TensorFlow Mechanics 101

Code: tensorflow/examples/tutorials/mnist/

본 자습서의 목적은 TensorFlow를 사용하여(고전적인)MNIST데이터 세트를 사용하여 손으로 작성된 손가락을 사용하여 간단한 피드 포워드 신경 네트워크를 훈련하고 평가하는 방법입니다. 본 자습서의 대상은 TensorFlow를 사용하는 데 관심이 있는 숙련된 사용자를 위한 것입니다.

이러한 자습서는 일반적으로 기계 학습을 가르치기 위한 것이 아닙니다.

TensorFlow를 설치하기 위한 지침을 준수했는지 확인하십시오.

튜토리얼 파일

이 자습서는 다음 파일을 참조합니다.

파일 목적

mnist.py : 완전히 연결된 MNIST 모델을 빌드하는 코드.

fully_connected_feed.py : 피드 사전을 사용하여 다운로드 된 데이터 세트에 대해 빌드 된 MNIST 모델을 학습하는 기본 코드.

교육을 시작하려면 직접 fully_connected_feed.py 파일을 실행하기 만하면됩니다.

python fully_connected_feed.py

데이터 준비

MNIST는 기계 학습의 전형적인 문제입니다. 문제는 회색으로 된 숫자 280x28픽셀 이미지를 보고이미지가 0에서 9까지의 숫자에 대해 나타내는 숫자를 판별하는 것입니다.

자세한 내용은 YanLecun의 MNIST페이지 또는 NBIST의 시각화를 참조하십시오.

(Yann LeCun's MNIST page or Chris Olah's visualizations of MNIST.)

다운로드.

런타임_데이터 처리()방법의 맨 위에 있는 경우 Input_data.reads_data_sets()함수가 로컬 교육 폴더로 다운로드된 데이터를 다운로드하여 DataSet인스턴스를 반환합니다.

data_sets = input_data.read_data_sets(FLAGS.train_dir, FLAGS.fake_data)

참고 : fake_data 플래그는 단위 테스트 목적으로 사용되며 판독기에서 무시할 수 있습니다.

데이터 집합             목적

data_sets.train                 55000 이미지 및 레이블, 기본 교육용.

data_sets.validation          5000 개의 이미지 및 레이블, 교육 정확도의 반복 검증.

data_sets.test                 훈련 된 정확도의 최종 테스트를 위해 10000 개의 이미지 및 레이블.

입력 및 자리 표시 자

placeholder_inputs () 함수는 입력의 모양을 정의하는 두 개의 tf.placeholder 연산을 생성합니다.이 연산은 batch_size를 포함하여 나머지 그래프와 실제 훈련 예제가 입력됩니다.

images_placeholder = tf.placeholder(tf.float32, shape=(batch_size,
                                                       mnist.IMAGE_PIXELS))
labels_placeholder = tf.placeholder(tf.int32, shape=(batch_size))

또한 트레이닝 루프에서 전체 이미지 및 레이블 데이터 세트가 각 단계의 batch_size에 맞게 슬라이스되고 이러한 자리 표시 자 연산과 일치 한 다음 feed_dict 매개 변수를 사용하여 sess.run () 함수로 전달됩니다.

그래프 작성

데이터의 자리 표시자를 만든 후 그래프는 3 단계 패턴 인 추론 (), 손실 () 및 학습 ()에 따라 mnist.py 파일에서 작성됩니다.

inference () - 예측을하기 위해 네트워크를 앞으로 돌리는 데 필요한만큼 그래프를 만듭니다.

loss () - 손실을 생성하는 데 필요한 연산을 추론 그래프에 추가합니다.

training () - 그라디언트를 계산하고 적용하는 데 필요한 연산을 손실 그래프에 추가합니다.

추론

inference () 함수는 출력 예측을 포함하는 텐서를 반환하는 데 필요한만큼 그래프를 작성합니다.

이미지 자리 표시자를 입력으로 사용하고 ReLU 활성화가있는 완전히 연결된 레이어와 출력 로짓을 지정하는 10 개의 노드 선형 레이어가 그 위에 빌드됩니다.

각 계층은 해당 범위 내에서 작성된 항목의 접두사로 사용되는 고유 한 tf.name_scope 아래에 작성됩니다.

with tf.name_scope('hidden1'):

정의 된 범위 내에서 각 레이어에서 사용되는 가중치와 바이어스는 원하는 모양으로 tf.Variable 인스턴스에 생성됩니다.

weights = tf.Variable(
    tf.truncated_normal([IMAGE_PIXELS, hidden1_units],
                        stddev=1.0 / math.sqrt(float(IMAGE_PIXELS))),
    name='weights')
biases = tf.Variable(tf.zeros([hidden1_units]),
                     name='biases')

예를 들어, hidden1 범위에서 생성 된 경우 weights 변수에 고유 한 이름이 "hidden1 / weights"가됩니다.

각 변수에는 초기화 작업이 주어진다.

이 가장 일반적인 경우, 가중치는 tf.truncated_normal로 초기화되고 2 차원 텐서의 모양이 주어지면 가중치가 연결되는 레이어의 단위 수를 나타내는 첫 번째 흐림과 수를 나타내는 두 번째 흐림이 표시됩니다 가중치가 연결되는 계층의 단위. hidden1이라는 첫 번째 레이어의 경우, 가중치가 이미지 입력을 hidden1 레이어에 연결하기 때문에 크기는 [IMAGE_PIXELS, hidden1_units]입니다. tf.truncated_normal 초기화 프로그램은 주어진 평균 및 표준 편차로 임의의 분포를 생성합니다.

그런 다음 바이어스를 tf.zeros로 초기화하여 모든 0 값으로 시작하도록하고 그 모양은 연결되는 레이어의 단위 수입니다.

그래프의 세 가지 주요 작업 - 숨겨진 레이어에 대해 tf.matmul 및 로그에 대해 하나의 추가 tf.matmul을 포함하는 두 개의 tf.nn.relu ops가 차례로 생성되고 각 인스턴스에는 각각 별도의 tf.Variable 인스턴스가 생성됩니다 입력 자리 표시 자의 이전 텐서 또는 이전 레이어의 출력 텐서.

hidden1 = tf.nn.relu(tf.matmul(images, weights) + biases)

hidden2 = tf.nn.relu(tf.matmul(hidden1, weights) + biases)

logits = tf.matmul(hidden2, weights) + biases

마지막으로 출력을 포함하는 로그 텐서가 반환됩니다.

손실

loss () 함수는 필요한 손실 작업을 추가하여 그래프를 작성합니다.

먼저 labels_placeholder의 값이 64 비트 정수로 변환됩니다. 그런 다음 tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits op가 추가되어 labels_placeholder에서 1- 핫 레이블을 자동으로 생성하고 inference () 함수의 출력 로그를 1- 핫 레이블과 비교합니다.

labels = tf.to_int64(labels)
cross_entropy = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(
    labels=labels, logits=logits, name='xentropy')

그런 다음 tf.reduce_mean을 사용하여 일괄 처리 차원 (첫 번째 차원)에서 교차 엔트로피 값을 전체 손실로 평균화합니다.

loss = tf.reduce_mean(cross_entropy, name='xentropy_mean')

그리고 나서 손실 값을 포함 할 텐서가 반환됩니다.

노트 : 교차 엔트로피는 정보 이론의 아이디어로, 실제로 사실 인 것을 감안할 때 신경망의 예측을 얼마나 나쁘게 생각하는지 설명 할 수 있습니다. 자세한 내용은 블로그 게시물 Visual Information Theory (http://colah.github.io/posts/2015-09-Visual-Information/)를 참조하십시오.

훈련

training () 함수는 Gradient Descent를 통해 손실을 최소화하는 데 필요한 연산을 추가합니다.

먼저 loss () 함수에서 손실 텐서를 취하여 tf.summary.FileWriter (아래 참조)와 함께 사용할 때 이벤트 파일에 요약 값을 생성하는 연산 인 tf.summary.scalar로 전달합니다. 이 경우 요약이 기록 될 때마다 손실의 스냅 샷 값을 방출합니다.

tf.summary.scalar('loss', loss)

다음으로, 요청 된 학습 속도로 그라데이션을 적용하는 tf.train.GradientDescentOptimizer를 인스턴스화합니다.

optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate)

그런 다음 글로벌 교육 단계에 대한 카운터를 포함하는 단일 변수를 생성하고 tf.train.Optimizer.minimize op는 시스템의 학습 가능한 가중치를 업데이트하고 전역 단계를 증가시키는 데 사용됩니다. 이 작업은 관습에 따라 train_op이라고하며, 한 단계의 교육 (아래 참조)을 유도하기 위해 TensorFlow 세션에서 실행해야하는 작업입니다.

global_step = tf.Variable(0, name='global_step', trainable=False)
train_op = optimizer.minimize(loss, global_step=global_step)

모델 교육

일단 그래프가 작성되면 fully_connected_feed.py의 사용자 코드에 의해 제어되는 루프에서 반복적으로 트레이닝되고 평가 될 수 있습니다.

그래프

run_training () 함수의 맨 위에는 내장 된 모든 op가 기본 전역 tf.Graph 인스턴스와 연관되어 있음을 나타내는 명령과 함께 python이 있습니다.

with tf.Graph().as_default():

tf.Graph는 그룹으로 함께 실행될 수있는 작업 모음입니다. 대부분의 TensorFlow 사용은 단일 기본 그래프에만 의존해야합니다.

여러 그래프를 사용하는보다 복잡한 용도는 가능하지만이 간단한 자습서의 범위를 벗어납니다.

세션

모든 빌드 준비가 완료되고 필요한 모든 작업이 생성되면 그래프 실행을위한 세션이 만들어집니다.

sess = tf.Session()

또는 세션을 범위 지정을 위해 with 블록으로 생성 할 수 있습니다.

with tf.Session() as sess:

세션에 대한 빈 매개 변수는이 코드가 기본 로컬 세션에 연결 (또는 아직 생성되지 않은 경우 생성)한다는 것을 나타냅니다.

세션을 생성 한 직후, 모든 tf.Variable 인스턴스는 초기화 op에서 tf.Session.run을 호출하여 초기화됩니다.

init = tf.global_variables_initializer()
sess.run(init)

tf.Session.run 메서드는 매개 변수로 전달 된 op (s)에 해당하는 그래프의 전체 하위 집합을 실행합니다. 이 첫 번째 호출에서 init op는 변수의 초기화 코드 만 포함하는 tf.group입니다. 나머지 그래프는 여기에서 실행되지 않습니다. 그것은 아래의 교육 과정에서 발생합니다.

학습 루프

세션으로 변수를 초기화 한 후 교육이 시작될 수 있습니다.

사용자 코드는 단계별 교육을 제어하며 유용한 교육을 수행 할 수있는 가장 단순한 루프는 다음과 같습니다.

for step in xrange(FLAGS.max_steps):
    sess.run(train_op)

그러나이 자습서는 이전 단계에서 생성 된 자리 표시 자와 일치시키기 위해 각 단계의 입력 데이터를 슬라이스해야한다는 점에서 약간 더 복잡합니다.

그래프 피드

각 단계에서 코드는 단계에 대한 교육을위한 예제 세트를 포함하는 피드 사전을 생성하며,이 단계는 해당 인스턴스가 나타내는 자리 표시 자 연산에 의해 입력됩니다.

fill_feed_dict () 함수에서 주어진 DataSet은 이미지와 레이블의 다음 batch_size 세트에 대해 쿼리되고 자리 표시 자와 일치하는 tensors는 다음 이미지와 레이블을 포함하여 채워집니다.

images_feed, labels_feed = data_set.next_batch(FLAGS.batch_size,
                                               FLAGS.fake_data)

그런 다음 키와 자리 표시자를 나타내는 파이썬 사전 객체가 생성되고 대표적인 피드 텐서가 값으로 제공됩니다.

feed_dict = {
    images_placeholder: images_feed,
    labels_placeholder: labels_feed,
}

이것은 sess.run () 함수의 feed_dict 매개 변수로 전달되어이 단계의 학습에 대한 입력 예제를 제공합니다.

상태 확인

이 코드는 실행 호출에서 가져올 두 값을 지정합니다 : [train_op, loss].

for step in xrange(FLAGS.max_steps):
    feed_dict = fill_feed_dict(data_sets.train,
                               images_placeholder,
                               labels_placeholder)
    _, loss_value = sess.run([train_op, loss],
                             feed_dict=feed_dict)

가져올 값은 두 가지이므로 sess.run ()은 두 항목이 포함 된 튜플을 반환합니다. 가져올 값 목록에있는 각 Tensor는 반환 된 튜플의 numpy 배열에 해당하며이 단계에서이 텐서 값이 채워집니다. train_op은 출력 값이없는 Operation이기 때문에 반환 된 튜플의 해당 요소는 None이므로 버려집니다. 그러나 모델이 훈련 중에 분기되면 손실 텐서의 값은 NaN이 될 수 있으므로이 값을 로깅에 사용합니다.

NaN 없이도 교육이 잘 진행된다고 가정하면 교육 과정에서 100 단계마다 간단한 상태 텍스트를 인쇄하여 사용자에게 교육 상태를 알릴 수 있습니다.

if step % 100 == 0:
    print('Step %d: loss = %.2f (%.3f sec)' % (step, loss_value, duration))

상태 시각화

TensorBoard에서 사용되는 이벤트 파일을 내보내려면 그래프 작성 단계에서 모든 요약 (이 경우 하나만 포함)이 단일 텐서로 수집됩니다.

summary = tf.summary.merge_all()

그리고 나서 세션이 생성 된 후 tf.summary.FileWriter가 인스턴스화되어 그래프 자체와 요약 값을 모두 포함하는 이벤트 파일을 작성할 수 있습니다.

summary_writer = tf.summary.FileWriter(FLAGS.train_dir, sess.graph)

마지막으로, 이벤트 파일은 요약이 평가 될 때마다 새 요약 값으로 업데이트되고 출력이 작성자의 add_summary () 함수에 전달됩니다.

summary_str = sess.run(summary, feed_dict=feed_dict)
summary_writer.add_summary(summary_str, step)

이벤트 파일을 작성하면 Training 폴더에 대해 TensorBoard를 실행하여 요약의 값을 표시 할 수 있습니다.

참고 : Tensorboard를 작성하고 실행하는 방법에 대한 자세한 내용은 함께 제공되는 Tensorboard : Visualizing Learning을 참조하십시오. Tensorboard: Visualizing Learning.

검사 점 저장(체크포인트 저장)

추후 교육이나 평가를 위해 모델을 나중에 복원하는 데 사용할 수있는 검사 점 파일을 내보내려면 tf.train.Saver를 인스턴스화합니다.

saver = tf.train.Saver()

트레이닝 루프에서는 tf.train.Saver.save 메소드가 정기적으로 호출되어 모든 트레이닝 가능한 변수의 현재 값을 사용하여 검사 점 파일을 트레이닝 디렉토리에 씁니다.

saver.save(sess, FLAGS.train_dir, global_step=step)

나중에 추후에 thetf.train.Saver.restore 메소드를 사용하여 모델 매개 변수를 다시로드하여 교육을 재개 할 수 있습니다.

saver.restore(sess, FLAGS.train_dir)

모델 평가

천 단계마다이 코드는 교육 및 테스트 데이터 세트 모두에 대해 모델을 평가하려고 시도합니다. do_eval () 함수는 교육, 유효성 검사 및 테스트 데이터 집합에 대해 세 번 호출됩니다.

print('Training Data Eval:')
do_eval(sess,
        eval_correct,
        images_placeholder,
        labels_placeholder,
        data_sets.train)
print('Validation Data Eval:')
do_eval(sess,
        eval_correct,
        images_placeholder,
        labels_placeholder,
        data_sets.validation)
print('Test Data Eval:')
do_eval(sess,
        eval_correct,
        images_placeholder,
        labels_placeholder,
        data_sets.test)

더 복잡한 사용법은 대개 상당한 양의 하이퍼 매개 변수 튜닝 후에 만 ​​확인되도록 data_sets.test를 격리합니다. 그러나 간단한 MNIST 문제 때문에 모든 데이터에 대해 평가합니다.

평가 그래프 작성

교육 루프를 시작하기 전에 평가 () 함수는 mnist.py에서 loss () 함수와 동일한 logits / labels 매개 변수를 사용하여 evaluation () 함수를 호출하여 작성해야합니다.

eval_correct = mnist.evaluation(logits, labels_placeholder)

evaluation () 함수는 단순히 true 레이블이 K 가장 가능성있는 예측에서 발견 될 수있는 경우 각 모델 출력을 자동으로 득점 할 수있는 tf.nn.in_top_k op를 생성합니다. 이 경우 K의 값을 1로 설정하여 실제 레이블 인 경우 올바른 예측 만 고려합니다.

eval_correct = tf.nn.in_top_k(logits, labels, 1)

평가 출력

그런 다음 feed_dict를 채우고 eval_correct op에 대해 sess.run ()을 호출하여 지정된 데이터 집합에서 모델을 평가하는 루프를 만들 수 있습니다.

for step in xrange(steps_per_epoch):
    feed_dict = fill_feed_dict(data_set,
                               images_placeholder,
                               labels_placeholder)
    true_count += sess.run(eval_correct, feed_dict=feed_dict)

true_count 변수는 in_top_k op가 올바른 것으로 판단한 모든 예측을 누적합니다. 거기에서 정밀도는 총 사례 수로 단순히 나누어 계산할 수 있습니다.

precision = true_count / num_examples
print('  Num examples: %d  Num correct: %d  Precision @ 1: %0.04f' %
      (num_examples, true_count, precision))