Konwolucyjne sieci neuronowe wykorzystujące Keras i TPU

1. Omówienie

W tym module dowiesz się, jak połączyć warstwę splotową w model sieci neuronowej rozpoznającej kwiaty. Tym razem zbudujesz model od podstaw i wykorzystasz moc TPU, aby wytrenować go w kilka sekund i ponownie zadbać o jego konstrukcję.

Ten moduł zawiera niezbędne wyjaśnienia teoretyczne dotyczące splotowych sieci neuronowych i jest dobrym punktem wyjścia dla deweloperów, którzy chcą poznać deep learning.

Ten moduł to część 3 projektu „Keras w TPU” serii. Możesz to zrobić w poniższej kolejności lub samodzielnie.

• Potoki danych działające z szybkością TPU: tf.data.Dataset i TFRecords
• Twój pierwszy model Keras z nauką przenoszenia
• [THIS LAB] Splotowe sieci neuronowe wykorzystujące Keras i TPU
• Nowoczesne konwnety, squeezenet, Xception z wykorzystaniem Keras i TPU

Czego się nauczysz

• Aby utworzyć splotowy klasyfikator obrazów z wykorzystaniem modelu sekwencyjnego Keras.
• Aby wytrenować model Keras w TPU
• Aby dostroić model przy użyciu odpowiednich warstw splotowych.

Prześlij opinię

Jeśli zauważysz, że w tym laboratorium z kodem coś jest nie tak, daj nam znać. Opinię można przesłać, korzystając z formularza dotyczącego problemów na GitHubie [link do przesyłania opinii].

2. Krótki przewodnik po Google Colaboratory

Ten moduł używa Google Collaboratory i nie wymaga konfiguracji. Colaboratory to internetowa platforma do obsługi notatników do celów edukacyjnych. Oferuje bezpłatne trenowanie dotyczące CPU, GPU i TPU.

Aby zapoznać się z Colaboratory, możesz otworzyć ten przykładowy notatnik i przejrzeć kilka komórek.

Welcome to Colab.ipynb

Wybierz backend TPU

W menu Colab wybierz Środowisko wykonawcze > Zmień typ środowiska wykonawczego i wybierz TPU. W tym module z kodem wykorzystasz potężną jednostkę TPU (Tensor Processing Unit) wyposażoną w procesor akceleracji sprzętowej. Połączenie ze środowiskiem wykonawczym następuje automatycznie przy pierwszym uruchomieniu. Możesz też skorzystać z opcji „Połącz” w prawym górnym rogu.

Wykonywanie notatnika

Uruchomienie komórki po kolei przez kliknięcie komórki i naciśnięcie klawiszy Shift+ENTER. Możesz też uruchomić cały notatnik, wybierając Środowisko wykonawcze > Uruchom wszystko

Spis treści

Wszystkie notatniki mają spis treści. Możesz go otworzyć, klikając czarną strzałkę po lewej stronie.

Ukryte komórki

W niektórych komórkach będzie widoczny tylko tytuł. Jest to funkcja notatnika specyficzna dla Colab. Można je dwukrotnie kliknąć, aby zobaczyć w nich kod, ale zwykle nie jest to zbyt interesujące. Zwykle są to funkcje wspomagające lub wizualizacyjne. Nadal musisz uruchomić te komórki, aby zdefiniować funkcje znajdujące się w nich.

Uwierzytelnianie

Colab może uzyskać dostęp do Twoich prywatnych zasobników Google Cloud Storage, o ile uwierzytelnisz się na autoryzowanym koncie. Powyższy fragment kodu aktywuje proces uwierzytelniania.

3. [INFO] Czym są jednostki przetwarzania Tensor (TPU)?

W skrócie

TPU to akceleratory sprzętowe specjalizujące się w zadaniach deep learning. Z tego modułu dotyczącego kodowania dowiesz się, jak używać ich w przypadku Keras i TensorFlow 2. Jednostki Cloud TPU są dostępne w konfiguracji podstawowej z 8 rdzeniami oraz w większych konfiguracjach nazywanych „podami TPU” z maksymalnie 2048 rdzeniami. Dodatkowy sprzęt może przyspieszyć trenowanie przez zwiększenie rozmiaru wsadu do trenowania.

Kod do trenowania modelu w TPU w Keras (i korzystania z GPU lub CPU, jeśli jednostka TPU jest niedostępna):

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=...)

Wykorzystamy dziś jednostki TPU do utworzenia i zoptymalizowania klasyfikatora kwiatów z szybkością interaktywną (minuty na bieg trenowania).

Dlaczego TPU?

Nowoczesne procesory graficzne są zorganizowane wokół programowalnych „rdzeni”, czyli bardzo elastycznej architektury, która umożliwia im wykonywanie różnych zadań, takich jak renderowanie 3D, deep learning, symulacje fizyczne itp. Z kolei jednostki TPU łączą klasyczny procesor wektorowy z osobną jednostką mnożenia macierzy i świetnie sprawdzają się w każdym zadaniu, w którym dominują duże wielokrotności, takich jak sieci neuronowe.

Ilustracja: gęsta warstwa sieci neuronowej jako efekt mnożenia macierzy, z grupą 8 obrazów przetwarzanych jednocześnie przez sieć neuronową. Sprawdź, czy mnożenie 1 wiersza z kolumną ma ważoną sumę wszystkich wartości pikseli na obrazie. Warstwy splotowe można również przedstawić jako mnożniki macierzy, chociaż jest to nieco bardziej skomplikowane ( wyjaśnienie znajduje się w sekcji 1).

Sprzęt

MXU i VPU

Rdzenie TPU v2 składa się z mnożnej jednostki macierzy (MXU), która uruchamia mnożniki macierzy, oraz jednostki przetwarzania wektorów (VPU) do wszystkich innych zadań, takich jak aktywacje czy softmax. VPU obsługuje obliczenia float32 i int32. MXU działa natomiast w mieszanym, 16-32-bitowym formacie zmiennoprzecinkowym o mieszanej dokładności.

Mieszana precyzja zmiennoprzecinkowa i bfloat16

MXU oblicza mnożniki macierzy, używając danych wejściowych bfloat16 i danych wyjściowych float32. Zbiorcze gromadzenie danych jest wykonywane z dokładnością do float32.

Trenowanie sieci neuronowych jest zwykle odporne na szum generowany przez zmniejszoną precyzję liczby zmiennoprzecinkowej. W niektórych przypadkach szum pomaga nawet uzyskać zgodność optymalizatora. 16-bitowa precyzja zmiennoprzecinkowa jest tradycyjnie używana do przyspieszania obliczeń, ale formaty float16 i float32 mają bardzo różne zakresy. Zmniejszenie precyzji z float32 do float16 zwykle powoduje nadmierne i niedostateczne przepływy. Rozwiązania istnieją, ale do poprawnego działania typu float16 zazwyczaj trzeba się przyłożyć.

W związku z tym firma Google wprowadziła w przypadku jednostek TPU format bfloat16. Argument bfloat16 to skrócona liczba zmiennoprzecinkowa float32 z dokładnie takimi samymi liczbami bitów wykładnika i zakresem jak float32 W związku z tym, że jednostki TPU mnożą macierz obliczeniową z mieszaną precyzją z danymi wejściowymi bfloat16, ale z danymi wyjściowymi float32, oznacza to, że zwykle nie trzeba wprowadzać żadnych zmian w kodzie, aby skorzystać ze zmniejszonej dokładności, aby uzyskać wzrost wydajności.

W jednostkach TPU domyślnie używana jest precyzja mieszanej parametrów bfloat16/float32. Aby włączyć tę funkcję, nie trzeba wprowadzać żadnych zmian w kodzie Tensorflow. W całym kodzie nadal możesz używać parametru float32. Podczas wykonywania mnożenia macierzy TPU automatycznie skróci swoje dane wejściowe do bfloat16. Wynikowa macierz to float32.

Tablica skurczowa

MXU implementuje mnożniki macierzy w sprzęcie za pomocą tak zwanej „tablicy skurczowej” Architektura, w której elementy danych przepływają przez tablicę sprzętowych jednostek obliczeniowych. (W medycynie termin „skurczowy” odnosi się do skurczów serca i przepływu krwi, a tutaj mówimy o przepływie danych.

Podstawowym elementem mnożenia macierzy jest iloczyn skalarny między linią z jednej macierzy a kolumną z drugiej macierzy (zobacz ilustrację u góry tej sekcji). W przypadku mnożenia macierzy Y=X*W jednym z elementów wyniku będzie:

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]

W przypadku GPU można zaprogramować iloczyn skalarny na „rdzeń” GPU a następnie uruchamiaj go na wszystkich „rdzeniach” które są dostępne równolegle, aby spróbować wyliczyć wszystkie wartości wynikowej macierzy jednocześnie. Jeśli wynikowa macierz ma dużą wielkość 128 x 128, to wymagałoby to 128 x 128=16 tys. „rdzeni” co zwykle nie jest możliwe. Największe procesory graficzne mają około 4000 rdzeni. Z kolei TPU używa absolutnego minimum potrzebnego do obsługi jednostek obliczeniowych w MXU: mnożniki (bfloat16 x bfloat16 => float32) i nic więcej. Są one tak małe, że TPU może umieścić ich 16 KB w rozmiarze 128 x 128 MXU i przetworzyć to mnożenie macierzy za jednym razem.

Ilustracja: tablica skurczowa MXU. Elementy obliczeniowe to zasobniki pomnożone. Wartości jednej macierzy są wczytywane do tablicy (czerwone kropki). Wartości innej macierzy przepływają przez tablicę (szare kropki). Linie pionowe propagują wartości w górę. Linie poziome przekazują częściowe sumy. W ramach ćwiczenia dla użytkownika należy sprawdzić, czy w miarę przepływu danych przez tablicę pojawia się wynik mnożenia macierzy po prawej stronie.

Poza tym, chociaż iloczyn skalarny są obliczane na MXU, sumy pośrednie przepływają po prostu między sąsiednimi jednostkami obliczeniowymi. Nie trzeba ich przechowywać ani pobierać do/z pamięci czy nawet do pliku rejestru. W efekcie architektura układów skurczowych TPU charakteryzuje się znaczną gęstością i mocą, a przy mnożeniu macierzy ma istotny wzrost szybkości w porównaniu z GPU.

Cloud TPU

Gdy poprosisz o „ Cloud TPU v2” w Google Cloud Platform otrzymujesz maszynę wirtualną z płytką TPU dołączoną do PCI. Płyta TPU jest wyposażona w 4 dwurdzeniowe układy TPU. Każdy rdzeń TPU obejmuje jednostkę VPU (Vector Processing Unit) i jednostkę mnożenia matriX o wymiarach 128 x 128 MXU. Ta „Cloud TPU” jest zwykle połączony przez sieć z maszyną wirtualną, która go zażądała. Pełny obraz wygląda więc tak:

Ilustracja: maszyna wirtualna z podłączonym siecią „Cloud TPU” akceleratora. „Cloud TPU” jest wykonany z maszyny wirtualnej z płytką TPU dołączoną do PCI i 4 dwurdzeniowymi układami TPU.

Pody TPU

W centrach danych Google jednostki TPU są połączone z połączeniami międzysieciowymi o wysokiej wydajności (HPC), co może sprawić, że będą one postrzegane jako jeden bardzo duży akcelerator. Google nazywa je podami i mogą obejmować do 512 rdzeni TPU v2 lub 2048 rdzeni TPU v3.

Ilustracja: pod TPU v3. Płyty TPU i szafy rackowe połączone za pomocą połączenia międzysieciowego HPC.

Podczas trenowania gradienty są wymieniane między rdzeniami TPU przy użyciu algorytmu all-reduce ( dobre wyjaśnienie funkcji all-reduce znajdziesz tutaj). Wytrenowany model może wykorzystać możliwości sprzętowe, trenując na dużych wsadach.

Ilustracja: synchronizacja gradientów podczas trenowania z wykorzystaniem algorytmu all-reduce w Google TPU w sieci toroidalnej siatki HPC 2-D.

Oprogramowanie

Trenowanie na dużym wsadzie

Idealny rozmiar wsadu dla jednostek TPU to 128 elementów danych na rdzeń TPU, ale sprzęt może już wykazywać dobre wykorzystanie z 8 elementów danych na rdzeń TPU. Pamiętaj, że jedna z Cloud TPU ma 8 rdzeni.

W tym module kodu użyjemy interfejsu Keras API. W Keras określona wsad jest reprezentowana przez globalny rozmiar wsadu dla całej jednostki TPU. Wsady zostaną automatycznie podzielone na 8 i będą uruchamiane w 8 rdzeniach TPU.

Dodatkowe wskazówki dotyczące wydajności znajdziesz w przewodniku po wydajności TPU. W przypadku niektórych modeli należy zachować szczególną ostrożność w przypadku bardzo dużych wsadów. Więcej informacji znajdziesz w artykule LARSOptimizer.

Zaawansowane: XLA

Programy Tensorflow definiują grafy obliczeniowe. TPU nie uruchamia bezpośrednio kodu Pythona, tylko uruchamia wykres obliczeniowy zdefiniowany przez program Tensorflow. Działa w nim kompilator o nazwie XLA (przyspieszony kompilator linearnych algebra), który przekształca graf Tensorflow węzłów obliczeniowych w kod maszyny TPU. Ten kompilator przeprowadza też wiele zaawansowanych optymalizacji kodu i układu pamięci. Kompilacja odbywa się automatycznie, gdy dane są przesyłane do TPU. Nie musisz dodawać XLA do łańcucha tworzenia.

Ilustracja: aby działał w TPU, graf obliczeniowy zdefiniowany w programie Tensorflow jest najpierw przekształcany w reprezentację formatu XLA (przyspieszonego kompilatora algebry liniowej), a następnie skompilowany przez XLA do kodu maszynowego TPU.

Używanie TPU w Keras

Jednostki TPU są obsługiwane przez interfejs Keras API od Tensorflow 2.1. Obsługa Keras działa na TPU i podach TPU. Ten przykład działa z użyciem TPU, GPU i CPU:

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=...)

W tym fragmencie kodu:

• TPUClusterResolver().connect() znajduje jednostkę TPU w sieci. Działa bez parametrów w większości systemów Google Cloud (zadania AI Platform, Colaboratory, Kubeflow, maszyny wirtualne do deep learningu utworzone za pomocą narzędzia „ctpu up”). Dzięki zmiennej środowiskowej TPU_NAME te systemy wiedzą, gdzie znajduje się ich TPU. Jeśli tworzysz TPU ręcznie, ustaw środ. TPU_NAME. zmien. na maszynie wirtualnej, z której go używasz, lub wywołaj funkcję TPUClusterResolver z jawnymi parametrami: TPUClusterResolver(tp_uname, zone, project)
• TPUStrategy to część, która implementuje dystrybucję oraz metodę „all-reduce” algorytm synchronizacji gradientu.
• Strategia jest stosowana za pomocą zakresu. Model musi być zdefiniowany w zakresie strategii (zakres).
• Funkcja tpu_model.fit oczekuje obiektu tf.data.Dataset na potrzeby danych wejściowych na potrzeby trenowania TPU.

Typowe zadania przenoszenia TPU

• Istnieje wiele sposobów wczytywania danych w modelu Tensorflow, ale w przypadku jednostek TPU wymagany jest interfejs API tf.data.Dataset.
• TPU są bardzo szybkie, a przetwarzanie danych często staje się wąskim gardłem działające na nich. W przewodniku po wydajności TPU znajdziesz narzędzia, które pomogą Ci wykrywać wąskie gardła danych i korzystać z innych wskazówek dotyczących wydajności.
• Liczby int8 i int16 są traktowane jako int32. TPU nie ma sprzętu z liczbami całkowitymi działającymi na mniej niż 32 bitach.
• Niektóre operacje Tensorflow nie są obsługiwane. Listę znajdziesz tutaj. Dobra wiadomość jest taka, że to ograniczenie dotyczy tylko kodu trenowania, tj. przekazywania przez model do przodu i do tyłu. Nadal możesz używać wszystkich operacji Tensorflow w potoku danych wejściowych, ponieważ będą one wykonywane na CPU.
• Model tf.py_func nie jest obsługiwany przez TPU.

4. [INFO] Klasyfikator sieci neuronowych 101

W skrócie

Jeśli znasz już wszystkie terminy wyróżnione pogrubieniem w następnym akapicie, możesz przejść do następnego ćwiczenia. Jeśli dopiero zaczynasz przygodę z technologią deep learning, witamy w serwisie i czytaj dalej.

Klasyfikator sieci neuronowej składa się z kilku warstw neuronów. W przypadku klasyfikacji obrazów mogą to być warstwy gęste, a częściej konwolucyjne. Zwykle są one aktywowane przez funkcję aktywacji relu. Ostatnia warstwa używa tyle neuronów, ile jest klas, i jest aktywowana za pomocą funkcji softmax. W przypadku klasyfikacji entropia międzynarodowa to najczęściej wykorzystywana funkcja straty, która porównuje jedno gorące etykiety (tzn. poprawne odpowiedzi) z prawdopodobnymi prawdopodobieństwami przewidzianymi przez sieć neuronowa. Aby zminimalizować straty, najlepiej wybrać optymalizatora dynamiczny, np. AdamOptimizer, i trenować na grupach obrazów i etykiet do trenowania.

W przypadku modeli utworzonych jako sekwencja warstw Keras dostępny jest interfejs Sequential API. Na przykład klasyfikator obrazów wykorzystujący 3 gęste warstwy możesz zapisać w Keraście w taki sposób:

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, ... )

Gęsta sieć neuronowa

Jest to najprostsza sieć neuronowa do klasyfikowania obrazów. Składa się z „neuronów” ułożone w warstwy. Pierwsza warstwa przetwarza dane wejściowe, a potem wprowadza dane wyjściowe do innych warstw. Nazywamy to „gęstym” bo każdy neuron jest połączony ze wszystkimi neuronami w poprzedniej warstwie.

Można przekazać obraz do takiej sieci, spłaszczając wartości RGB wszystkich jego pikseli do długiego wektora i używając go jako danych wejściowych. Nie jest to najlepsza metoda rozpoznawania obrazów, ale postaramy się ją ulepszyć.

Neurony, aktywacje, RELU

„Neuron” oblicza ważoną sumę wszystkich jego danych wejściowych i dodaje wartość zwaną „odchyleniem” i umożliwia stosowanie w niej tzw. „funkcji aktywacji”. Wagi i odchylenia są na początku nieznane. Zostaną zainicjowane losowo i nauczą się je. przez trenowanie sieci neuronowej na wielu znanych danych.

Najpopularniejszą funkcją aktywacji jest RELU (prostej jednostki liniowej). Jest to bardzo prosta funkcja, jak widać na wykresie powyżej.

Aktywacja Softmax

Powyższa sieć kończy się warstwą 5-neuronową, ponieważ kwiaty dzielimy na 5 kategorii (róża, tulipan, mniszek, stokrotka, słonecznik). Neurony w warstwach pośrednich są aktywowane przy użyciu klasycznej funkcji aktywacji RELU. Na ostatniej warstwie chcemy jednak obliczyć liczby z zakresu od 0 do 1, które reprezentują prawdopodobieństwo, że dany kwiat to róża, tulipan itd. W tym celu użyjemy funkcji aktywacji o nazwie „softmax”.

Zastosowanie funkcji softmax do wektora odbywa się przez pobranie wykładniczej każdego pierwiastka, a następnie normalizację wektora, zwykle z użyciem normy L1 (sumy wartości bezwzględnych), tak aby sumy się sumowały do 1 i można je zinterpretować jako prawdopodobieństwa.

Dlaczego "softmax" o nazwie softmax? Funkcja wykładnicza jest funkcją o stromym tempie. Zwiększy to różnice między wyjściowymi neuronami. Następnie podczas normalizacji wektora największy element, który dominuje normę, zostanie znormalizowany do wartości bliskiej 1, podczas gdy pozostałe elementy zostaną podzielone przez dużą wartość i znormalizowane do wartości bliskiej 0. Powstały wektor wektorowy wyraźnie pokazuje, która klasa jest zwycięska (maksymalna), ale zachowuje pierwotną względną kolejność wartości, czyli jest „miękki”.

Utrata entropii krzyżowej

Skoro nasza sieć neuronowa generuje prognozy na podstawie obrazów wejściowych, musimy sprawdzić, na ile są dobre, czyli odległość między informacjami z sieci a prawidłowymi odpowiedziami, często nazywanymi „etykietami”. Pamiętaj, że wszystkie obrazy w zbiorze danych mają prawidłowe etykiety.

Każda odległość byłaby odpowiednia, ale dla problemów klasyfikacyjnych można zastosować tak zwaną „dystans entropii krzyżowej” jest najskuteczniejszy. Nazywamy to błędem lub stratą. funkcja:

„Jedno gorące” kodowanie oznacza, że reprezentujesz etykietę „3) mniszek używając wektora składającego się z 5 wartości, z wyjątkiem trzeciej wartości, czyli 1. Ten wektor reprezentuje 100-procentowe prawdopodobieństwo, że jest to mniszek. Nasza sieć neuronowa również generuje prognozy w postaci wektora 5 wartości prawdopodobieństwa. Łatwo je porównać.

Efekt gradientu

„Szkolenie” sieć neuronowa faktycznie polega na używaniu obrazów i etykiet treningowych do korygowania wag i odchyleń w celu zminimalizowania funkcji utraty entropii krzyżowej. Działa to w następujący sposób.

Entropia krzyżowa jest funkcją wag, odchyleń, pikseli obrazu treningowego i jego znanej klasy.

Jeśli obliczamy częściowe pochodne entropii krzyżowej względem wszystkich wag i wszystkich odchyleń, uzyskujemy „gradient” obliczony dla danego obrazu, etykiety oraz bieżącej wartości wag i odchylenia. Pamiętaj, że możemy mieć miliony wag i odchyleń, więc obliczenie gradientu wymaga sporo wysiłku. Na szczęście robi to za nas Tensorflow. Matematyczną właściwością gradientu jest to, że wskazuje on „do góry”. Chcemy dotrzeć tam, gdzie entropia krzyżowa jest niska, więc idziemy w przeciwną stronę. Wagi i odchylenia aktualizujemy według części gradientu. Następnie robimy to samo w pętli trenowania z kolejnymi partiami obrazów i etykiet do trenowania. Mamy nadzieję, że zjawisko to zbiega się w miejsce, w którym entropia krzyżowa jest minimalna, ale nic nie gwarantuje, że ta minimalna wartość będzie unikalna.

„Tempo uczenia się”: nie można aktualizować wag i uprzedzeń na podstawie całej długości gradientu przy każdej iteracji. To tak jakby pójść na dno doliny z butami siedmioligowymi. Można skakać z jednej strony doliny na drugą. Aby dotrzeć na sam dół, musisz wykonać mniejsze kroki, np. użyć tylko części gradientu, zazwyczaj z zakresu 1/1000. Ten ułamek nazywamy „tempem uczenia się”.

Krótkie partie i pęd

Możesz obliczyć gradient tylko na jednym przykładowym obrazie i od razu zaktualizować wagi i odchylenia, ale w przypadku grupy np. 128 obrazów uzyskasz gradient, który lepiej odpowiada ograniczeniom nałożonym przez różne przykładowe obrazy i z większym prawdopodobieństwem będzie szybciej zbliżyć się do rozwiązania. Wielkość minigrupy, którą można dostosować, jest parametrem.

Technika ta, czasem nazywana „stochastycznym gradientem”, ma jeszcze jedną, bardziej pragmatyczną zaletę: praca z wsadami oznacza również pracę z większymi macierzami, które zwykle łatwiej można zoptymalizować w przypadku układów GPU i TPU.

Zbieżność może być jednak nieco chaotyczna i może nawet zostać zatrzymana, jeśli wektor gradientu składa się wyłącznie ze zera. Czy to oznacza, że znaleźliśmy minimum? Nie zawsze. Minimalna lub maksymalna wartość komponentu gradientu może wynosić zero. W przypadku wektora gradientu zawierającego miliony elementów (jeśli wszystkie są zerami), prawdopodobieństwo, że każde zero odpowiada minimum i żadnym z nich nie znajdzie się w punkcie maksymalnym, jest bardzo małe. W przestrzeni obejmującej wiele wymiarów siedziska są dość powszechne i nie chcemy na nich poprzestać.

Ilustracja: siodło Gradient wynosi 0, ale nie jest on minimalny we wszystkich kierunkach. (Źródło grafiki: Wikimedia: By Nicoguaro – własne materiały, CC BY 3.0)

Rozwiązaniem jest dodanie pewnego pędu do algorytmu optymalizacji, tak aby mógł bez wahania pokonywać kolejne etapy.

Biblioteka Tensorflow udostępnia szeroki zakres optymalizatorów, począwszy od tf.train.GradientDescentOptimizer. Bardziej zaawansowani i popularni optymalizatorzy, którzy są już na tym etapie rozwoju, to tf.train.RMSPropOptimizer lub tf.train.AdamOptimizer.

Słownik

zbiorcze lub małowsadowe: trenowanie jest zawsze wykonywane na grupach danych i etykiet do trenowania. Ułatwia to stosowanie algorytmu. Grupa „zbiorcza” jest zwykle pierwszym wymiarem tensorów danych. Na przykład tensor kształtu [100, 192, 192, 3] zawiera 100 obrazów o wymiarach 192 x 192 piksele, z 3 wartościami na piksel (RGB).

Utrata entropii krzyżowej: specjalna funkcja straty często używana w klasyfikatorach.

gęsta warstwa: warstwa neuronów, w której każdy neuron jest połączony ze wszystkimi neuronami z poprzedniej warstwy.

funkcje: dane wejściowe sieci neuronowej są czasami nazywane „cechami”. Sztuka ustalania, które części zbioru danych (lub ich kombinacje) przekazać do sieci neuronowej w celu uzyskania dobrych prognoz, nosi nazwę „inżynierii cech”.

labels: inna nazwa „zajęć” lub popraw odpowiedzi w rozwiązywaniu zadań z klasyfikacją nadzorowaną

szybkość uczenia się: odsetek gradientu, według którego wagi i odchylenia są aktualizowane w każdej iteracji pętli trenowania.

logits: dane wyjściowe warstwy neuronów przed zastosowaniem funkcji aktywacji są nazywane „logitami”. Termin pochodzi z „funkcji logistycznej” inaczej „funkcja sigmoidalna” która była najpopularniejszą funkcją aktywacyjną. „Dane wyjściowe Neuron przed funkcją logistyki” została skrócona do „logits”.

strata: funkcja błędu porównująca dane wyjściowe sieci neuronowej z prawidłowymi odpowiedziami.

neuron: oblicza ważoną sumę swoich danych wejściowych, dodaje odchylenie i dostarcza wynik przy użyciu funkcji aktywacji.

kodowanie jednorazowe: klasa 3 z 5 jest zakodowana jako wektor pięciu elementów, z wyjątkiem trzeciego, czyli 1.

relu: wyprostowana jednostka liniowa. Popularna funkcja aktywacji neuronów.

sigmoid: inna funkcja aktywacji, która była kiedyś popularna i przydaje się w szczególnych przypadkach.

softmax: specjalna funkcja aktywacji, która działa na wektorze, zwiększa różnicę między największym składnikiem a pozostałymi, a także normalizuje wektor do sumy 1, co umożliwia zinterpretowanie go jako wektora prawdopodobieństw. Używany jako ostatni krok w klasyfikatorach.

tensor: „tensor”; jest jak macierz, ale z dowolną liczbą wymiarów. Jednowymiarowy tensor jest wektorem. Tensor dwuwymiarowy to macierz. Tensory mogą mieć 3, 4, 5 lub więcej wymiarów.

5. [NOWE INFORMACJE] Konwolucyjne sieci neuronowe

W skrócie

Jeśli znasz już wszystkie terminy wyróżnione pogrubieniem w następnym akapicie, możesz przejść do następnego ćwiczenia. Jeśli dopiero zaczynasz korzystać ze splotowych sieci neuronowych, przeczytaj dalszą część artykułu.

Ilustracja: filtrowanie obrazu za pomocą 2 kolejnych filtrów o wymiarach 4 x 4 x 3=48 wag, które można wyuczyć.

Konwolucyjne sieci neuronowe stosują do obrazu wejściowego serię możliwych do nauczenia filtrów. Warstwa splotowa jest definiowana przez rozmiar filtra (lub jądra), liczbę zastosowanych filtrów oraz krok. Dane wejściowe i wyjściowe warstwy splotowej mają 3 wymiary (szerokość, wysokość, liczba kanałów), rozpoczynając od obrazu wejściowego (szerokość, wysokość, kanały RGB). Podczas układania warstw splotowych szerokość i wysokość wyników można dostosować za pomocą kroku >1 lub operacji maksymalnego pulowania. Głębokość danych wyjściowych (nb kanałów) jest dostosowywana za pomocą większej lub mniejszej liczby filtrów.

Tak wygląda prosta splotowa sieć neuronowa w 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'])

Splotowe sieci neuronowe 101

W warstwie sieci splotowej jeden „neuron” wykonuje ważoną sumę pikseli tuż nad nim i tylko na niewielkim obszarze obrazu. Dodaje odchylenie i dostarcza sumę przez funkcję aktywacji, tak jak neuron w regularnej gęstej warstwie. Ta operacja jest następnie powtórzona na całym zdjęciu z tą samą wagą. Pamiętaj, że w gęstych warstwach każdy neuron ma własną wagę. Tutaj jest tylko jedna „poprawka” ciężarów przesuwają się po obrazie w obu kierunkach („splot”). Dane wyjściowe mają tyle wartości, ile jest pikseli na obrazie (wymagane jest jednak pewne dopełnienie na krawędziach). Jest to operacja filtrowania przy użyciu filtra wag 4 x 4=48.

Jednak 48 wag nie wystarczy. Aby dodać więcej stopni swobody, powtarzamy tę samą operację z nowym zestawem wag. Spowoduje to utworzenie nowego zestawu wyników filtra. Nazwijmy go „kanałem”. danych wyjściowych – analogia z kanałami R, G i B obrazu wejściowego.

Dwa (lub więcej) zestawów wag można zsumować jako jeden tensor, dodając nowy wymiar. W ten sposób uzyskamy ogólny kształt tensora wag dla warstwy splotowej. Ponieważ liczba kanałów wejściowych i wyjściowych jest parametrami, możemy zacząć porządkować i łączyć splotowe warstwy.

Ilustracja: splotowa sieć neuronowa przekształca „sześciany” danych na inne „sześciany”, danych.

Sploty kroczące, maksymalna liczba grupowania

Wykonując splot 2 lub 3, możemy również zmniejszyć wynikową kostkę danych w wymiarach poziomych. Można to zrobić na 2 sposoby:

• Splot liniowy: filtr przesuwany jak powyżej, ale z krokiem >1
• Maksymalne łączenie w ramach: przesuwane okno z operacją MAX (zwykle przy 2 × 2 poprawkach, powtarzane co 2 piksele).

Ilustracja: przesunięcie okna przetwarzania o 3 piksele powoduje zmniejszenie wartości wyjściowych. Sploty rozciągnięte lub maksymalne złączenie (maks. przy przesuwaniu okna 2 x 2 o krok 2) to sposób zmniejszania kostki danych w wymiarach poziomych.

„Maksymalna liczba pul” może pomóc intuicyjnie zrozumieć, jak działają sieci splotowe: jeśli przypuszczasz, że podczas trenowania plamy ciężarów zmieniają się w filtry rozpoznające podstawowe kształty (linie poziome i pionowe, krzywe itd.), jednym ze sposobów na zebranie użytecznych informacji jest przechodzenie przez warstwy, w których kształt został rozpoznany z maksymalną intensywnością. W praktyce w warstwie maksymalnej wielkości neuronów dane wyjściowe neuronów są przetwarzane w grupach 2 x 2 i zachowywana jest tylko wartość maksymalna.

Klasyfikator synwolucyjny

Na koniec przypinamy głowę klasyfikacji, spłaszczając ostatnią kostkę danych i karmiąc ją przez gęstą, aktywowaną warstwę softmax. Typowy klasyfikator splotowy może wyglądać tak:

Ilustracja: klasyfikator obrazów wykorzystujący warstwy splotowe i softmax. Wykorzystuje filtry 3 x 3 i 1 x 1. Warstwy maksymalnej puli przyjmują maksymalną liczbę grup 2 x 2 punktów danych. Nagłówek klasyfikacji jest wdrożony z gęstą warstwą z aktywacją funkcji softmax.

W Keraście

Stos splotowy przedstawiony powyżej można zapisać w Keras w następujący sposób:

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'])

Parametr dopełnienia w warstwach splotowych może mieć 2 wartości:

• "same": wypełnienie ze zerami, co pozwala uzyskać dane wyjściowe o takiej samej szerokości/wysokości jak dane wejściowe
• „prawidłowe”: bez dopełnienia, użyj tylko prawdziwych pikseli.

6. Konw. niestandardowa

Ćwiczenie

Zbudujemy i wytrenujemy splotową sieć neuronowa od zera. Użycie TPU pozwoli nam bardzo szybko wprowadzać poprawki. Otwórz ten notatnik, uruchom komórki (Shift + ENTER) i postępuj zgodnie z instrukcjami w miejscu, w którym pojawia się komunikat „WYMAGANE PRACY”. .

Keras_Flowers_TPU (playground).ipynb

Celem jest przekroczenie 75% dokładności modelu uczenia się przenoszenia. Ten model ma tę zaletę, że został wstępnie wytrenowany na zbiorze danych składających się z milionów obrazów, podczas gdy mamy tutaj tylko 3670 obrazów. Czy uda Ci się chociaż je dopasować?

Informacje dodatkowe

Ile warstw i jaka jest ich rozmiar?

Wybór rozmiarów warstw to coś więcej niż sztuka. Trzeba znaleźć równowagę między zbyt małą liczbą parametrów a zbyt dużą liczbą parametrów (wag i uprzedzeń). Przy zbyt małej wadze sieć neuronowa nie jest w stanie reprezentować złożoności kształtów kwiatów. Zbyt duża ich liczba może powodować nadmierne dopasowanie, czyli brak specjalizacji w obrazach szkoleniowych i brak uogólnień. W przypadku dużej liczby parametrów trenowanie modelu będzie też powolne. W Keras funkcja model.summary() wyświetla strukturę i liczbę parametrów modelu:

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
_________________________________________________________________

Kilka wskazówek:

• To właśnie dzięki temu jest „głębokim” i skuteczne sieci neuronowe. W przypadku tego prostego zadania rozpoznawania kwiatów sensowne jest od 5 do 10 warstw.
• Używaj małych filtrów. Zwykle filtry 3 x 3 są dobre wszędzie.
• Można też stosować tanie filtry 1 x 1. W rzeczywistości nie „filtrują”, nie tylko obliczać liniowe kombinacje kanałów. Zamiast nich użyj prawdziwych filtrów. (Więcej informacji o „splotach 1 x 1” znajdziesz w następnej sekcji).
• W przypadku takiego problemu z klasyfikacją staraj się często przeprowadzać próbkowanie z użyciem maksymalnej liczby warstw puli (lub splotów z krokiem >1). Nie jest istotne, gdzie jest kwiat. Chodzi jedynie o to, że jest to róża czy mniszek, więc utrata informacji o wartościach x i y nie ma znaczenia, a filtrowanie mniejszych obszarów jest tańsze.
• Liczba filtrów zwykle staje się podobna do liczby klas na końcu sieci (dlaczego? Zobacz poniżej trik „średnia globalna w pulacji”). Jeśli podzielisz się na setki klas, zwiększaj ich liczbę w kolejnych warstwach. W przypadku zbioru danych z kwiatami z 5 klasami filtrowanie za pomocą tylko 5 filtrów nie wystarczy. Możesz użyć tej samej liczby filtrów w większości warstw, np. 32, i zmniejszyć ją do końca.
• Ostatnie gęste warstwy są drogie. Mogą mieć większą wagę niż wszystkie splotowe warstwy łącznie. Na przykład nawet przy bardzo uzasadnionych danych wyjściowych z ostatniej kostki 24 x 24 x 10 punktów danych, warstwa o gęstej gęstości 100 neuronów kosztowałaby 24 x 24 x 10 x 100=576 000 wag !!! Podejdź do tego tematu bardziej rozsądnie lub wypróbuj łączenie danych ze średniej wielkości globalnej (patrz poniżej).

Globalny pulowanie średniej

Zamiast korzystać z drogi, gęstej warstwy na końcu splotowej sieci neuronowej, możesz podzielić przychodzące dane „sześcianem” na tyle części, ile masz klas, uśredniać ich wartości i wprowadzać je za pomocą funkcji aktywacji softmax. Ten sposób tworzenia nagłówka klasyfikacji kosztuje 0 wag. W Keras składnia to tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D().

Konwolucyjne sieci neuronowe wykrywają lokalizację obiektów. Jeśli filtr stosuje silną reakcję na jakąś funkcję, dzieje się tak w określonej lokalizacji x,y. W zależności od tego, co chcesz zrobić, sieć neuronowa można wytrenować tak, aby używała lub odrzucała te dane o lokalizacji. Użycie globalnej puli średniej powoduje jawne odrzucenie wszystkich danych o lokalizacji. Może to być dobre rozwiązanie w przypadku klasyfikatora kwiatów, ale nie w przypadku innych zadań, takich jak liczenie kwiatów na zdjęciu. Używaj z rozwagą.

Rozwiązanie

Oto notatnik rozwiązań. Możesz go użyć, jeśli napotkasz problemy.

Keras_Flowers_TPU (solution).ipynb

Omówione zagadnienia

• 🤔 W tej grze z splotowymi warstwami
• 🤓 Eksperymentujesz z maksymalną liczbą basenów, krokami, globalnymi wspólnymi pulami...
• 😀 powtórzono szybkie rozwiązanie na rzeczywistym modelu z TPU

Poświęć chwilę na przejrzenie tej listy kontrolnej.

7. Gratulacje!

Udało Ci się zbudować pierwszą nowoczesną splotową sieć neuronową i wytrenować ją do ponad 80% dokładności, a dzięki TPU – już w kilka minut. Przejdź do następnego modułu, aby dowiedzieć się więcej o nowoczesnej architekturze konwolucyjnej:

• Potoki danych działające z szybkością TPU: tf.data.Dataset i TFRecords
• Twój pierwszy model Keras z nauką przenoszenia
• [THIS LAB] Splotowe sieci neuronowe wykorzystujące Keras i TPU
• Nowoczesne konwnety, squeezenet, Xception z wykorzystaniem Keras i TPU

TPU w praktyce

Układy TPU i GPU są dostępne w Cloud AI Platform:

• na maszynach wirtualnych deep learning.
• W Notatkach w AI Platform
• w zadaniach AI Platform Training,

Bardzo zależy nam na opiniach użytkowników. Daj nam znać, jeśli zauważysz, że w tym module coś jest nie tak lub jeśli uważasz, że coś jest nie tak. Opinię można przesłać, korzystając z formularza dotyczącego problemów na GitHubie [link do przesyłania opinii].

Autor: Martin Görner Twitter: @martin_gorner

www.tensorflow.org