浅谈keras中的Merge层(实现层的相加、相减、相乘实例)

【题目】keras中的Merge层（实现层的相加、相减、相乘）

详情请参考：

Merge层

一、层相加

keras.layers.Add()

添加输入列表的图层。

该层接收一个相同shape列表张量，并返回它们的和，shape不变。

Example

import keras
 
input1 = keras.layers.Input(shape=(16,))
x1 = keras.layers.Dense(8, activation='relu')(input1)
input2 = keras.layers.Input(shape=(32,))
x2 = keras.layers.Dense(8, activation='relu')(input2)
added = keras.layers.Add()([x1, x2]) # equivalent to added = keras.layers.add([x1, x2])
 
out = keras.layers.Dense(4)(added)
model = keras.models.Model(inputs=[input1, input2], outputs=out)

二、层相减

SubStract

keras.layers.Subtract()

两个输入的层相减。

它将大小至少为2，相同Shape的列表张量作为输入，并返回一个张量（输入[0] - 输入[1]），也是相同的Shape。

Example

import keras
 
input1 = keras.layers.Input(shape=(16,))
x1 = keras.layers.Dense(8, activation='relu')(input1)
input2 = keras.layers.Input(shape=(32,))
x2 = keras.layers.Dense(8, activation='relu')(input2)
# Equivalent to subtracted = keras.layers.subtract([x1, x2])
subtracted = keras.layers.Subtract()([x1, x2])
 
out = keras.layers.Dense(4)(subtracted)
model = keras.models.Model(inputs=[input1, input2], outputs=out)

三、层相乘

Multiply

keras.layers.Multiply()

该层接收一个列表的同shape张量，并返回它们的逐元素积的张量，shape不变。

注意：keras.layers.add(inputs)、keras.layers.subtract(inputs)、keras.layers.multiply(inputs)分别是对应的层包装，一般只用层包装。

补充知识：Keras天坑：想当然的对层的直接运算带来的问题

天坑

keras如何操作某一层的值（如让某一层的值取反加1等）？keras如何将某一层的神经元拆分以便进一步操作（如取输入的向量的第一个元素乘别的层）？keras如何重用某一层的值（如输入层和输出层乘积作为最终输出）？

这些问题都指向同一个答案，即使用Lambda层。

另外，如果想要更加灵活地操作层的话，推荐使用函数式模型写法，而不是序列式。

Keras当中，任何的操作都是以网络层为单位，操作的实现都是新添一层，不管是加减一个常数还是做乘法，或者是对两层的简单拼接。

所以，将一层单独劈一半出来，是一件难事。强调，Keras的最小操作单位是Layer，每次操作的是整个batch。

自然，在keras中，每个层都是对象，可以通过dir(Layer对象)来查看具有哪些属性。

然而，Backend中Tensorflow的最小操作单位是Tensor，而你搞不清楚到底是Layer和Tensor时，盲目而想当然地进行层的操作，就会出问题。到底是什么？通过type和shape是看不出来的。

如果你只是想对流经该层的数据做个变换，而这个变换本身没有什么需要学习的参数，那么直接用Lambda Layer是最合适的了。

也就是说，对每一层的加减乘除都得用keras的函数，你不能简单使用形如 ‘new_layer' =1−= 1-=1−'layer'这样的表达方式来对层进行操作。

当遇到如下报错信息：

AttributeError: 'NoneType' object has no attribute '_inbound_nodes'

或

TypeError: 'Tensor' object is not callable

等等

这是就要考虑一下将程序中层的操作改成Lambda的方式表达。

使用Lambda编写自己的层

Lamda层怎么用？官方文档给了这样一个例子。

# 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))

乍一看，有点懵逼，什么乱七八糟的。事实上，很简单，假设L0和L1是两层，你只要将你形如下面这样的表达：

L1 = F(L0);

改成

L1 = Lambda( lambda L0:F(L0) ) (L0)

即可。为了看得清楚，多加了几个空格。

事实上，无非就是将原来的变换，通过Lambda（lambda 输入：表达式）这样的方式，改成了Lambda型函数，再把输入传进去，放在尾巴上即可。

参考

https://keras-cn.readthedocs.io/en/latest/layers/core_layer/#lambda

（个人觉得这份文档某些地方比官方中文要完整许多）

keras许多简单操作，都需要新建一个层，使用Lambda可以很好完成需求。当你不知道有这个东西存在的时候，就会走不少弯路。