)
accuracy = 0.8757

Ссылки

[1] Грев, Клаус, Рупеш К. Сривэстэва, Ян Кутник, Бас Р. Стеунебринк и Юрген Шмидхубер. "LSTM: одиссея пространства поиска". Транзакции IEEE на нейронных сетях и изучении систем 28, № 10 (2016): 2222–2232.

Смотрите также

| | | | | | | | |

Похожие темы

Документация Deep Learning Toolbox

Поддержка