Thông tin về lớp học lập trình này
1. Tổng quan
Trong phòng thí nghiệm này, bạn sẽ tìm hiểu cách tập hợp lớp tích chập thành một mô hình mạng nơron có thể nhận dạng hoa. Lần này, bạn sẽ tự xây dựng mô hình từ đầu và sử dụng sức mạnh của TPU để huấn luyện mô hình đó chỉ trong vài giây cũng như lặp lại thiết kế của mô hình.
Phòng thí nghiệm này đưa ra những nội dung giải thích lý thuyết cần thiết về mạng nơron tích chập và là xuất phát điểm phù hợp để các nhà phát triển tìm hiểu về công nghệ học sâu.
Phòng thí nghiệm này là Phần 3 của "Keras on TPU" (Keras trên TPU) loạt phim. Bạn có thể thực hiện các bước này theo thứ tự sau hoặc riêng lẻ.
- Quy trình dữ liệu tốc độ TPU: tf.data.Dataset và TFRecords
- Mô hình Keras đầu tiên của bạn có công nghệ học chuyển
- [This LAB] Mạng nơron tích chập, với Keras và TPU
- Convnet hiện đại, Chromiumnet, Xception, với Keras và TPU
Kiến thức bạn sẽ học được
- Xây dựng thuật toán phân loại hình ảnh tích chập bằng mô hình Keras Tuần tự.
- Cách huấn luyện mô hình Keras trên TPU
- Để tinh chỉnh mô hình của bạn bằng một lựa chọn tốt về các lớp tích chập.
Phản hồi
Nếu bạn thấy có thiếu sót trong lớp học lập trình này, vui lòng cho chúng tôi biết. Bạn có thể cung cấp ý kiến phản hồi thông qua các vấn đề trên GitHub [ feedback link].
2. Bắt đầu nhanh với Google Colaboratory
Phòng thí nghiệm này sử dụng tính năng Cộng tác của Google và bạn không cần phải thiết lập. Colaboratory là một nền tảng sổ tay trực tuyến dành cho mục đích giáo dục. Công cụ này cung cấp chương trình đào tạo miễn phí về CPU, GPU và TPU.
Bạn có thể mở sổ tay mẫu này và xem qua một số ô để làm quen với Colaboratory.
Chọn phần phụ trợ TPU
Trong trình đơn Colab, hãy chọn Thời gian chạy > Thay đổi loại thời gian chạy rồi chọn TPU. Trong lớp học lập trình này, bạn sẽ sử dụng một TPU (Bộ xử lý cảm biến) mạnh mẽ được hỗ trợ để huấn luyện có tăng tốc phần cứng. Kết nối với môi trường thời gian chạy sẽ tự động diễn ra trong lần thực thi đầu tiên, hoặc bạn có thể dùng tính năng "Kết nối" ở góc trên bên phải.
Thực thi trên sổ tay
Thực thi lần lượt từng ô bằng cách nhấp vào một ô và sử dụng Shift-ENTER. Bạn cũng có thể chạy toàn bộ sổ tay bằng Thời gian chạy > Chạy tất cả
Mục lục
Tất cả sổ tay đều có mục lục. Bạn có thể mở mục này bằng mũi tên màu đen ở bên trái.
Các ô bị ẩn
Một số ô sẽ chỉ hiển thị tiêu đề. Đây là một tính năng của sổ tay dành riêng cho Colab. Bạn có thể nhấp đúp vào chúng để xem mã bên trong nhưng thường không được thú vị lắm. Thường có các hàm hỗ trợ hoặc trực quan hoá. Bạn vẫn cần phải chạy các ô này để các hàm bên trong được xác định.
Xác thực
Colab có thể truy cập vào bộ chứa riêng tư của bạn trong Google Cloud Storage, miễn là bạn xác thực bằng một tài khoản được uỷ quyền. Đoạn mã trên sẽ kích hoạt quá trình xác thực.
3. [THÔNG TIN] Đơn vị xử lý Tensor là gì?
Tóm tắt
Mã để huấn luyện một mô hình trên TPU trong Keras (và quay lại sử dụng GPU hoặc CPU nếu không có TPU):
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=...)
Hôm nay, chúng tôi sẽ dùng TPU để xây dựng và tối ưu hoá thuật toán phân loại hoa với tốc độ tương tác (số phút mỗi lượt chạy huấn luyện).
Tại sao nên chọn TPU?
Các GPU hiện đại được sắp xếp dựa trên các "lõi" có thể lập trình được, một cấu trúc rất linh hoạt cho phép chúng xử lý nhiều tác vụ như kết xuất 3D, học sâu, mô phỏng vật lý, v.v. Mặt khác, TPU sẽ ghép nối một bộ xử lý vectơ cổ điển với đơn vị nhân ma trận chuyên dụng và vượt trội ở bất kỳ nhiệm vụ nào mà các phép nhân ma trận lớn chiếm ưu thế, chẳng hạn như mạng nơron.
Hình minh hoạ: một lớp mạng nơron dày đặc dưới dạng phép nhân ma trận, với một loạt 8 hình ảnh được xử lý thông qua mạng nơron cùng một lúc. Vui lòng thực hiện phép nhân một dòng x cột để xác minh rằng hàm này thực sự đang tính tổng tất cả giá trị pixel của một hình ảnh có trọng số. Lớp tích chập cũng có thể được biểu diễn dưới dạng phép nhân ma trận mặc dù quy trình này phức tạp hơn một chút ( phần giải thích ở đây, trong phần 1).
Phần cứng
MXU và VPU
Lõi TPU v2 được tạo thành từ Đơn vị nhân ma trận (MXU) chạy phép nhân ma trận và Bộ xử lý vectơ (VPU) cho tất cả các tác vụ khác như kích hoạt, mềm tối đa, v.v. VPU xử lý các phép tính float32 và int32. Mặt khác, MXU hoạt động ở định dạng dấu phẩy động 16-32 bit có độ chính xác hỗn hợp.
Dấu phẩy động có độ chính xác kết hợp và bfloat16
MXU tính các phép nhân ma trận bằng cách sử dụng đầu vào bfloat16 và đầu ra float32. Việc tích luỹ trung gian được thực hiện với độ chính xác float32.
Quá trình huấn luyện mạng nơron thường có khả năng chống lại tiếng ồn do độ chính xác của dấu phẩy động giảm. Có những trường hợp mà nhiễu thậm chí còn giúp trình tối ưu hoá hội tụ. Độ chính xác của dấu phẩy động 16 bit theo truyền thống đã được sử dụng để tăng tốc tính toán nhưng các định dạng float16 và float32 có phạm vi rất khác nhau. Việc giảm độ chính xác từ float32 xuống float16 thường dẫn đến hiện tượng tràn qua và chạy dưới luồng. Đã có các giải pháp nhưng thường bạn cần thực hiện thêm một số thao tác để float16 hoạt động.
Đó là lý do Google giới thiệu định dạng bfloat16 trong TPU. bfloat16 là float32 bị cắt bớt với chính xác các bit và phạm vi số mũ giống như float32. Điều này thêm vào thực tế là các phép nhân ma trận tính toán của TPU với độ chính xác hỗn hợp với đầu vào bfloat16 nhưng đầu ra float32, có nghĩa là thường không cần thay đổi mã để hưởng lợi từ mức tăng hiệu suất khi độ chính xác giảm.
Mảng tâm thu
MXU triển khai phép nhân ma trận trong phần cứng bằng cách sử dụng cái gọi là "mảng tâm thu" cấu trúc trong đó các phần tử dữ liệu chuyển qua một mảng gồm các đơn vị tính toán phần cứng. (Trong y học, "tâm thu" dùng để chỉ các cơn co thắt tim và lưu lượng máu, đây là dòng dữ liệu.)
Phần tử cơ bản của phép nhân ma trận là tích dấu chấm giữa một đường của một ma trận và một cột của ma trận khác (xem hình minh hoạ ở đầu phần này). Đối với phép nhân ma trận Y=X*W, một phần tử của kết quả sẽ là:
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]
Trên GPU, người ta sẽ lập trình sản phẩm chấm này thành một "lõi" GPU rồi thực thi trên bao nhiêu "lõi" song song để thử và tính toán mọi giá trị của ma trận thu được cùng một lúc. Nếu ma trận thu được có kích thước lớn 128x128, thì điều đó sẽ yêu cầu 128x128=16K "lõi" sẵn có mà thường không thể có. Các GPU lớn nhất có khoảng 4.000 lõi. Mặt khác, TPU sử dụng phần cứng tối thiểu cho các đơn vị điện toán trong MXU: chỉ bfloat16 x bfloat16 => float32 bộ tích luỹ, không có gì khác. Chúng nhỏ đến mức một TPU có thể triển khai 16K trong số đó ở MXU 128x128 và xử lý phép nhân ma trận này trong một lần.
Hình minh hoạ: mảng tâm thu MXU. Các phần tử điện toán là các giá trị tích luỹ nhân. Các giá trị của một ma trận được tải vào mảng (các chấm màu đỏ). Các giá trị của ma trận khác đi qua mảng (các chấm màu xám). Các đường dọc sẽ truyền giá trị lên trên. Các đường ngang truyền tổng một phần. Bên phải là một bài tập dành cho người dùng để xác minh rằng khi dữ liệu di chuyển qua mảng, bạn sẽ nhận được kết quả của phép nhân ma trận ở phía bên phải.
Ngoài ra, trong khi các tích vô hướng được tính trong một MXU, các tổng trung gian chỉ trao đổi qua lại giữa các đơn vị điện toán liền kề. Chúng không cần được lưu trữ và truy xuất vào/từ bộ nhớ hoặc thậm chí không cần tệp đăng ký. Kết quả cuối cùng là kiến trúc mảng tâm thu TPU có lợi thế đáng kể về mật độ và năng lượng, cũng như lợi thế tốc độ không nhỏ so với GPU khi tính toán các phép nhân ma trận.
TPU đám mây
Khi bạn yêu cầu " Cloud TPU phiên bản 2" trên Google Cloud Platform, bạn sẽ nhận được một máy ảo (VM) có bảng TPU gắn PCI. Bảng TPU có bốn chip TPU lõi kép. Mỗi lõi TPU có một VU (Bộ xử lý vectơ) và một Đơn vị nhân matriX (MatriX nhân) 128x128. "Cloud TPU" này thường được kết nối qua mạng với máy ảo đã yêu cầu. Do đó, toàn bộ thông tin sẽ có dạng như sau:
Hình minh hoạ: máy ảo có một "Cloud TPU" kết nối mạng trình tăng tốc. "Cloud TPU" một chiếc máy ảo được trang bị một bo mạch TPU gắn PCI với 4 chip TPU lõi kép.
Nhóm TPU
Trong các trung tâm dữ liệu của Google, TPU được kết nối với một kết nối điện toán hiệu suất cao (HPC). Nhờ vậy, chúng có thể xuất hiện như một trình tăng tốc rất lớn. Google gọi chúng là các nhóm và chúng có thể bao gồm tối đa 512 lõi TPU v2 hoặc 2048 lõi TPU v3.
Hình minh hoạ: một nhóm TPU phiên bản 3. Các bo mạch và giá đỡ TPU được kết nối thông qua kết nối HPC.
Trong quá trình huấn luyện, độ dốc được trao đổi giữa các nhân TPU bằng cách sử dụng thuật toán all-reduce ( giải thích rõ về all-reduce ở đây). Mô hình đang được huấn luyện có thể tận dụng phần cứng bằng cách huấn luyện các lô có kích thước lớn.
Hình minh hoạ: đồng bộ hoá độ dốc trong quá trình huấn luyện bằng thuật toán giảm tất cả trên mạng HPC lưới 2-D của Google TPU.
Phần mềm
Đào tạo theo lô lớn
Kích thước lô lý tưởng cho TPU là 128 mục dữ liệu trên mỗi lõi TPU, nhưng phần cứng đã có thể cho thấy khả năng sử dụng tốt từ 8 mục dữ liệu trên mỗi lõi TPU. Hãy nhớ rằng một Cloud TPU có 8 nhân.
Trong lớp học lập trình này, chúng ta sẽ sử dụng Keras API. Trong Keras, lô mà bạn chỉ định là kích thước lô chung cho toàn bộ TPU. Các lô của bạn sẽ tự động được chia thành 8 và chạy trên 8 lõi của TPU.
Để biết thêm các mẹo về hiệu suất, hãy xem Hướng dẫn về hiệu suất của TPU. Đối với kích thước lô rất lớn, có thể bạn cần đặc biệt chú ý trong một số mô hình. Hãy xem bài viết LARSOptimizer để biết thêm thông tin chi tiết.
Nâng cao: XLA
Các chương trình Tensorflow xác định các đồ thị tính toán. TPU không trực tiếp chạy mã Python mà chạy biểu đồ tính toán do chương trình Tensorflow của bạn xác định. Trong trường hợp này, một trình biên dịch có tên là XLA (trình biên dịch Đại số tuyến tính tăng tốc) sẽ biến đổi đồ thị Tensorflow của các nút tính toán thành mã máy TPU. Trình biên dịch này cũng thực hiện nhiều hoạt động tối ưu hoá nâng cao cho mã và bố cục bộ nhớ của bạn. Quá trình biên dịch tự động diễn ra khi công việc được gửi đến TPU. Bạn không cần phải đưa XLA vào chuỗi bản dựng của mình một cách rõ ràng.
Hình minh hoạ: để chạy trên TPU, trước tiên, biểu đồ tính toán do chương trình Tensorflow xác định sẽ được dịch sang biểu diễn XLA (trình biên dịch đại số tuyến tính tăng tốc), sau đó được XLA biên dịch thành mã máy TPU.
Sử dụng TPU trong Keras
TPU được hỗ trợ thông qua API Keras kể từ Tensorflow 2.1. Tính năng hỗ trợ của Keras hoạt động trên các nhóm TPU và TPU. Sau đây là một ví dụ hoạt động trên TPU, GPU và 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=...)
Trong đoạn mã này:
TPUClusterResolver().connect()tìm thấy TPU trên mạng. API này hoạt động mà không cần tham số trên hầu hết hệ thống của Google Cloud (công việc của Nền tảng AI, Colaboratory, Kubeflow, máy ảo học sâu được tạo thông qua tiện ích "ctpu up"). Những hệ thống này biết được TPU của chúng ở đâu nhờ một biến môi trường TPU_NAME. Nếu bạn tạo TPU theo cách thủ công, hãy thiết lập môi trường TPU_NAME. biến thể trên máy ảo bạn đang dùng hoặc gọiTPUClusterResolvervới các tham số rõ ràng:TPUClusterResolver(tp_uname, zone, project)TPUStrategylà bộ phận triển khai quy trình phân phối và tính năng "all-reduce" thuật toán đồng bộ hoá độ dốc.- Chiến lược được áp dụng theo phạm vi. Mô hình phải được xác định trong phạm vi chiến lược().
- Hàm
tpu_model.fitcần một đối tượng tf.data.Dataset làm dữ liệu đầu vào để huấn luyện TPU.
Các thao tác phổ biến khi chuyển TPU
- Mặc dù có nhiều cách tải dữ liệu trong mô hình Tensorflow, nhưng đối với TPU, bạn bắt buộc phải sử dụng API
tf.data.Dataset. - TPU rất nhanh và việc nhập dữ liệu thường trở thành điểm tắc nghẽn khi chạy trên chúng. Bạn có thể sử dụng các công cụ để phát hiện điểm tắc nghẽn về dữ liệu và các mẹo khác về hiệu suất trong Hướng dẫn về hiệu suất của TPU.
- Số int8 hoặc int16 được coi là int32. TPU không có phần cứng số nguyên hoạt động trên 32 bit.
- Một số thao tác Tensorflow không được hỗ trợ. Danh sách này có tại đây. Tin vui là giới hạn này chỉ áp dụng cho mã huấn luyện, tức là truyền tiến và lùi thông qua mô hình của bạn. Bạn vẫn có thể sử dụng tất cả thao tác Tensorflow trong quy trình nhập dữ liệu vì thao tác này sẽ được thực thi trên CPU.
tf.py_funckhông được hỗ trợ trên TPU.
4. [INFO] Thuật toán phân loại mạng nơron 101
Tóm tắt
Nếu bạn đã biết tất cả những thuật ngữ in đậm trong đoạn tiếp theo, thì bạn có thể chuyển sang bài tập tiếp theo. Nếu bạn chỉ mới bắt đầu sử dụng công nghệ học sâu, vui lòng đọc tiếp.
Đối với các mô hình được xây dựng dưới dạng một trình tự các lớp, Keras cung cấp API tuần tự. Ví dụ: thuật toán phân loại hình ảnh sử dụng ba lớp dày đặc có thể được viết trong Keras như sau:
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, ... )
Mạng nơron dày đặc
Đây là mạng nơron đơn giản nhất để phân loại hình ảnh. Nó được tạo thành từ các "nơ-ron" được sắp xếp theo lớp. Lớp đầu tiên xử lý dữ liệu đầu vào và cấp dữ liệu đầu ra của nó vào các lớp khác. Nó được gọi là "dày đặc" vì mỗi nơron được kết nối với tất cả các nơron trong lớp trước.
Bạn có thể đưa hình ảnh vào một mạng như vậy bằng cách làm phẳng các giá trị RGB của tất cả các pixel của hình ảnh đó thành một vectơ dài và sử dụng hình ảnh đó làm đầu vào. Đây không phải là kỹ thuật tốt nhất để nhận dạng hình ảnh nhưng chúng tôi sẽ cải thiện kỹ thuật này sau.
nơ-ron, kích hoạt, RELU
Một "nơ-ron" tính tổng có trọng số của tất cả các đầu vào, rồi cộng một giá trị được gọi là "độ lệch" và cung cấp kết quả thông qua cái gọi là "hàm kích hoạt". Lúc đầu, trọng số và độ chệch không được xác định. Chúng sẽ được khởi tạo ngẫu nhiên và "đã học" bằng cách huấn luyện mạng nơron dựa trên nhiều dữ liệu đã biết.
Hàm kích hoạt phổ biến nhất có tên là RELU cho Đơn vị tuyến tính đã chỉnh sửa. Đây là một hàm rất đơn giản như bạn có thể thấy trong biểu đồ ở trên.
Kích hoạt Softmax
Mạng lưới ở trên kết thúc bằng một lớp 5 tế bào thần kinh vì chúng ta đang phân loại hoa thành 5 loại (hoa hồng, hoa tulip, bồ công anh, hoa cúc, hoa hướng dương). Nơ-ron trong lớp trung gian được kích hoạt bằng hàm kích hoạt RELU cổ điển. Tuy nhiên, ở lớp cuối cùng, chúng ta muốn tính toán các số từ 0 đến 1 thể hiện xác suất để bông hoa này là hoa hồng, hoa tulip, v.v. Để làm được điều này, chúng tôi sẽ sử dụng chức năng kích hoạt có tên là "softmax".
Áp dụng softmax trên một vectơ được thực hiện bằng cách lấy số mũ của từng phần tử và sau đó chuẩn hoá vectơ, thường sử dụng định mức L1 (tổng các giá trị tuyệt đối) để các giá trị cộng lại bằng 1 và có thể được hiểu là xác suất.
Tổn thất entropy
Giờ đây, mạng nơron của chúng ta tạo ra các dự đoán từ hình ảnh đầu vào, chúng ta cần đo lường mức độ tốt của chúng, tức là khoảng cách giữa những gì mạng cho chúng ta biết và các câu trả lời chính xác, thường được gọi là "nhãn". Hãy nhớ rằng chúng tôi có nhãn chính xác cho tất cả hình ảnh trong tập dữ liệu.
Bất kỳ khoảng cách nào cũng được, nhưng đối với các bài toán phân loại, khoảng cách được gọi là "khoảng cách entropy chéo" là cách hiệu quả nhất. Chúng tôi sẽ gọi đây là lỗi của mình hay "mất mát" hàm:
Xuống kiểu chuyển màu
"Huấn luyện" mạng nơron thực ra là sử dụng hình ảnh và nhãn huấn luyện để điều chỉnh trọng số và độ chệch sao cho giảm thiểu hàm mất entropy. Dưới đây là cách thức hoạt động.
Entropy chéo là một hàm của trọng số, độ chệch, pixel của hình ảnh huấn luyện và lớp đã biết của hình ảnh đó.
Nếu chúng ta tính các đạo hàm riêng của entropy chéo tương đối với tất cả các trọng số và tất cả độ chệch, chúng ta sẽ có được độ dốc, được tính cho một hình ảnh, nhãn, giá trị hiện tại của trọng số và độ chệch. Hãy nhớ rằng chúng ta có thể có hàng triệu trọng số và độ lệch, vì vậy việc tính toán độ dốc nghe có vẻ mất nhiều công sức. Rất may là Tensorflow sẽ giúp chúng tôi làm việc này. Thuộc tính toán học của dải chuyển màu là nó trỏ "lên trên". Vì muốn đi tới nơi có giá trị chéo entropy thấp, nên chúng ta đi theo hướng ngược lại. Chúng tôi cập nhật trọng số và độ chệch theo một phần nhỏ của độ dốc. Sau đó, chúng ta làm tương tự nhiều lần bằng cách sử dụng các lô hình ảnh và nhãn huấn luyện tiếp theo trong một vòng lặp huấn luyện. Hy vọng rằng giá trị này hội tụ đến một nơi mà giá trị chéo entropy là tối thiểu, mặc dù không có gì đảm bảo rằng giá trị tối thiểu này là duy nhất.
Nhóm nhỏ và động lượng
Bạn có thể tính toán độ dốc của mình chỉ trên một hình ảnh ví dụ và cập nhật ngay lập tức trọng số và độ chệch, nhưng làm như vậy trên một loạt, ví dụ 128 hình ảnh sẽ tạo ra một độ dốc thể hiện tốt hơn các hạn chế do các hình ảnh mẫu khác nhau áp đặt và do đó có khả năng hội tụ về phía giải pháp nhanh hơn. Kích thước của lô nhỏ là một tham số có thể điều chỉnh.
Kỹ thuật này, đôi khi được gọi là "giảm độ dốc ngẫu nhiên" có một lợi ích khác thực tế hơn: xử lý các lô cũng có nghĩa là làm việc với các ma trận lớn hơn và các ma trận này thường dễ tối ưu hoá trên GPU và TPU hơn.
Tuy nhiên, sự hội tụ vẫn có thể hơi hỗn loạn và thậm chí có thể dừng nếu vectơ chuyển màu đều bằng 0. Có phải điều đó có nghĩa là chúng tôi đã tìm ra mức tối thiểu không? Không phải lúc nào cũng vậy. Thành phần độ dốc có thể bằng 0 trên giá trị tối thiểu hoặc tối đa. Với vectơ độ dốc có hàng triệu phần tử, nếu tất cả các phần tử đều bằng 0, xác suất mà mọi số 0 đều tương ứng với giá trị tối thiểu và không có phần tử nào trong số đó đạt điểm tối đa là khá nhỏ. Trong một không gian có nhiều chiều, các điểm yên khá phổ biến và chúng tôi không muốn dừng lại ở đó.
Hình minh hoạ: một điểm yên xe. Độ dốc là 0 nhưng không phải là giá trị nhỏ nhất theo mọi hướng. (Ghi nhận tác giả hình ảnh Wikimedia: Của Nicoguaro – Tác phẩm riêng, CC BY 3.0)
Giải pháp là thêm động lượng vào thuật toán tối ưu hoá để thuật toán có thể vượt qua các điểm an toàn mà không dừng lại.
Bảng thuật ngữ
Lô hoặc lô nhỏ: quá trình huấn luyện luôn được thực hiện trên các lô dữ liệu và nhãn huấn luyện. Làm như vậy sẽ giúp thuật toán hội tụ. "Lô" thường là chiều đầu tiên của tensor dữ liệu. Ví dụ: tensor có hình dạng [100, 192, 192, 3] chứa 100 hình ảnh có kích thước 192x192 pixel với ba giá trị mỗi pixel (RGB).
mất entropy chéo: một hàm mất đặc biệt thường dùng trong thuật toán phân loại.
lớp dày đặc: một lớp nơron trong đó mỗi nơron được kết nối với tất cả các nơron trong lớp trước.
tính năng: đầu vào của mạng nơron đôi khi được gọi là "tính năng". Nghệ thuật xác định các phần nào của tập dữ liệu (hoặc tổ hợp các phần) cần đưa vào mạng nơron để có được các dự đoán chính xác được gọi là "kỹ thuật tính năng".
nhãn: tên khác của "lớp học" hoặc câu trả lời chính xác trong một bài toán phân loại được giám sát
tốc độ học tập: tỷ lệ độ dốc mà theo đó trọng số và độ chệch được cập nhật ở mỗi lần lặp lại của vòng lặp huấn luyện.
logit: dữ liệu đầu ra của một lớp nơron trước khi áp dụng hàm kích hoạt được gọi là "logit". Thuật ngữ này bắt nguồn từ "hàm logistic" còn gọi là "hàm sigmoid" từng là chức năng kích hoạt phổ biến nhất. "Đầu ra nơron trước hàm logistic" đã được rút ngắn thành "logits".
loss: hàm lỗi so sánh đầu ra của mạng nơron với câu trả lời đúng
nơ-ron: tính toán tổng có trọng số của các giá trị đầu vào, thêm độ chệch và cung cấp kết quả thông qua một hàm kích hoạt.
mã hoá một nóng: lớp 3/5 được mã hoá dưới dạng một vectơ gồm 5 phần tử, tất cả đều là số 0, ngoại trừ phần thứ 3 là 1.
relu: đơn vị tuyến tính đã chỉnh sửa. Một hàm kích hoạt phổ biến cho nơron.
sigmoid: một hàm kích hoạt khác từng phổ biến và hiện vẫn hữu ích trong các trường hợp đặc biệt.
softmax: một hàm kích hoạt đặc biệt hoạt động trên một vectơ, tăng hiệu số giữa thành phần lớn nhất và tất cả các thành phần khác, đồng thời chuẩn hoá vectơ có tổng bằng 1 để có thể hiểu vectơ đó là vectơ xác suất. Được dùng làm bước cuối cùng trong thuật toán phân loại.
tensor: "tensor" giống như ma trận nhưng có số lượng kích thước tuỳ ý. Tensor 1 chiều là một vectơ. Tensor 2 chiều là một ma trận. Và sau đó bạn có thể có các tensor với 3, 4, 5 hoặc nhiều chiều.
5. [THÔNG TIN MỚI] Mạng nơron tích chập
Tóm tắt
Nếu bạn đã biết tất cả những thuật ngữ in đậm trong đoạn tiếp theo, thì bạn có thể chuyển sang bài tập tiếp theo. Nếu bạn chỉ mới bắt đầu sử dụng mạng nơron tích chập, vui lòng đọc tiếp.
Hình minh hoạ: lọc một hình ảnh có hai bộ lọc liên tiếp có kích thước 4x4x3=48 trọng số có thể học.
Sau đây là giao diện của một mạng nơron tích chập đơn giản trong 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'])
Mạng nơron tích chập 101
Trong một lớp của mạng tích chập, một "nơron" tính tổng các pixel có trọng số ngay phía trên, chỉ qua một vùng nhỏ của hình ảnh. Phương pháp này thêm độ chệch và cung cấp giá trị tổng thông qua một hàm kích hoạt, giống như một nơron trong một lớp dày đặc thông thường. Sau đó, thao tác này được lặp lại trên toàn bộ hình ảnh với cùng trọng số. Hãy nhớ rằng trong các lớp dày đặc, mỗi nơron có trọng số riêng. Ở đây, một "bản vá" trọng lượng trượt qua hình ảnh theo cả hai hướng ("cụm chập"). Đầu ra có nhiều giá trị như pixel trong hình ảnh (tuy nhiên, cần có một số khoảng đệm ở các cạnh). Đây là một thao tác lọc, sử dụng bộ lọc có trọng số 4x4x3=48.
Tuy nhiên, 48 trọng số là không đủ. Để thêm nhiều bậc tự do hơn, chúng tôi lặp lại thao tác tương tự với một tập hợp trọng số mới. Thao tác này sẽ tạo ra một tập hợp đầu ra mới của bộ lọc. Hãy đặt tên đó là "kênh" tương tự với các kênh R,G,B trong hình ảnh đầu vào.
Hai (hoặc nhiều) tập hợp trọng số có thể được tổng hợp dưới dạng một tensor bằng cách thêm một chiều mới. Điều này cho chúng ta hình dạng chung của tensor trọng số cho một lớp tích chập. Do số lượng kênh đầu vào và đầu ra là tham số, nên chúng ta có thể bắt đầu xếp chồng và tạo chuỗi các lớp tích chập.
Hình minh hoạ: một mạng nơron tích chập biến đổi các "hình lập phương" vào các "khối" khác dữ liệu.
Số tích chập chậm, gộp tối đa
Bằng cách thực hiện các phép tích chập với một bước tiến 2 hoặc 3, chúng ta cũng có thể thu nhỏ khối dữ liệu thu được theo kích thước ngang của nó. Có hai cách phổ biến để làm việc này:
- Tích chập sải chân: bộ lọc trượt như trên nhưng có sải chân >1
- Gộp tối đa: một cửa sổ trượt áp dụng thao tác MAX (thường là trên 2x2 bản vá, lặp lại sau mỗi 2 pixel)
Hình minh hoạ: việc trượt cửa sổ tính toán 3 pixel thì giá trị đầu ra sẽ giảm đi. Tích chập sải chân hoặc gộp nhóm tối đa (tối đa trên cửa sổ 2x2 trượt với một sải chân là 2) là một cách thu gọn khối dữ liệu theo kích thước ngang.
Thuật toán phân loại dựa trên môi trường
Cuối cùng, chúng tôi đính kèm phần đầu phân loại bằng cách làm phẳng khối dữ liệu cuối cùng và đưa khối này thông qua một lớp dày đặc, được kích hoạt mềm tối đa. Một thuật toán phân loại tích chập điển hình có thể có dạng như sau:
Hình minh hoạ: một thuật toán phân loại hình ảnh sử dụng lớp tích chập và lớp mềm max. Sử dụng bộ lọc 3x3 và 1x1. Các lớp maxpool lấy tối đa nhóm gồm 2x2 điểm dữ liệu. Phần đầu phân loại được triển khai bằng một lớp dày đặc có kích hoạt softmax.
Ở Keras
Ngăn xếp tích chập minh hoạ ở trên có thể được viết bằng Keras như sau:
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'])
6. Mạng chuyển đổi tuỳ chỉnh
Thực hành
Hãy để chúng tôi xây dựng và huấn luyện một mạng nơron tích chập từ đầu. Việc sử dụng TPU sẽ giúp chúng tôi lặp lại rất nhanh. Vui lòng mở sổ tay dưới đây, thực thi các ô (Shift-ENTER) và làm theo hướng dẫn ở bất cứ nơi nào bạn thấy "YÊU CẦU CÔNG VIỆC" .
Keras_Flowers_TPU (playground).ipynb
Mục tiêu là vượt qua độ chính xác 75% của mô hình học chuyển giao. Mô hình đó có lợi thế là đã được huấn luyện trước về tập dữ liệu gồm hàng triệu hình ảnh trong khi chúng tôi chỉ có 3670 hình ảnh ở đây. Ít nhất thì bạn có thể so khớp được không?
Thông tin khác
Có bao nhiêu lớp, kích thước bao nhiêu?
Việc chọn kích thước lớp không chỉ là nghệ thuật mà còn là một môn khoa học. Bạn phải tìm được sự cân bằng hợp lý giữa việc có quá ít và quá nhiều tham số (trọng số và độ chệch). Với quá ít trọng số, mạng nơron không thể biểu thị sự phức tạp của các hình bông hoa. Khi có quá nhiều tệp, phần mềm này có thể dễ bị "trang bị quá mức", tức là chỉ tập trung vào các hình ảnh huấn luyện mà không thể tổng quát hoá. Khi có nhiều tham số, mô hình cũng sẽ được huấn luyện chậm. Trong Keras, hàm model.summary() cho thấy cấu trúc và số lượng tham số của mô hình:
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
_________________________________________________________________
Một số mẹo:
- Việc có nhiều lớp tạo nên "sâu" mạng nơron rất hiệu quả. Đối với bài toán nhận dạng hoa đơn giản này, bạn nên thêm 5 đến 10 lớp.
- Sử dụng các bộ lọc nhỏ. Thông thường, bộ lọc 3x3 phù hợp ở mọi nơi.
- Bộ lọc 1x1 cũng có thể được sử dụng và rẻ. Chúng không thực sự "lọc" ngoại trừ tính toán các tổ hợp tuyến tính của các kênh. Hãy thay thế bằng các bộ lọc thực. (Tìm hiểu thêm về " phép tích 1x1" trong phần tiếp theo.)
- Đối với vấn đề phân loại như thế này, hãy thu thập mẫu thường xuyên với các lớp gộp tối đa (hoặc tích chập có sải chân >1). Bạn không quan tâm hoa ở đâu, chỉ biết đó là hoa hồng hay bồ công anh nên việc mất thông tin x và y không quan trọng và việc lọc các khu vực nhỏ hơn thì rẻ hơn.
- Số lượng bộ lọc thường tương tự như số lớp ở cuối mạng (tại sao? Hãy xem thủ thuật "gộp trung bình trên toàn cầu" bên dưới). Nếu bạn phân loại thành hàng trăm lớp, hãy tăng dần số lượng bộ lọc theo các lớp liên tiếp. Đối với tập dữ liệu hoa có 5 lớp, thì việc lọc chỉ có 5 bộ lọc là không đủ. Bạn có thể sử dụng cùng một số lượng bộ lọc trong hầu hết các lớp, ví dụ như 32 và giảm số lượng bộ lọc về cuối.
- (Các) lớp dày đặc cuối cùng rất đắt. Lớp này có thể có nhiều trọng số hơn tất cả các lớp tích chập cộng lại. Ví dụ: ngay cả với đầu ra rất hợp lý từ khối dữ liệu cuối cùng gồm 24x24x10 điểm dữ liệu, một lớp dày đặc 100 nơron sẽ có giá 24x24x10x100=576.000 trọng lượng !!! Hãy cố gắng suy nghĩ thấu đáo hoặc thử áp dụng phương pháp gộp trung bình trên toàn cầu (xem bên dưới).
Gộp mức trung bình trên toàn cầu
Thay vì sử dụng một lớp dày đặc đắt tiền ở cuối mạng nơron tích chập, bạn có thể chia tách "khối" dữ liệu nhận được vào nhiều phần tuỳ theo lớp bạn có, tính trung bình giá trị của các lớp đó rồi cung cấp các giá trị này thông qua hàm kích hoạt Softmax. Cách tạo đầu phân loại này không có trọng số. Trong Keras, cú pháp là tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D().
Giải pháp
Đây là sổ tay giải pháp. Bạn có thể sử dụng nếu gặp khó khăn.
Keras_Flowers_TPU (solution).ipynb
Nội dung đã đề cập
- 🤔 Sử dụng các lớp tích chập
- 🤓 Thử nghiệm với các phương pháp gộp tối đa, sải chân, gộp trung bình trên toàn cầu, ...
- 😀 đã lặp lại trên một mô hình thực tế nhanh chóng, trên TPU
Vui lòng dành chút thời gian để xem danh sách kiểm tra này trong đầu bạn.
7. Xin chúc mừng!
Bạn đã xây dựng mạng nơron tích chập hiện đại đầu tiên của mình và huấn luyện mạng nơron này với độ chính xác đạt 80% trở lên, lặp lại trên kiến trúc của mạng chỉ trong vài phút nhờ TPU. Vui lòng chuyển đến phòng thí nghiệm tiếp theo để tìm hiểu về kiến trúc tích chập hiện đại:
- Quy trình dữ liệu tốc độ TPU: tf.data.Dataset và TFRecords
- Mô hình Keras đầu tiên của bạn có công nghệ học chuyển
- [MANUAL LAB] Mạng nơron tích chập, với Keras và TPU
- Convnet hiện đại, Exchangenet, Xception, với Keras và TPU
TPU trong thực tế
TPU và GPU có trên Cloud AI Platform:
- Máy ảo học sâu
- Trong mục Sổ tay dựa trên nền tảng AI
- Trong việc làm Đào tạo nền tảng AI
Cuối cùng, chúng tôi rất mong nhận được ý kiến phản hồi của bạn. Vui lòng cho chúng tôi biết nếu bạn thấy có gì thiếu trong phòng thí nghiệm này hoặc nếu bạn cho rằng điều đó cần được cải thiện. Bạn có thể cung cấp ý kiến phản hồi thông qua các vấn đề trên GitHub [ feedback link].
|
