глубокое обучение для новичков
Keras Tutorial: Руководство для начинающих по глубокому обучению на Python
Keras Tutorial: Руководство для начинающих по глубокому обучению на Python 3
В этом пошаговом руководстве по Keras вы узнаете, как построить сверточную нейронную сеть на Python!
Фактически, мы будем обучать классификатор для рукописных цифр, который может похвастаться более чем 99% точностью в известном наборе данных MNIST.
Прежде чем мы начнем, мы должны отметить, что это руководство ориентировано на новичков, которые заинтересованы в прикладном глубокого изучения.
Наша цель — познакомить вас с одной из самых популярных и мощных библиотек для построения нейронных сетей на Python. Это означает, что мы разберем большую часть теории и математики, но мы также укажем вам на большие ресурсы для их изучения.
Вступительная часть по Keras Tutorial Python 3
Для начала изучения машинного обучения на Python с библиотекой Keras, желательно, чтобы Вы:
Почему Keras?
Keras — рекомендуемая библиотека для глубокого изучения Python, особенно для начинающих. Его минималистичный, модульный подход позволяет с легкостью построить и запустить глубокие нейронные сети.
Типичные рабочие процессы Keras выглядят так:
Что такое глубокое обучение?
Глубокое обучение относится к нейронным сетям с несколькими скрытыми слоями, которые могут изучать все более абстрактные представления входных данных. Это явное упрощение, но для нас это практическое определение для старта в этой дисциплине.
Например, глубокое обучение привело к значительным достижениям в области компьютерного зрения. Теперь мы можем классифицировать изображения, находить в них объекты и даже помечать их заголовками. Для этого глубокие нейронные сети со многими скрытыми слоями могут последовательно изучать более сложные функции из исходного входного изображения:
Эти типы глубоких нейронных сетей называются сверточными нейронными сетями.
Что такое сверточные нейронные сети (Convolutional Neural Networks CNN)?
Короче говоря, сверточные нейронные сети (CNN) представляют собой многослойные нейронные сети (иногда до 17 или более слоев), которые предполагают, что входные данные являются изображениями.
Типичная архитектура CNN:
Удовлетворяя это требование, CNN могут резко сократить количество параметров, которые должны быть настроены. Следовательно, CNN могут эффективно справляться с высокой размерностью необработанных изображений.
Их основная механика выходит за рамки этого урока, но вы можете прочитать о них здесь.
Чем эта статья не является
Это не полный курс по глубокому обучению. Это руководство предназначено для того, чтобы перенести вас с нуля в вашу первую сверточную нейронную сеть с минимально возможной головной болью!
Если вы заинтересованы в овладении теорией глубокого обучения, мы рекомендуем этот замечательный курс из Стэнфорда:
О моделях Keras
Эти модели имеют ряд общих методов и атрибутов:
Методы API последовательной модели (Sequential model API)
Компиляция — Compile
Настраивает модель для обучения.
Аргументы:
fit
Обучает модель для фиксированного числа эпох (итераций в наборе данных).
Аргументы:
Для первых двух случаев, batch_size должны быть предоставлены. Для последнего случая, validation_steps должны быть предоставлены.
class_weight: необязательный словарь, отображающий индексы класса (целые числа) на значение веса (с плавающей запятой), используемое для взвешивания функции потерь (только во время обучения). Это может быть полезно для того, чтобы сказать модели «уделять больше внимания» выборкам из недопредставленного класса.
Краткий обзор учебника/статьи по Keras
Вот перечень шагов для создания вашей первой сверточной нейройнной сети (CNN) с использованием Keras:
Шаг 1: Настройте свою рабочую среду
убедитесь, что на вашем компьютере установлено следующее:
Theano — это библиотека Python, которая позволяет нам так эффективно оценивать математические операции, включая многомерные массивы. В основном он используется при создании проектов глубокого обучения. Он работает намного быстрее на графическом процессоре (GPU), чем на CPU. Theano достигает высоких скоростей, что создает жесткую конкуренцию реализациям на языке C для задач, связанных с большими объемами данных.
Theano знает, как брать структуры и преобразовывать их в очень эффективный код, который использует numpy и некоторые нативные библиотеки. Он в основном предназначен для обработки типов вычислений, требуемых для алгоритмов больших нейронных сетей, используемых в Deep Learning. Именно поэтому, это очень популярная библиотека в области глубокого обучения.
Рекомендуется установить Python, NumPy, SciPy и matplotlib через дистрибутив Anaconda. Он поставляется со всеми этими пакетами.
Краткий обзор как настроить Анаконду здесь:
* Примечание: TensorFlow также поддерживается (как альтернатива Theano), но мы придерживаемся Theano для простоты. Основное отличие состоит в том, что вам необходимо изменить данные немного по-другому, прежде чем передавать их в свою сеть.
Еще раз пробежимся по устанавливаемым библиотекам:
SciPy (произносится как сай пай) — это пакет прикладных математических процедур, основанный на расширении Numpy Python. С SciPy интерактивный сеанс Python превращается в такую же полноценную среду обработки данных и прототипирования сложных систем, как MATLAB, IDL, Octave, R-Lab и SciLab.
Matplotlib — библиотека на языке программирования Python для визуализации данных.
Theano — библиотека, которая используется для разработки систем машинного обучения как сама по себе, так и в качестве вычислительного бекэнда для более высокоуровневых библиотек, например, Lasagne, Keras или Blocks.
NumPy — это библиотека языка Python, добавляющая поддержку больших многомерных массивов и матриц, вместе с большой библиотекой высокоуровневых (и очень быстрых) математических функций для операций с этими массивами.
Проверим правильно ли мы все установили
Переходим в Jupyter Notebook в среде, которая имеет установленные библиотеки/пакеты. Запускаем следующие команды:
1. Для проверки среды:
2. Для проверки библиотек:
Как это выглядит в Jupyter Notebook:
Шаг 2. Импортируем библиотеки и модули для нашего проекта
Удаляем предыдущие проверочные шаги из Notebook.
Теперь начнем с импорта numpy и установки начального числа для генератора псевдослучайных чисел на компьютере. Это позволяет нам воспроизводить результаты из нашего скрипта:
Далее мы импортируем тип модели Sequential из Keras. Это просто линейный набор слоев нейронной сети, и он идеально подходит для того типа CNN с прямой связью, который мы строим в этом руководстве.
Далее, давайте импортируем «основные» слои из Keras. Это слои, которые используются практически в любой нейронной сети:
Затем мы импортируем слои CNN из Keras. Это сверточные слои, которые помогут нам эффективно тренироваться на данных изображения:
Наконец, мы импортируем некоторые утилиты. Это поможет нам преобразовать наши данные позже:
Теперь у нас есть все необходимое для построения архитектуры нейронной сети.
Полный текст скрипта после шага 2:
Шаг 3. Загружаем изображения из MNIST
MNIST — отличный набор данных для начала глубокого обучения и компьютерного зрения. Это достаточно сложная задача, чтобы гарантировать нейронные сети, но она управляема на одном компьютере.
Библиотека Keras удобно уже включает это. Мы можем загрузить это так:
Мы можем посмотреть на форму набора данных:
Результат:
Отлично, получается, что в нашем обучающем наборе 60 000 сэмплов, и размер каждого изображения составляет 28 х 28 пикселей. Мы можем подтвердить это, построив первый пример в matplotlib:
Вывод изображения:
В целом, при работе с компьютерным зрением полезно визуально отобразить данные, прежде чем выполнять какую-либо работу алгоритма. Это быстрая проверка работоспособности, которая может предотвратить легко предотвратимые ошибки (например, неверную интерпретацию измерений данных).
Полный скрипт после шага 3
Шаг 4: Предварительная обработка входных данных для Keras
При использовании бэкэнда Theano вы должны явно объявить размер для глубины входного изображения. Например, полноцветное изображение со всеми 3 каналами RGB будет иметь глубину 3.
Наши изображения MNIST имеют глубину только 1, но мы должны явно объявить это.
Другими словами, мы хотим преобразовать наш набор данных из формы (n, ширина, высота) в (n, глубина, ширина, высота).
Вот как мы можем сделать это легко:
Чтобы подтвердить, мы можем снова напечатать размеры X_train:
Результат:
Последний шаг предварительной обработки для входных данных — преобразовать наш тип данных в float32 и нормализовать наши значения данных в диапазоне [0, 1].
Теперь наши входные данные готовы к обучению модели.
Полный текст скрипта после 4 шага
Шаг 5. Предварительная обработка меток классов для Keras
Далее, давайте посмотрим на форму наших данных меток классов:
Хм … это может быть проблематично. У нас должно быть 10 разных классов, по одному на каждую цифру, но, похоже, у нас есть только одномерный массив. Давайте посмотрим на ярлыки для первых 10 учебных образцов:
И есть проблема. Данные y_train и y_test не разделены на 10 различных меток классов, а представлены в виде одного массива со значениями классов.
Мы можем это легко исправить:
Метод np_utils.to_categorical — Преобразует вектор класса (целые числа) в двоичную матрицу классов.
Теперь мы можем взглянуть еще раз:
Полный текст скрипта после 5 шага
Результат:
Шаг 6: Зададим архитектуру модели нейронной сети
Теперь мы готовы определить архитектуру нашей модели. В реальной научно-исследовательской работе исследователи потратят значительное количество времени на изучение архитектуру моделей.
Чтобы продолжать этот урок, мы не будем обсуждать здесь теорию или математику.
Когда вы только начинаете, вы можете просто воспроизвести проверенную архитектуру из академических работ или использовать существующие примеры. Вот список примеров реализации в Keras.
Начнем с объявления последовательного формата модели:
Далее мы объявляем входной слой:
Входной параметр shape должен иметь форму 1 образца. В этом случае это то же самое (1, 28, 28), которое соответствует (глубина, ширина, высота) каждого изображения цифры.
Но что представляют собой первые 3 параметра? Они соответствуют количеству используемых фильтров свертки, количеству строк в каждом ядре свертки и количеству столбцов в каждом ядре свертки соответственно.
* Примечание. Размер шага по умолчанию равен (1,1), и его можно настроить с помощью параметра «subsample».
Мы можем подтвердить это, напечатав форму текущей модели:
Затем мы можем просто добавить больше слоев в нашу модель, как будто мы строим legos:
MaxPooling2D — это способ уменьшить количество параметров в нашей модели, переместив фильтр пула 2×2 по предыдущему слою и взяв максимум 4 значения в фильтре 2×2.
Пока что для параметров модели мы добавили два слоя свертки. Чтобы завершить архитектуру нашей модели, давайте добавим полностью связанный слой, а затем выходной слой:
Для плотных слоев первым параметром является выходной размер слоя. Keras автоматически обрабатывает связи между слоями.
Обратите внимание, что конечный слой имеет выходной размер 10, соответствующий 10 классам цифр.
Также обратите внимание, что веса из слоев Convolution должны быть сплющены (сделаны одномерными) перед передачей их в полностью связанный плотный слой.
Вот как выглядит вся архитектура модели:
Теперь все, что нам нужно сделать, это определить функцию потерь и оптимизатор, и тогда мы будем готовы обучить ее.
Шаг 7. Скомпилируем модель
Сложная часть уже закончилась.
Теперь нам просто нужно скомпилировать модель, и мы будем готовы обучать ее. Когда мы компилируем модель, мы объявляем функцию потерь и оптимизатор (SGD, Adam и т.д.).
Keras имеет множество функций потери и встроенных оптимизаторов на выбор.
Шаг 8. Обучим модель на тестовых данных (тренировочных данных)
Чтобы соответствовать модели, все, что нам нужно сделать, это объявить размер партии и количество эпох для обучения, а затем передать наши данные обучения.
Вы также можете использовать различные обратные вызовы для установки правил ранней остановки, сохранения весов моделей по ходу дела или регистрации истории каждой эпохи обучения.
Шаг 9: Оценка работы модели на тестовых данных
Наконец, мы можем оценить нашу модель по тестовым данным:
Глубокие нейросети: руководство для начинающих
Jun 19, 2020 · 9 min read
Введение
ИИ уже успел достаточно нашуметь — о нейросетях сейчас знают и в научной среде, и в бизнесе. Вам наверняка случалось читать, что совсем скоро ваши рабочие процессы уже не будут прежними из-за какой-нибудь формы ИИ или нейросети. И вы, я уверен, слышали (пусть и не всё) о глубоких нейронных сетях и глубоком обучении.
В этой статье я приведу самые короткие, но эффективные способы понять, что такое глубокие нейронные сети, а также расскажу о том, как внедрить их с помощью библиотеки PyTorch.
Определение глубоких нейросетей (глубокого обучения) для новичков
Глубокое обучение — это подраздел машинного обучения в искусственном интеллекте (ИИ), алгоритмы которого основаны на биологической структуре и функционировании мозга и призваны наделить машины интеллектом.
Сложно звучит? Дава й те разобьём это определение на отдельные слова и составим более простое объяснение. Начнём с искусственного интеллекта, или ИИ.
Искусственный интеллект (ИИ) в наиболее широком смысле — это разум, встроенный в машину. Обычно машины глупые, поэтому, чтобы сделать их умнее, мы внедряем в них интеллект — в результате машина может самостоятельно принимать решения. К примеру, стиральная машина определяет необходимый объём воды, а также требуемое время для замачивания, стирки и отжима. Таким образом, она принимает решение, основываясь на конкретных вводных условиях, а значит делает свою работу разумнее. Или, например, банкомат, который выдаёт нужную вам сумму, составляя правильную комбинацию из имеющихся в нём банкнот. Такой интеллект внедряется в машины искусственным путём — отсюда и название “ искусственный интеллект”.
Важно отметить, что интеллект здесь запрограммирован явно, то есть создан на основе подробного списка правил вида “если…, то…”. Инженер-проектировщик тщательно продумал все возможные комбинации и создал систему, которая принимает решения, проходясь по цепочке правил. А что если нам нужно внедрить интеллект в машину без явного программирования, то есть, чтобы машина училась сама? Здесь-то мы и подходим к теме машинного обучения.
— Эндрю Ын, адъюнкт-профессор Стэнфордского университета
Примером машинного обучения могла бы стать система, предсказывающая результат экзамена на основе предыдущих результатов и характеристик студента. В этом случае решение о том, сдаст студент экзамен или нет, основывалось бы не на подробном списке всех возможных правил — напротив, система обучалась бы сама, отслеживая паттерны в предыдущих наборах данных.
Так где же в этом контексте место глубокого обучения? Машинное обучение успешно решает многие вопросы, но порой не может справиться с задачами, которые кажутся людям очень простыми. К примеру, оно не может отличить кошку от собаки на картинке или мужской голос от женского на аудиозаписи и т. п. Результаты применения машинного обучения чаще всего плохие при обработке изображений, аудио и других типов неструктурированных данных. При поиске причин таких результатов пришло озарение — идея скопировать биологические процессы человеческого мозга, который состоит из миллиардов нейронов, связанных и скоординированных между собой особым образом для изучения нового. Изучение нейронных сетей шло одновременно с этим уже несколько лет, но прогресс был небольшим из-за ограничений в данных и вычислительных мощностях того времени. Когда машинное обучение и нейросети были достаточно изучены, появилось глубокое обучение, которое предполагало создание глубоких нейронных сетей, то есть произвольных нейросетей с гораздо большим количеством слоёв.
Теперь давайте вновь взглянем на определение глубокого обучения.
Глубокое обучение — это раздел машинного обучения и искусственного интеллекта с алгоритмами, основанными на деятельности человеческого мозга и призванными внедрить интеллект в машину без явного программирования.
Стало гораздо понятнее, правда? 🙂
Там, где машинное обучение не справлялось, глубокое обучение применялось успешно. С течением времени проводились дополнительные исследования и эксперименты, позволившие понять, для каких ещё задач мы можем задействовать глубокое обучение и получать качественные результаты при достаточном объёме данных. Глубокое обучение стали широко использовать для решения прогностических задач, не ограничивая его применение машинным распознаванием образов, речи и т. п.
Какие задачи глубокое обучение решает сегодня?
С появлением экономически эффективных вычислительных мощностей и накопителей данных глубокое обучение проникло во все цифровые аспекты нашей повседневной жизни. Вот несколько примеров цифровых продуктов из обычной жизни, в основе которых лежит глубокое обучение:
Возможно, вы уже пользовались приложениями с применением глубокого обучения и просто не знали об этом.
Глубокое обучение проникло буквально во все отрасли. К примеру, в здравоохранении с его помощью диагностируют онкологию и диабет, в авиации — оптимизируют парки воздушных судов, в нефтегазовой индустрии— проводят профилактическое техобслуживание оборудования, в банковской и финансовой сферах — отслеживают мошеннические действия, в розничной торговле и телекоммуникациях — прогнозируют отток клиентов и т. д. Эндрю Ын верно назвал ИИ новым электричеством: подобно тому, как электричество в своё время изменило мир, ИИ также изменит практически всё в ближайшем будущем.
Из чего состоит глубокая нейронная сеть?
Упрощённая версия глубокой нейросети может быть представлена как иерархическая (слоистая) структура из нейронов (подобно нейронам в мозге), связанных с другими нейронами. На основе входных данных одни нейроны передают команду (сигнал) другим и таким образом формируют сложную сеть, которая обучается с помощью определённого механизма обратной связи. На диаграмме ниже изображена глубокая нейронная сеть с количеством слоёв N.
Как видно на рисунке выше, входные данные передаются нейронам на первом (не скрытом) слое, они в свою очередь передают выходные данные нейронам на следующем слое и так далее до финального выхода. Выход может представлять собой прогноз (вроде “Да”/“Нет”), представленный через вероятность. На каждом слое может быть один или множество нейронов, каждый из которых вычисляет небольшую функцию, функцию активации. Эта функция имитирует передачу сигнала последующим, связанным с предыдущими, нейронам. Если результат входных нейронов превышает порог, выходное значение просто игнорируется и передаётся дальше. Связь между двумя нейронами соседних слоёв имеет вес. Вес определяет влияние входных данных на выход для следующего нейрона и последующий финальный выход. Начальные веса нейросети случайные, однако в процессе обучения модели они постоянно обновляются и обучаются предсказывать верное выходное значение. В процессе анализа нейросети можно обнаружить несколько логических структурных элементов ( нейрон, слой, вес, вход, выход, функция активации и наконец механизм обучения, или оптимизатор), которые помогают ей постепенно заменять веса (изначально со случайными значениями) на более подходящие для точного прогноза выхода.
Для более ясного понимания давайте рассмотрим, как человеческий мозг учится различать людей. Когда вы встречаете человека во второй раз, то узнаёте его. Как так получается? У всех людей схожее строение: два глаза, два уха, нос, губы и т. д. Все одинаково устроены, и, тем не менее, различать людей нам довольно легко, не так ли?
Природа процесса обучения человеческого мозга довольно очевидна. Вместо того чтобы для узнавания людей изучать структуру лица, мы изучаем отклонения от типичного лица, то есть то, насколько сильно отличаются глаза конкретного человека от типичного глаза. Далее эта информация преобразуется в электрический сигнал определённой силы. Подобным же образом изучаются отклонения всех остальных частей лица от типичных. Все эти отклонения в итоге собираются в новые признаки и дают выходное значение. Всё описанное происходит за доли секунды, и мы просто не успеваем понять, что произошло в нашем подсознании.
Как показано выше, нейросеть пытается имитировать тот же процесс, используя математический подход. Входные данные принимаются нейронами первого слоя, и в каждом нейроне вычисляется функция активации. На основе простого правила нейрон передаёт выходное значение следующему нейрону, подобно тому, как человеческий мозг изучает отклонения. Чем больше выход нейрона, тем большее значение имеет соответствующий входной признак. На последующем слое эти признаки объединяются в новые, которые имеют пока непонятную для нас форму, но система обучается им интуитивно. Повторённый множество раз этот процесс приводит к формированию сложной сети со связями.
Теперь, когда структура нейросетей понятна, давайте разберёмся, как происходит обучение. Из входных данных, которые мы предоставляем сети, на выходе получается прогноз (с серией матричных умножений), который может быть верным или неверным. В зависимости от выхода мы можем потребовать от сети более точных прогнозов, и система будет обучаться, меняя значения весов для нейронных связей. Чтобы правильно дать сети обратную связь и определить следующий шаг для внесения изменений, мы используем элегантный математический алгоритм “ обратного распространения ошибок”. Повторение процесса шаг за шагом несколько раз с нарастающим объёмом данных позволяет нейросети обновлять веса соответствующим образом и создаёт систему, в которой сеть может делать прогноз на основе созданных ею через веса и связи правил.
Название “глубокие нейронные сети” пошло от использования множества скрытых слоёв, которые и делают нейросеть “глубокой”, способной обучаться более сложным паттернам. Истории успешного применения глубокого обучения только-только начали появляться в последние годы, ведь процесс обучения нейронной сети сложный по части вычислений и требует больших объёмов данных. Эксперименты наконец увидели свет, только когда возможности вычисления и хранения данных стали более доступными.
Какие есть популярные фреймворки для глубокого обучения?
Учитывая то, что внедрение глубокого обучения прошло быстрыми темпами, прогресс экосистемы для него также стал феноменальным. Благодаря множеству крупных технологических компаний и проектов с открытым исходным кодом вариантов для выбора более чем достаточно. Эти фреймворки глубокого обучения предоставляют блоки кода для многократного использования, из которых можно составить описанные выше логические блоки, а также несколько удобных дополнительных модулей для создания модели глубокого обучения.
Все доступные варианты фреймворков глубокого обучения можно разделить на низкоуровневые и высокоуровневые. Пусть такая терминология и не принята в этой области, но мы можем использовать это разделение, чтобы облегчить себе понимание фреймворков. Низкоуровневые фреймворки предлагают более базовый функционал для абстракции, который в то же время даёт массу возможностей для кастомизации и трансформации. Высокоуровневые фреймворки упрощают нам работу своей более продвинутой абстракцией, но ограничивают нас во внесении изменений. Высокоуровневые фреймворки используют низкоуровневые на бэкенде и в процессе работы конвертируют источник в желаемый низкоуровневый фреймворк для выполнения. Ниже приведены несколько вариантов популярных фреймворков для глубокого обучения.
Самый популярный сейчас фреймворк — TensorFlow от Google. Keras также довольно популярен благодаря быстрому прототипированию моделей глубокого обучения и, следовательно, упрощению работы. PyTorch от Facebook — ещё один фреймворк, который стремительно догоняет конкурентов. PyTorch может стать прекрасным выбором для многих специалистов по ИИ: он затрачивает меньше времени на обучение, чем TensorFlow, и может легко применяться на всех этапах создания модели глубокого обучения — от прототипирования до внедрения.
В этом руководстве для внедрения небольшой нейросети мы предпочтём именно PyTorch. Но прежде чем сделать свой выбор фреймворка изучите и другие варианты. В этой статье (eng) приводится отличное сравнение и детальное описание разных фреймворков — это поможет вам в выборе. Однако в ней нет введения в PyTorch — для этого я рекомендую ознакомиться с официальной документацией.
Создание небольшой нейронной сети с PyTorch
Вкратце изучив тему, мы можем приступить к созданию простой нейронной сети с помощью PyTorch. В этом примере мы генерируем набор фиктивных данных, которые имитируют сценарий классификации с 32 признаками (колонки) и 6000 образцов (строки). Набор данных обрабатывается с помощью функции randn в PyTorch.
Этот код вы также можете найти на Github.
Заключение
Целью этой статьи было вкратце познакомить новичков с глубокими нейросетями, объяснив тему простым языком. Упрощение математических расчётов и полное сосредоточение на функциональности позволит максимально эффективно использовать глубокое обучение для современных бизнес-проектов.