Réseaux de neurones convolutifs, avec Keras et des TPU

1. Présentation

Dans cet atelier, vous allez apprendre à assembler une couche convolutive dans un modèle de réseau de neurones capable de reconnaître des fleurs. Cette fois, vous allez créer le modèle vous-même à partir de zéro et exploiter la puissance du TPU pour l'entraîner en quelques secondes et itérer sa conception.

Cet atelier comprend les explications théoriques nécessaires concernant les réseaux de neurones convolutifs. Il constitue un bon point de départ pour les développeurs qui se familiarisent avec le deep learning.

Cet atelier est la troisième partie de la série "Keras sur TPU" de la série. Vous pouvez les effectuer dans l'ordre suivant ou indépendamment.

• Pipelines de données à la vitesse du TPU: tf.data.Dataset et TFRecords
• Votre premier modèle Keras, avec apprentissage par transfert
• [THIS LAB] Réseaux de neurones convolutifs, avec Keras et des TPU
• Convnets modernes, Squeezenet et Xception, avec Keras et des TPU

Points abordés

• Créer un classificateur d'images convolutif à l'aide d'un modèle Keras Sequential
• Entraîner un modèle Keras sur un TPU
• Affiner votre modèle avec un bon choix de couches convolutives

Commentaires

Si vous constatez une anomalie dans cet atelier de programmation, veuillez nous en informer. Vous pouvez nous faire part de vos commentaires via GitHub [lien de commentaires].

2. Guide de démarrage rapide de Google Colaboratory

Cet atelier utilise Google Colaboratory et ne nécessite aucune configuration de votre part. Colaboratory est une plate-forme de notebooks en ligne destinée à l'enseignement. Il propose un entraînement sans frais sur les processeurs, les GPU et les TPU.

Vous pouvez ouvrir cet exemple de notebook et l'exécuter sur quelques cellules pour vous familiariser avec Colaboratory.

Welcome to Colab.ipynb

Sélectionner un backend TPU

Dans le menu Colab, sélectionnez Environnement d'exécution > Modifiez le type d'environnement d'exécution, puis sélectionnez "TPU". Dans cet atelier de programmation, vous allez utiliser un TPU (Tensor Processing Unit) puissant sauvegardé pour l'entraînement avec accélération matérielle. La connexion à l'environnement d'exécution se fera automatiquement lors de la première exécution. Vous pouvez également utiliser la commande dans le coin supérieur droit.

Exécution du notebook

Pour exécuter les cellules une par une, cliquez dessus et utilisez Maj + ENTRÉE. Vous pouvez également exécuter l'intégralité du notebook avec Environnement d'exécution > Tout exécuter

Sommaire

Tous les notebooks comportent une table des matières. Vous pouvez l'ouvrir à l'aide de la flèche noire située à gauche.

Cellules masquées

Certaines cellules n'affichent que leur titre. Cette fonctionnalité de notebook spécifique à Colab. Vous pouvez double-cliquer dessus pour voir le code à l'intérieur, mais ce n'est généralement pas très intéressant. Elles sont généralement compatibles avec les fonctions de visualisation ou de compatibilité. Vous devez quand même exécuter ces cellules pour que les fonctions qu'elles contiennent soient définies.

Authentification

Colab peut accéder à vos buckets Google Cloud Storage privés à condition que vous vous authentifiiez avec un compte autorisé. L'extrait de code ci-dessus déclenche un processus d'authentification.

3. [INFO] Que sont les Tensor Processing Units (TPU) ?

En résumé

Les TPU sont des accélérateurs matériels spécialisés dans les tâches de deep learning. Dans cet atelier de programmation, vous allez apprendre à les utiliser avec Keras et TensorFlow 2. Les Cloud TPU sont disponibles dans une configuration de base à huit cœurs, mais aussi dans des configurations plus importantes appelées "pods TPU" allant jusqu'à 2 048 cœurs. Le matériel supplémentaire peut être utilisé pour accélérer l'entraînement en augmentant la taille du lot d'entraînement.

Le code pour entraîner un modèle sur TPU dans Keras (et utiliser le GPU ou le processeur si aucun TPU n'est disponible):

try: # detect TPUs
    tpu = tf.distribute.cluster_resolver.TPUClusterResolver.connect()
    strategy = tf.distribute.TPUStrategy(tpu)
except ValueError: # detect GPUs
    strategy = tf.distribute.MirroredStrategy() # for CPU/GPU or multi-GPU machines

# use TPUStrategy scope to define model
with strategy.scope():
  model = tf.keras.Sequential( ... )
  model.compile( ... )

# train model normally on a tf.data.Dataset
model.fit(training_dataset, epochs=EPOCHS, steps_per_epoch=...)

Aujourd'hui, nous allons utiliser des TPU pour créer et optimiser un classificateur de fleurs à des vitesses interactives (minutes par session d'entraînement).

Pourquoi les TPU ?

Les GPU modernes sont organisés autour de "cœurs" programmables, une architecture très flexible qui leur permet de gérer diverses tâches telles que le rendu 3D, le deep learning, les simulations physiques, etc. À l'inverse, les TPU associent un processeur vectoriel classique à une unité de multiplication matricielle dédiée et excellent dans toute tâche où de grandes multiplications de matrices dominent, comme les réseaux de neurones.

Illustration: couche de réseau de neurones dense sous forme de multiplication matricielle, avec un lot de huit images traitées simultanément via le réseau de neurones. Veuillez effectuer une multiplication sur une ligne par colonne pour vérifier qu'il s'agit bien d'une somme pondérée de toutes les valeurs en pixels d'une image. Les couches convolutives peuvent également être représentées par des multiplications matricielles, bien que cela soit un peu plus compliqué ( explication ici, section 1).

Matériel

MXU et VPU

Un cœur de TPU v2 est composé d'une unité matricielle (MXU, Matrix Multiply Unit) qui exécute les multiplications matricielles et d'une unité de traitement vectoriel (VPU) pour toutes les autres tâches telles que les activations, softmax, etc. Le VPU gère les calculs float32 et int32. Les unités matricielles, quant à elles, fonctionnent dans un format à virgule flottante 16-32 bits de précision mixte.

Valeurs à virgule flottante de précision mixte et bfloat16

L'unité matricielle calcule les multiplications matricielles à l'aide des entrées bfloat16 et des sorties float32. Les accumulations intermédiaires sont effectuées avec une précision de type float32.

L'entraînement des réseaux de neurones est généralement résistant au bruit introduit par une précision réduite à virgule flottante. Dans certains cas, le bruit contribue même à la convergence de l'optimiseur. La précision à virgule flottante 16 bits est traditionnellement utilisée pour accélérer les calculs, mais les formats float16 et float32 ont des plages très différentes. Réduire la précision de float32 à float16 entraîne généralement des sur-débits et des dépassements de capacité insuffisants. Des solutions existent, mais un travail supplémentaire est généralement nécessaire pour faire fonctionner float16.

C'est pourquoi Google a introduit le format bfloat16 dans les TPU. bfloat16 est une valeur float32 tronquée avec exactement les mêmes bits d'exposant et la même plage que float32. En plus du fait que les TPU calculent les multiplications matricielles en précision mixte avec des entrées bfloat16 mais en sorties float32, aucune modification du code n'est généralement nécessaire pour bénéficier des gains de performances liés à une précision réduite.

La précision mixte bfloat16/float32 est utilisée par défaut sur les TPU. Vous n'avez pas besoin de modifier votre code TensorFlow pour l'activer. Vous continuerez à travailler avec float32 tout au long de votre code. Lors de l'exécution d'une multiplication matricielle, le TPU tronque automatiquement ses entrées au format bfloat16. La matrice résultante est float32.

Tableau systolique

L'unité matricielle implémente les multiplications matricielles dans le matériel à l'aide d'un "tableau systolique" architecture dans laquelle les éléments de données circulent à travers un tableau d'unités de calcul matérielles. (En médecine, le terme « systolique » fait référence aux contractions cardiaques et au flux sanguin, ici au flux de données.)

L'élément de base d'une multiplication matricielle est un produit scalaire entre une ligne d'une matrice et une colonne de l'autre matrice (voir l'illustration en haut de cette section). Pour une multiplication matricielle Y=X*W, un élément du résultat serait:

Y[2,0] = X[2,0]*W[0,0] + X[2,1]*W[1,0] + X[2,2]*W[2,0] + ... + X[2,n]*W[n,0]

Sur un GPU, il est possible de programmer ce produit scalaire dans un "cœur" de GPU. et l'exécuter sur autant de "cœurs" disponibles en parallèle pour essayer de calculer chaque valeur de la matrice résultante en une seule fois. Si la matrice résultante fait 128 x 128, il faudrait 128 x 128=16 000 cœurs ce qui n'est généralement pas possible. Les GPU les plus volumineux possèdent environ 4 000 cœurs. En revanche, un TPU utilise le strict minimum de matériel pour les unités de calcul de l'unité matricielle: seulement bfloat16 x bfloat16 => float32 accumulateurs de multiplication, rien d'autre. Elles sont si petites qu'un TPU peut en implémenter 16K dans une unité matricielle de 128 x 128 et traiter cette multiplication matricielle en une seule fois.

Illustration: tableau systolique MXU. Les éléments de calcul sont des accumulateurs. Les valeurs d'une matrice sont chargées dans le tableau (points rouges). Les valeurs de l'autre matrice circulent dans le tableau (points gris). Les lignes verticales propagent les valeurs vers le haut. Les lignes horizontales propagent des sommes partielles. Il revient à l'utilisateur de vérifier qu'au fur et à mesure que les données circulent dans le tableau, vous obtenez le résultat de la multiplication matricielle depuis le côté droit.

De plus, alors que les produits scalaires sont calculés dans une unité matricielle, les sommes intermédiaires sont simplement transférées entre des unités de calcul adjacentes. Ils n'ont pas besoin d'être stockés et récupérés vers/depuis la mémoire ou même un fichier d'enregistrement. Au final, l'architecture de tableau systolique des TPU présente un avantage significatif en termes de densité et de puissance, ainsi qu'un avantage non négligeable en termes de vitesse par rapport à un GPU lors du calcul des multiplications matricielles.

Cloud TPU

Si vous en demandez une Cloud TPU v2" sur Google Cloud Platform, vous disposez d'une machine virtuelle (VM) dotée d'une carte TPU PCI. La carte TPU est équipée de quatre puces TPU double cœur. Chaque cœur de TPU comporte un VPU (Vector Processing Unit) et une unité de multiplication matriX de 128 x 128 MXU. Ce "Cloud TPU" est généralement connectée via le réseau à la VM à l'origine de la demande. La vue d'ensemble ressemble donc à ceci:

Illustration: votre VM avec un Cloud TPU connecté au réseau accélérateur. "Cloud TPU" elle-même est composée d'une VM dotée d'une carte TPU PCI équipée de quatre puces TPU double cœur.

Pods TPU

Dans les centres de données de Google, les TPU sont connectés à une interconnexion de calcul hautes performances (HPC, High Performance Computing), qui peut les faire apparaître comme un accélérateur très important. Ils sont appelés "pods", et peuvent englober jusqu'à 512 cœurs de TPU v2 ou 2 048 cœurs de TPU v3.

Illustration: un pod TPU v3. Racks et cartes TPU connectés via une interconnexion HPC.

Pendant l'entraînement, les gradients sont échangés entre les cœurs de TPU à l'aide de l'algorithme all-reduce ( une bonne explication ici). Le modèle en cours d'entraînement peut tirer parti du matériel en s'entraînant sur des lots de grande taille.

Illustration: synchronisation des gradients pendant l'entraînement à l'aide de l'algorithme all-reduce sur le réseau HPC de maillage toroïdal 2D de Google TPU.

Logiciel

Entraînement de lots de grande taille

La taille de lot idéale pour les TPU est de 128 éléments de données par cœur de TPU, mais le matériel peut déjà présenter une bonne utilisation à partir de 8 éléments de données par cœur de TPU. Rappelez-vous qu'un Cloud TPU possède huit cœurs.

Dans cet atelier de programmation, nous allons utiliser l'API Keras. Dans Keras, le lot que vous spécifiez correspond à la taille de lot globale pour l'ensemble du TPU. Vos lots seront automatiquement divisés en huit et exécutés sur les huit cœurs du TPU.

Pour obtenir d'autres conseils sur les performances, consultez le Guide sur les performances des TPU. Pour les très grandes tailles de lot, une attention particulière peut être nécessaire dans certains modèles. Pour en savoir plus, consultez la section LARSOptimizer.

Sous le capot: XLA

Les programmes TensorFlow définissent des graphiques de calcul. Le TPU n'exécute pas directement du code Python, mais le graphe de calcul défini par votre programme TensorFlow. En arrière-plan, un compilateur appelé XLA (Acceleated Linear Algebra compiler) transforme le graphe TensorFlow des nœuds de calcul en code de machine TPU. Ce compilateur effectue également de nombreuses optimisations avancées sur votre code et la disposition de votre mémoire. La compilation s'effectue automatiquement à mesure que le travail est envoyé au TPU. Vous n'avez pas besoin d'inclure explicitement XLA dans votre chaîne de compilation.

Illustration: Pour s'exécuter sur TPU, le graphe de calcul défini par votre programme TensorFlow est d'abord traduit en représentation XLA (acceleated Linear Algebra compiler), puis compilé par XLA en code machine TPU.

Utiliser des TPU dans Keras

Les TPU sont compatibles avec l'API Keras depuis TensorFlow 2.1. La compatibilité avec Keras fonctionne sur les TPU et les pods TPU. Voici un exemple qui fonctionne sur les TPU, les GPU et les processeurs:

try: # detect TPUs
    tpu = tf.distribute.cluster_resolver.TPUClusterResolver.connect()
    strategy = tf.distribute.TPUStrategy(tpu)
except ValueError: # detect GPUs
    strategy = tf.distribute.MirroredStrategy() # for CPU/GPU or multi-GPU machines

# use TPUStrategy scope to define model
with strategy.scope():
  model = tf.keras.Sequential( ... )
  model.compile( ... )

# train model normally on a tf.data.Dataset
model.fit(training_dataset, epochs=EPOCHS, steps_per_epoch=...)

Dans cet extrait de code:

• TPUClusterResolver().connect() trouve le TPU sur le réseau. Elle fonctionne sans paramètres sur la plupart des systèmes Google Cloud (tâches AI Platform, Colaboratory, Kubeflow, VM de deep learning créées via l'utilitaire "gsutil up"). Ces systèmes savent où se trouve leur TPU grâce à une variable d'environnement TPU_NAME. Si vous créez un TPU manuellement, définissez l'environnement TPU_NAME. "var." sur la VM à partir de laquelle vous l'utilisez, ou appelez TPUClusterResolver avec des paramètres explicites: TPUClusterResolver(tp_uname, zone, project)
• TPUStrategy est la partie qui implémente la distribution et la fonction "all-reduce" ; l'algorithme de synchronisation de gradient.
• La stratégie est appliquée via un champ d'application. Le modèle doit être défini dans le champ d'application de la stratégie.
• La fonction tpu_model.fit attend un objet tf.data.Dataset en entrée pour l'entraînement TPU.

Tâches de portage TPU courantes

• Bien qu'il existe de nombreuses façons de charger des données dans un modèle TensorFlow, pour les TPU, l'utilisation de l'API tf.data.Dataset est requise.
• Les TPU sont très rapides et l'ingestion de données devient souvent le goulot d'étranglement lors de leur exécution. Le guide sur les performances TPU propose des outils permettant de détecter les goulots d'étranglement des données, ainsi que d'autres conseils de performances.
• Les nombres int8 ou int16 sont traités comme des int32. Le TPU n'a pas de matériel entier fonctionnant sur moins de 32 bits.
• Certaines opérations TensorFlow ne sont pas compatibles. Cliquez ici pour consulter la liste. Heureusement, cette limitation ne s'applique qu'au code d'entraînement, c'est-à-dire aux propagations avant et arrière dans votre modèle. Vous pouvez toujours utiliser toutes les opérations Tensorflow dans votre pipeline d'entrée de données, car elles seront exécutées sur le processeur.
• tf.py_func n'est pas compatible avec TPU.

4. [INFO] Principes de base du classificateur de réseaux de neurones

En résumé

Si vous connaissez déjà tous les termes en gras dans le paragraphe suivant, vous pouvez passer à l'exercice suivant. Si vous débutez dans le deep learning, bienvenue et poursuivez votre lecture.

Un classificateur de réseaux de neurones est constitué de plusieurs couches de neurones. Pour la classification des images, il peut s'agir de couches denses ou, plus souvent, de couches convolutives. Elles sont généralement activées à l'aide de la fonction d'activation relu. La dernière couche utilise autant de neurones qu'il y a de classes et est activée avec softmax. Pour la classification, l'entropie croisée est la fonction de perte la plus couramment utilisée. Elle compare les étiquettes encodées one-hot (c'est-à-dire les réponses correctes) aux probabilités prédites par le réseau de neurones. Pour minimiser la perte, il est préférable de choisir un optimiseur dynamique (par exemple, AdamOptimizer) et de procéder à l'entraînement sur des lots d'images et d'étiquettes d'entraînement.

Pour les modèles créés sous la forme d'une séquence de couches, Keras propose l'API Sequential. Par exemple, un classificateur d'images utilisant trois couches denses peut être écrit dans Keras sous la forme suivante:

model = tf.keras.Sequential([
    tf.keras.layers.Flatten(input_shape=[192, 192, 3]),
    tf.keras.layers.Dense(500, activation="relu"),
    tf.keras.layers.Dense(50, activation="relu"),
    tf.keras.layers.Dense(5, activation='softmax') # classifying into 5 classes
])

# this configures the training of the model. Keras calls it "compiling" the model.
model.compile(
  optimizer='adam',
  loss= 'categorical_crossentropy',
  metrics=['accuracy']) # % of correct answers

# train the model
model.fit(dataset, ... )

Réseau de neurones dense

Il s'agit du réseau de neurones le plus simple pour classer des images. Elle est composée de "neurones" organisées en couches. La première couche traite les données d'entrée et transmet ses sorties à d'autres couches. Elle est appelée "dense" car chaque neurone est connecté à tous les neurones de la couche précédente.

Vous pouvez alimenter un tel réseau en aplatissant les valeurs RVB de tous ses pixels dans un vecteur long et en les utilisant comme entrées. Ce n'est pas la meilleure technique de reconnaissance d'image, mais nous l'améliorerons plus tard.

Neurones, activations, RELU

Un "neurone" calcule la somme pondérée de toutes ses entrées, ajoute une valeur appelée "biais" et transmet le résultat via une "fonction d'activation". Dans un premier temps, les pondérations et les biais sont inconnus. Elles seront initialisées de manière aléatoire et "apprises" en entraînant le réseau de neurones sur de nombreuses données connues.

La fonction d'activation la plus populaire est appelée RELU pour l'unité de rectification linéaire (rectified Linear Unit). Comme vous pouvez le voir sur le graphique ci-dessus, il s'agit d'une fonction très simple.

Activation Softmax

Le réseau ci-dessus se termine par une couche à cinq neurones, car nous classons les fleurs en cinq catégories (rose, tulipe, pissenlit, marguerite, tournesol). Les neurones des couches intermédiaires sont activés à l'aide de la fonction d'activation RELU classique. Dans la dernière couche, nous souhaitons calculer des nombres compris entre 0 et 1 représentant la probabilité que cette fleur soit une rose, une tulipe, etc. Pour cela, nous allons utiliser une fonction d'activation appelée "softmax".

L'application de la fonction softmax à un vecteur s'effectue en prenant l'exposant exponentiel de chaque élément, puis en normalisant le vecteur, généralement à l'aide de la norme L1 (somme des valeurs absolues) de sorte que les valeurs s'additionnent pour être égales à 1 et puissent être interprétées comme des probabilités.

Pourquoi "softmax" est-il appelé softmax ? La fonction exponentielle est une fonction fortement croissante. Cela augmentera les différences entre les sorties des neurones. Ensuite, lorsque vous normalisez le vecteur, l'élément le plus grand, qui domine la norme, sera normalisé à une valeur proche de 1, tandis que tous les autres éléments finiront par être divisés par une grande valeur et normalisés à une valeur proche de 0. Le vecteur résultant montre clairement quelle est la classe gagnante, la "max", mais conserve l'ordre relatif d'origine de ses valeurs, d'où la "soft".

Perte d'entropie croisée

Maintenant que notre réseau de neurones produit des prédictions à partir d'images d'entrée, nous devons mesurer leur qualité, c'est-à-dire la distance entre ce que le réseau nous dit et les bonnes réponses, souvent appelées "étiquettes". N'oubliez pas que nous disposons d'étiquettes correctes pour toutes les images de l'ensemble de données.

N'importe quelle distance conviendrait, mais pour les problèmes de classification, la "distance d'entropie croisée" est la plus efficace. Nous appellerons cela notre erreur ou « perte » :

"One-hot" signifie que vous représentez l'étiquette "3) pissenlit. en utilisant un vecteur de 5 valeurs, tous des zéros à l'exception de la 3e valeur qui est 1. Ce vecteur représente une probabilité de 100% d'être un pissenlit. Notre réseau de neurones produit également ses prédictions sous la forme d'un vecteur de cinq valeurs de probabilité. Ils sont faciles à comparer.

Descente de gradient

« Entraînement » le réseau de neurones consiste en fait à utiliser des images et des étiquettes d'entraînement pour ajuster les pondérations et les biais afin de minimiser la fonction de perte d'entropie croisée. Voici comment cela fonctionne.

L'entropie croisée est une fonction des pondérations, des biais, des pixels de l'image d'entraînement et de sa classe connue.

Si nous calculons les dérivées partielles de l'entropie croisée par rapport à l'ensemble des pondérations et des biais, nous obtenons un "gradient" calculé pour une image, une étiquette et une valeur actuelle donnée de pondérations et de biais. N'oubliez pas que nous pouvons avoir des millions de pondérations et de biais. Calculer le gradient représente beaucoup de travail. Heureusement, Tensorflow s'en charge pour nous. La propriété mathématique d'un dégradé est qu'il pointe "vers le haut". Puisque nous voulons aller là où l'entropie croisée est faible, nous allons dans la direction opposée. Nous mettons à jour les pondérations et les biais selon une fraction du gradient. Ensuite, nous faisons la même chose encore et encore en utilisant les lots suivants d'images et d'étiquettes d'entraînement dans une boucle d'entraînement. Espérons que cela aboutit à un point où l'entropie croisée est minimale, bien que rien ne garantit que ce minimum soit unique.

Taux d'apprentissage : vous ne pouvez pas mettre à jour vos pondérations et biais sur la totalité de la longueur du gradient à chaque itération. Ce serait comme si nous essayions d'atteindre le bas d'une vallée en portant des chaussures de sept championnats. Vous sauteriez d'un côté de la vallée à l'autre. Pour aller au bas de la page, vous devez faire des pas plus petits, c'est-à-dire n'utiliser qu'une fraction du gradient, généralement dans la plage 1/1 000e. Cette fraction est appelée "taux d'apprentissage".

Mini-lot et momentum

Vous pouvez calculer votre gradient à partir d'un exemple d'image et mettre immédiatement à jour les pondérations et les biais. Toutefois, avec un lot de 128 images, par exemple, vous obtenez un gradient qui représente mieux les contraintes imposées par les différentes images d'exemple. Il est donc susceptible de converger plus rapidement vers la solution. La taille du mini-lot est un paramètre ajustable.

Cette technique, parfois appelée "descente de gradient stochastique", présente un autre avantage, plus pragmatique: le traitement par lot implique également de travailler avec des matrices plus volumineuses, qui sont généralement plus faciles à optimiser sur les GPU et les TPU.

La convergence peut encore être un peu chaotique et peut même s'arrêter si le vecteur de gradient n'est que des zéros. Cela signifie-t-il que nous avons trouvé un minimum ? Non. Un composant de dégradé peut avoir une valeur minimale ou maximale égale à zéro. Avec un vecteur de gradient comportant des millions d'éléments, s'ils sont tous des zéros, la probabilité que chaque zéro corresponde à un minimum et aucun d'entre eux à un point maximal est assez faible. Dans un espace comportant de nombreuses dimensions, les points d'arrêt sont assez courants et nous ne voulons pas nous en arrêter là.

Illustration: un point de selle. Le dégradé est de 0, mais ce n'est pas un minimum dans toutes les directions. (Attribution de l'image Wikimedia: By Nicoguaro - Own work, CC BY 3.0)

La solution consiste à donner une dynamique à l'algorithme d'optimisation afin qu'il puisse passer en selle sans s'arrêter.

La bibliothèque TensorFlow fournit toute une gamme d'optimiseurs, à commencer par tf.train.GradientDescentOptimizer. tf.train.RMSPropOptimizer ou tf.train.AdamOptimizer sont des optimiseurs populaires plus avancés qui intègrent une dynamique.

Glossaire

lot ou mini-lot: l'entraînement est toujours effectué sur des lots de données d'entraînement et d'étiquettes. Cela contribue à la convergence de l'algorithme. Le "lot" est généralement la première dimension des Tensors de données. Par exemple, un Tensor de forme [100, 192, 192, 3] contient 100 images de 192 x 192 pixels avec trois valeurs par pixel (RVB).

perte d'entropie croisée: fonction de perte spéciale, souvent utilisée dans les classificateurs.

couche dense: couche de neurones où chaque neurone est connecté à tous les neurones de la couche précédente.

features: les entrées d'un réseau de neurones sont parfois appelées "caractéristiques". L'ingénierie des caractéristiques consiste à déterminer quelles parties d'un ensemble de données (ou combinaisons de parties) alimenter un réseau de neurones afin d'obtenir de bonnes prédictions.

labels: autre nom pour "classes". ou les réponses correctes d'un problème de classification supervisée

Taux d'apprentissage: fraction du gradient par laquelle les pondérations et les biais sont mis à jour à chaque itération de la boucle d'entraînement.

logits: les sorties d'une couche de neurones avant l'application de la fonction d'activation sont appelées "logits". Le terme vient de la « fonction logistique » autrement dit la "fonction sigmoïde" qui était autrefois la fonction d'activation la plus populaire. "Sorties de neurones avant la fonction logistique" a été abrégé en "logits".

loss: fonction d'erreur comparant les sorties du réseau de neurones aux bonnes réponses

neurone: calcule la somme pondérée de ses entrées, ajoute un biais et alimente le résultat via une fonction d'activation.

Encodage one-hot: la classe 3 sur 5 est encodée sous la forme d'un vecteur de cinq éléments, tous des zéros à l'exception du troisième, qui est égal à 1.

relu: unité de rectification linéaire. Fonction d'activation populaire utilisée pour les neurones.

sigmoïde: autre fonction d'activation populaire et qui reste utile dans des cas particuliers.

softmax: fonction d'activation spéciale qui agit sur un vecteur, augmente la différence entre la composante la plus grande et les autres, et normalise également le vecteur pour obtenir une somme égale à 1, de sorte qu'il puisse être interprété comme un vecteur de probabilités. Il s'agit de la dernière étape des classificateurs.

tensor: un "Tensor" est semblable à une matrice mais avec un nombre arbitraire de dimensions. Un Tensor unidimensionnel est un vecteur. Un Tensor à deux dimensions est une matrice. Vous pouvez aussi avoir des Tensors ayant au moins 3, 4, 5 dimensions ou plus.

5. [NOUVELLE INFO] Réseaux de neurones convolutifs

En résumé

Si vous connaissez déjà tous les termes en gras dans le paragraphe suivant, vous pouvez passer à l'exercice suivant. Si vous débutez avec les réseaux de neurones convolutifs, poursuivez votre lecture.

Illustration: Filtrer une image avec deux filtres successifs composés chacun de 4x4x3=48 pondérations apprises.

Les réseaux de neurones convolutifs appliquent une série de filtres mémorisables à l'image d'entrée. Une couche convolutive est définie par la taille du filtre (ou noyau), le nombre de filtres appliqués et le fou. L'entrée et la sortie d'une couche convolutive ont trois dimensions (largeur, hauteur, nombre de canaux), en commençant par l'image d'entrée (largeur, hauteur et canaux RVB). Lorsque vous empilez des couches convolutives, vous pouvez ajuster la largeur et la hauteur de la sortie à l'aide d'un pas supérieur à 1 ou d'une opération max-pooling. La profondeur de la sortie (nombre de canaux) est ajustée en utilisant plus ou moins de filtres.

Voici à quoi ressemble un simple réseau de neurones convolutif dans Keras:

model = tf.keras.Sequential([
  # input: images of size 192x192x3 pixels (the three stands for RGB channels)
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=24, padding='same', activation='relu', input_shape=[192, 192, 3]),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=24, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=2),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=12, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=2),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=6, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.Flatten(),
  # classifying into 5 categories
  tf.keras.layers.Dense(5, activation='softmax')
])

model.compile(
  optimizer='adam',
  loss= 'categorical_crossentropy',
  metrics=['accuracy'])

Introduction aux réseaux de neurones convolutifs

Dans une couche d'un réseau convolutif, un "neurone" fait une somme pondérée des pixels juste au-dessus, sur une petite zone de l'image uniquement. Elle ajoute un biais et alimente la somme via une fonction d'activation, tout comme le ferait un neurone d'une couche dense standard. Cette opération est ensuite répétée sur toute l'image avec les mêmes pondérations. Souvenez-vous que dans les couches denses, chaque neurone avait ses propres pondérations. Ici, un seul "patch" de pondérations glisse sur l'image dans les deux sens (une "convolution"). La sortie comporte autant de valeurs qu'il y a de pixels dans l'image (un remplissage est toutefois nécessaire au niveau des bords). Il s'agit d'une opération de filtrage utilisant un filtre de 4x4x3=48 pondérations.

En revanche, 48 pondérations ne seront pas suffisantes. Pour ajouter davantage de degrés de liberté, nous répétons la même opération avec un nouvel ensemble de pondérations. Vous obtenez ainsi un nouvel ensemble de sorties de filtre. Appelons-le un "canal" de sorties par analogie avec les canaux R, V et B de l'image d'entrée.

Les deux (ou plusieurs) ensembles de pondérations peuvent être additionnés sous la forme d'un seul Tensor en ajoutant une nouvelle dimension. Cela nous donne la forme générique du Tensor des pondérations pour une couche convolutive. Le nombre de canaux d'entrée et de sortie étant des paramètres, nous pouvons commencer à empiler et à chaîner des couches convolutives.

Illustration: Un réseau de neurones convolutif transforme des "cubes" de données dans d'autres "cubes" de données.

Convolutions fractionnées, pooling maximal

En effectuant les convolutions avec un pas de 2 ou 3, nous pouvons également réduire le cube de données résultant dans ses dimensions horizontales. Il existe deux façons courantes de procéder:

• Convolution échelonnée: un filtre glissant comme ci-dessus, mais avec un pas supérieur à 1
• Pooling maximal: fenêtre glissante appliquant l'opération MAX (généralement sur 2x2 patchs, répétés tous les 2 pixels)

Illustration: le fait de faire glisser la fenêtre de calcul de 3 pixels réduit le nombre de valeurs de sortie. Les convolutions stylisées ou le pooling maximal (max. sur une fenêtre de 2x2 glissant d'un pas de 2) sont un moyen de réduire le cube de données dans les dimensions horizontales.

Pooling maximal peut nous aider à comprendre intuitivement le fonctionnement des réseaux convolutifs: si vous partez du principe qu'au cours de l'entraînement, les taches de pondérations se transforment en filtres qui reconnaissent des formes de base (lignes horizontales et verticales, courbes, etc.), l'une des façons de faire circuler des informations utiles est de conserver à travers les couches les sorties où une forme a été reconnue avec l'intensité maximale. En pratique, dans une couche "max-pool", les sorties de neurones sont traitées par groupes de 2 x 2, et seule la valeur maximale est conservée.

Classificateur cvolutif

Enfin, nous associons une tête de classification en aplatissant le dernier cube de données et en l'alimentant via une couche dense activée par softmax. Un classificateur convolutif typique peut se présenter comme suit:

Illustration: un classificateur d'images utilisant des couches convolutives et softmax. Elle utilise les filtres 3x3 et 1x1. Les couches "maxpool" prennent le nombre maximal de groupes de 2 x 2 points de données. La tête de classification est implémentée avec une couche dense avec activation softmax.

Dans Keras

La pile convolutive illustrée ci-dessus peut être écrite dans Keras comme suit:

model = tf.keras.Sequential([
  # input: images of size 192x192x3 pixels (the three stands for RGB channels)    
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=32, padding='same', activation='relu', input_shape=[192, 192, 3]),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=1, filters=32, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=2),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=32, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=1, filters=32, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=2),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=32, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=1, filters=32, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=2),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=32, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=1, filters=32, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=2),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=16, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=1, filters=8, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.Flatten(),
  # classifying into 5 categories
  tf.keras.layers.Dense(5, activation='softmax')
])

model.compile(
  optimizer='adam',
  loss= 'categorical_crossentropy',
  metrics=['accuracy'])

Le paramètre de marge intérieure des couches convolutives peut avoir deux valeurs:

• "same" : ajoutez des zéros pour obtenir des sorties de la même largeur/hauteur que l'entrée.
• "valid" : aucune marge intérieure, n'utiliser que des pixels réels

6. Votre réseau de neurones convolutif personnalisé

Pratique

Voyons comment créer et entraîner un réseau de neurones convolutif en partant de zéro. L'utilisation d'un TPU nous permettra d'effectuer des itérations très rapidement. Veuillez ouvrir le notebook suivant, exécuter les cellules (Maj-ENTRÉE) et suivre les instructions dès que le message "TÂCHE REQUISE" s'affiche libellé.

Keras_Flowers_TPU (playground).ipynb

L'objectif est de battre la justesse de 75% du modèle d'apprentissage par transfert. Ce modèle avait l'avantage d'avoir été pré-entraîné sur un ensemble de données de millions d'images, alors que nous n'avons ici que 3 670 images. Pouvez-vous au moins l'associer ?

Informations supplémentaires

Combien de couches, quelle taille ?

Le choix de la taille des calques est plus un art qu’une science. Vous devez trouver le bon équilibre entre trop peu et trop de paramètres (pondérations et biais). Avec un poids insuffisant, le réseau de neurones ne peut pas représenter la complexité des formes de fleurs. Si elles sont trop nombreuses, l'apprentissage peut être sujet à un surapprentissage, c'est-à-dire qu'il peut se spécialiser dans les images d'entraînement et ne pas être en mesure de généraliser. Avec de nombreux paramètres, l'entraînement du modèle est également lent. Dans Keras, la fonction model.summary() affiche le nombre de structures et de paramètres de votre modèle:

Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
conv2d (Conv2D)              (None, 192, 192, 16)      448       
_________________________________________________________________
conv2d_1 (Conv2D)            (None, 192, 192, 30)      4350      
_________________________________________________________________
max_pooling2d (MaxPooling2D) (None, 96, 96, 30)        0         
_________________________________________________________________
conv2d_2 (Conv2D)            (None, 96, 96, 60)        16260     
_________________________________________________________________
 ... 
_________________________________________________________________
global_average_pooling2d (Gl (None, 130)               0         
_________________________________________________________________
dense (Dense)                (None, 90)                11790     
_________________________________________________________________
dense_1 (Dense)              (None, 5)                 455       
=================================================================
Total params: 300,033
Trainable params: 300,033
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

Quelques conseils:

• Le fait d'avoir plusieurs couches est ce qui rend la « profondeur » les réseaux de neurones sont efficaces. Pour ce problème simple de reconnaissance des fleurs, 5 à 10 couches sont tout à fait logiques.
• Utilisez des filtres de petite taille. En général, les filtres 3x3 sont efficaces partout.
• Les filtres 1x1 peuvent aussi être utilisés et sont peu coûteux. Ils ne "filtrent" pas vraiment autre chose que calculer des combinaisons de canaux linéaires. Remplacez-les par de vrais filtres. (Vous trouverez plus d'informations sur les "convolutions 1 x 1" dans la section suivante.)
• Pour un problème de classification comme celui-ci, sous-échantillonnez fréquemment avec des couches de pooling maximal (ou des convolutions avec un pas supérieur à 1). Vous ne vous souciez pas de l'emplacement de la fleur, mais seulement du fait qu'il s'agisse d'une rose ou d'un pissenlit. Il n'est donc pas important de perdre les informations x et y, et de filtrer des zones plus petites est moins coûteux.
• Le nombre de filtres devient généralement similaire au nombre de classes à la fin du réseau (pourquoi ? voir l'astuce "pooling moyen global" ci-dessous). Si vous classez vos données en plusieurs centaines de classes, augmentez progressivement le nombre de filtres par couches consécutives. Pour l'ensemble de données sur les fleurs à 5 classes, un filtrage avec seulement 5 filtres ne suffira pas. Vous pouvez utiliser le même nombre de filtres dans la plupart des calques (par exemple 32) et le diminuer en fin de liste.
• La ou les couches denses finales sont coûteuses. Elles peuvent avoir plus de pondérations que toutes les couches convolutives combinées. Par exemple, même avec un résultat très raisonnable provenant du dernier cube de données de 24 x 24 x 10 points de données, une couche dense de 100 neurones coûterait 24 x 24 x 10 x 100=576 000 pondérations !!! Soyez réfléchi, ou essayez le pooling moyen global (voir ci-dessous).

Pooling moyen au niveau mondial

Au lieu d'utiliser une couche dense coûteuse à l'extrémité d'un réseau de neurones convolutif, vous pouvez diviser les "cubes" de données entrantes en autant de parties que de classes, calculez la moyenne de leurs valeurs et alimentez-les via une fonction d'activation softmax. Cette méthode de création de la tête de classification ne coûte aucune pondération. Dans Keras, la syntaxe est tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D()..

Les réseaux de neurones convolutifs détectent la position des objets. Lorsqu'un filtre répond fortement à une caractéristique, il le fait dans un emplacement x,y spécifique. Selon ce que vous souhaitez faire, un réseau de neurones peut être entraîné pour utiliser ou supprimer ces données de localisation. L'utilisation du pooling moyen global permet de supprimer explicitement toutes les données de localisation. Cela peut convenir à un classificateur de fleurs, mais pas à d'autres tâches telles que compter des fleurs dans une image. À utiliser avec précaution.

Solution

Voici le notebook de la solution. Vous pouvez l'utiliser si vous êtes bloqué.

Keras_Flowers_TPU (solution).ipynb

Points abordés

• 🤔 Jeux avec des couches convolutives
• 🤓 Expérimenté avec le pooling maximal, les pas, le pooling moyen mondial...
• des itérations rapides sur un modèle réel, sur TPU

Veuillez prendre un moment pour passer en revue cette liste de contrôle.

7. Félicitations !

Vous avez créé votre premier réseau de neurones convolutif moderne et l'avez entraîné à une justesse supérieure à 80 %. Vous avez itéré son architecture en quelques minutes seulement grâce aux TPU. Veuillez passer au prochain atelier pour en savoir plus sur les architectures convolutives modernes:

• Pipelines de données à la vitesse du TPU: tf.data.Dataset et TFRecords
• Votre premier modèle Keras, avec apprentissage par transfert
• [THIS LAB] Réseaux de neurones convolutifs, avec Keras et des TPU
• Convnets modernes, Squeezenet et Xception, avec Keras et des TPU

Les TPU en pratique

Les TPU et les GPU sont disponibles sur Cloud AI Platform:

• Sur les VM de deep learning
• Dans AI Platform Notebooks
• Dans les tâches AI Platform Training

Enfin, les commentaires sont les bienvenus. Veuillez nous indiquer si vous constatez une anomalie dans cet atelier ou si vous pensez qu'elle doit être améliorée. Vous pouvez nous faire part de vos commentaires via GitHub [lien de commentaires].

Auteur: Martin Görner Twitter: @martin_gorner

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