PyTorch チュートリアル: 回帰、画像分類の例

Pytorch チュートリアルの概要

この PyTorch チュートリアルでは、すべての概念を最初から学習します。このチュートリアルでは、PyTorch の定義、PyTorch の長所と短所、比較、インストール、PyTorch フレームワーク、回帰、画像分類など、基本から高度なトピックまでをカバーしています。この PyTorch チュートリアルは完全に無料です。

PyTorch とは何ですか?

パイトーチ は、オープンソースのTorchベースの自然言語処理用機械学習ライブラリです。 PythonNumPy に似ていますが、強力な GPU サポートを備えています。autograd の助けを借りて、いつでも変更できる動的計算グラフを提供します。PyTorch は他のフレームワークよりも高速です。2016 年に Facebook の AI 研究グループによって開発されました。

PyTorch の長所と短所

PyTorch の利点と欠点は次のとおりです。

PyTorch の利点

簡易ライブラリ
PyTorchのコードはシンプルです。分かりやすく、すぐにライブラリを利用できます。たとえば、以下のコードスニペットを見てください。

class Net(torch.nn.Module):
   def __init__(self):
       super(Net, self).__init__()
       self.layer = torch.nn.Linear(1, 1)

   def forward(self, x):
       x = self.layer(x)      
       return x

前述したように、ネットワークモデルは簡単に定義でき、あまりトレーニングしなくてもコードをすぐに理解できます。

動的計算グラフ

画像ソース: PyTorch を使用したディープラーニングの探索

Pytorch は動的計算グラフ (DAG) を提供します。計算グラフは、ノードやエッジなどのグラフモデルまたは理論で数式を表現する方法です。ノードは数学演算を実行し、エッジはノードに入力されてノードの出力をテンソルで運ぶテンソルです。

DAG は、任意の形状を保持し、異なる入力グラフ間で操作を実行できるグラフです。反復ごとに新しいグラフが作成されます。したがって、同じグラフ構造を持つことも、異なる操作で新しいグラフを作成することもできます。これを動的グラフと呼ぶこともできます。

性能向上

コミュニティと研究者は、フレームワークのベンチマークと比較を行い、どちらが速いかを確認します。 GitHub リポジトリ深層学習フレームワークと GPU のベンチマーク XNUMX 秒あたりに処理される画像の点で、PyTorch は他のフレームワークよりも高速であると報告されました。

以下に示すように、vgg16 と resnet152 の比較グラフは次のとおりです。

ネイティブ Python

PyTorch はより Python ベースです。たとえば、モデルをトレーニングする場合、実行するために特別な変数やセッションを追加する必要がなく、ループや再帰などのネイティブ制御フローを使用できます。これはトレーニングプロセスに非常に役立ちます。

Pytorch は命令型プログラミングも実装しており、間違いなくより柔軟です。したがって、計算プロセスの途中でテンソル値を出力することが可能です。

PyTorchの欠点

PyTorch には視覚化用のサードパーティアプリケーションが必要です。実稼働用の API サーバーも必要です。

次に、この PyTorch チュートリアルでは、PyTorch と TensorFlow の違いについて学びます。

PyTorch とテンソルフロー

	パイトーチ	テンソルフロー
モデル定義	モデルはサブクラスで定義され、使いやすいパッケージを提供します	モデルは多くの要素で定義されており、構文を理解する必要があります
GPUのサポート	Yes	Yes
グラフタイプ	ダイナミック	静的
ツール	視覚化ツールがない	Tensorboard視覚化ツールを使用できます
コミュニティ	コミュニティは成長し続けています	大規模なアクティブなコミュニティ

PyTorch のインストール

Linux

Linux にインストールするのは簡単です。仮想環境を使用するか、root アクセスで直接インストールするかを選択できます。ターミナルにこのコマンドを入力します

pip3 install --upgrade torch torchvision

AWS セージメーカー

Sagemaker は、 Amazon ウェブサービスこれは、データサイエンティストや開発者があらゆる規模でモデルを構築、トレーニング、デプロイできるように、プリインストールされた深層学習構成を備えた強力な機械学習エンジンを提供します。

最初に開きます Amazon セージメーカーコンソールで「ノートブックインスタンスの作成」をクリックし、ノートブックの詳細をすべて入力します。

次のステップでは、「開く」をクリックしてノートブックインスタンスを起動します。

最後に、 Jupyter, [新規] をクリックして conda_pytorch_p36 を選択すると、Pytorch がインストールされたノートブックインスタンスを使用する準備が整います。

次に、この PyTorch チュートリアルでは、PyTorch フレームワークの基本について学びます。

PyTorch フレームワークの基本

詳しく調べる前に、PyTorch の基本的な概念を学びましょう。PyTorch は、NumPy の ndarray に似た Tensor をすべての変数に使用しますが、GPU 計算をサポートしています。ここでは、ネットワークモデル、損失関数、Backprop、および Optimizer について説明します。

ネットワークモデル

torch.nn をサブクラス化することでネットワークを構築できます。主要な部分は 2 つあり、

最初の部分は、使用するパラメータとレイヤーを定義することです。
XNUMX 番目の部分は、入力を受け取り、出力を予測するフォワードプロセスと呼ばれるメインタスクです。

Import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class Model(nn.Module):
 def __init__(self):
        super(Model, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 20, 5)
        self.conv2 = nn.Conv2d(20, 40, 5)
self.fc1 = nn.Linear(320, 10)

def forward(self, x):
       x = F.relu(self.conv1(x))
       x = F.relu(self.conv2(x))
       x = x.view(-1, 320)
       x = F.relu(self.fc1(x))
       return F.log_softmax(x)

net = Model()

上でわかるように、Model という名前の nn.Module のクラスを作成します。 2 つの Conv2d レイヤーと 2 つの Linear レイヤーが含まれています。最初の conv3d 層は入力 20 と出力形状 20 を受け取ります。40 番目の層は入力 320 を受け取り、出力形状 10 を生成します。最後の層は完全に接続された層で形状 XNUMX を生成し、出力はXNUMX。

フォワードプロセスは X の入力を受け取り、それを conv1 層に供給して ReLU 関数を実行します。

同様に、conv2 レイヤーにもフィードします。その後、x は (-1, 320) に再形成され、最後の FC レイヤーに入力されます。出力を送信する前に、softmax アクティベーション関数を使用します。

逆方向プロセスは autograd によって自動的に定義されるため、前方向プロセスを定義するだけで済みます。

損失関数

損失関数は、予測モデルが期待される結果をどの程度正確に予測できるかを測定するために使用されます。 PyTorch には、torch.nn モジュールにすでに多くの標準損失関数があります。たとえば、クロスエントロピー損失を使用して、マルチクラス PyTorch 分類問題を解決できます。損失関数を定義して損失を計算するのは簡単です。

loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()

#training process
loss = loss_fn(out, target)

PyTorch を使用すると、独自の損失関数計算を簡単に使用できます。

バックプロップ

バックプロパゲーションを実行するには、単に los.backward() を呼び出すだけです。誤差は計算されますが、zero_grad() を使用して既存の勾配をクリアすることを忘れないでください。

net.zero_grad() # to clear the existing gradient
loss.backward() # to perform backpropragation

オプティマイザ

torch.optim は一般的な最適化アルゴリズムを提供します。簡単な手順でオプティマイザーを定義できます。

optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr = 0.01, momentum=0.9)

バックプロッププロセスの後に反復ごとにパラメーターが更新されるように、ネットワークモデルのパラメーターと学習率を渡す必要があります。

PyTorch を使用した単純な回帰

PyTorch の例で単純な回帰を学びましょう:

ステップ 1) ネットワークモデルの作成

私たちのネットワークモデルは、入力形状と出力形状が 1 の単純な線形層です。

from __future__ import print_function

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from torch.autograd import Variable

class Net(nn.Module):
   def __init__(self):
       super(Net, self).__init__()
       self.layer = torch.nn.Linear(1, 1)

   def forward(self, x):
       x = self.layer(x)      
       return x

net = Net()
print(net)

そして、ネットワーク出力は次のようになります

Net(
  (hidden): Linear(in_features=1, out_features=1, bias=True)
)

ステップ 2) テストデータ

トレーニングプロセスを開始する前に、データを知る必要があります。モデルをテストするためにランダム関数を作成します。 Y = x³ sin(x)+3x+0.8ランド(100)

# Visualize our data
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.random.rand(100)
y = np.sin(x) * np.power(x,3) + 3*x + np.random.rand(100)*0.8

plt.scatter(x, y)
plt.show()

関数の散布図は次のとおりです。

トレーニングプロセスを開始する前に、以下の PyTorch 回帰例に示すように、numpy 配列を Torch および autograd でサポートされる変数に変換する必要があります。

# convert numpy array to tensor in shape of input size
x = torch.from_numpy(x.reshape(-1,1)).float()
y = torch.from_numpy(y.reshape(-1,1)).float()
print(x, y)

ステップ 3) オプティマイザと損失

次に、トレーニングプロセス用のオプティマイザーと損失関数を定義する必要があります。

# Define Optimizer and Loss Function
optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=0.2)
loss_func = torch.nn.MSELoss()

ステップ4) トレーニング

それでは、トレーニングプロセスを開始しましょう。エポックを 250 として、データを反復処理して、ハイパーパラメータの最適な値を見つけます。

inputs = Variable(x)
outputs = Variable(y)
for i in range(250):
   prediction = net(inputs)
   loss = loss_func(prediction, outputs) 
   optimizer.zero_grad()
   loss.backward()        
   optimizer.step()       

   if i % 10 == 0:
       # plot and show learning process
       plt.cla()
       plt.scatter(x.data.numpy(), y.data.numpy())
       plt.plot(x.data.numpy(), prediction.data.numpy(), 'r-', lw=2)
       plt.text(0.5, 0, 'Loss=%.4f' % loss.data.numpy(), fontdict={'size': 10, 'color':  'red'})
       plt.pause(0.1)

plt.show()

ステップ5) 結果

以下に示すように、ニューラルネットワークを使用して PyTorch 回帰が正常に実行されました。実際には、反復のたびに、プロット内の赤い線が更新され、データに合わせて位置が変更されます。ただし、この図では、以下の PyTorch の例に示すように、最終結果のみが表示されます。

PyTorch を使用した画像分類の例

の基本を学ぶための人気のある方法の XNUMX つ深い学習 MNIST データセットです。これはディープラーニングの「Hello World」です。データセットには、0 から 9 までの手書きの数字が含まれ、合計 60,000 個のトレーニングサンプルと、10,000×28 ピクセルのサイズでラベル付け済みの 28 個のテストサンプルが含まれています。

ステップ 1) データの前処理

この PyTorch 分類例の最初のステップでは、torchvision モジュールを使用してデータセットを読み込みます。

トレーニングプロセスを開始する前に、データを理解する必要があります。トーチビジョンはデータセットをロードし、画像の形状や正規化などのネットワークに適切な要件に従って画像を変換します。

import torch
import torchvision
import numpy as np
from torchvision import datasets, models, transforms

# This is used to transform the images to Tensor and normalize it
transform = transforms.Compose(
   [transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])

training = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=True,
                                       download=True, transform=transform)
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(training, batch_size=4,
                                         shuffle=True, num_workers=2)

testing = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=False,
                                      download=True, transform=transform)
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(testing, batch_size=4,
                                        shuffle=False, num_workers=2)

classes = ('0', '1', '2', '3',
          '4', '5', '6', '7', '8', '9')
         
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

#create an iterator for train_loader
# get random training images
data_iterator = iter(train_loader)
images, labels = data_iterator.next()

#plot 4 images to visualize the data
rows = 2
columns = 2
fig=plt.figure()
for i in range(4):
   fig.add_subplot(rows, columns, i+1)
   plt.title(classes[labels[i]])
   img = images[i] / 2 + 0.5     # this is for unnormalize the image
   img = torchvision.transforms.ToPILImage()(img)
   plt.imshow(img)
plt.show()

変換関数は画像をテンソルに変換し、値を正規化します。 torchvision.transforms.MNIST 関数は、データセット (利用できない場合) をディレクトリにダウンロードし、必要に応じてトレーニング用のデータセットを設定し、変換プロセスを実行します。

データセットを視覚化するには、data_iterator を使用して画像とラベルの次のバッチを取得します。 matplot を使用して、これらのイメージとその適切なラベルをプロットします。以下に示すように、画像とそのラベルが表示されます。

ステップ 2) ネットワークモデルの構成

この PyTorch の例では、PyTorch 画像分類用の単純なニューラルネットワークを作成します。

ここでは、PyTorch でネットワークモデルを作成する別の方法を紹介します。 nn.Module のサブクラスを作成する代わりに、nn.Sequential を使用してシーケンスモデルを作成します。

import torch.nn as nn

# flatten the tensor into 
class Flatten(nn.Module):
   def forward(self, input):
       return input.view(input.size(0), -1)

#sequential based model
seq_model = nn.Sequential(
           nn.Conv2d(1, 10, kernel_size=5),
           nn.MaxPool2d(2),
           nn.ReLU(),
           nn.Dropout2d(),
           nn.Conv2d(10, 20, kernel_size=5),
           nn.MaxPool2d(2),
           nn.ReLU(),
           Flatten(),
           nn.Linear(320, 50),
           nn.ReLU(),
           nn.Linear(50, 10),
           nn.Softmax(),
         )

net = seq_model
print(net)

これがネットワークモデルの出力です。

Sequential(
  (0): Conv2d(1, 10, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (1): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  (2): ReLU()
  (3): Dropout2d(p=0.5)
  (4): Conv2d(10, 20, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (5): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  (6): ReLU()
  (7): Flatten()
  (8): Linear(in_features=320, out_features=50, bias=True)
  (9): ReLU()
  (10): Linear(in_features=50, out_features=10, bias=True)
  (11): Softmax()
)

ネットワークの説明

このシーケンスでは、最初の層は入力形状 2、出力形状 1、カーネルサイズ 10 の Conv5D 層です。
次に、MaxPool2D レイヤーを作成します。
ReLU活性化関数
確率の低い値をドロップするドロップアウト層。
次に、最後の層からの入力形状 2、出力形状 10、カーネルサイズ 20 を持つ 5 番目の ConvXNUMXd
次は MaxPool2d レイヤーです
ReLUアクティベーション機能。
その後、テンソルを線形レイヤーにフィードする前に平坦化します。
Linear Layer は、softmax アクティベーション関数を使用して XNUMX 番目の Linear Layer で出力をマッピングします。

ステップ 3) モデルをトレーニングする

トレーニングプロセスを開始する前に、基準とオプティマイザー関数を設定する必要があります。

基準には、CrossEntropyLoss を使用します。オプティマイザーには、以下の PyTorch の例に示すように、学習率 0.001、モーメンタム 0.9 の SGD を使用します。

import torch.optim as optim

criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

順方向プロセスは入力形状を取得し、それを最初の conv2d 層に渡します。次に、そこから maxpool2d にフィードされ、最終的に ReLU アクティベーション関数に入力されます。同じプロセスが 2 番目の conv1,320d 層でも発生します。その後、入力は (-XNUMX) に再整形され、fc 層に入力されて出力が予測されます。

ここで、トレーニングプロセスを開始します。データセットを 2 回またはエポック 2 で反復処理し、2000 バッチごとに現在の損失を出力します。

for epoch in range(2): 

#set the running loss at each epoch to zero
   running_loss = 0.0
# we will enumerate the train loader with starting index of 0
# for each iteration (i) and the data (tuple of input and labels)
   for i, data in enumerate(train_loader, 0):
       inputs, labels = data

# clear the gradient
       optimizer.zero_grad()

#feed the input and acquire the output from network
       outputs = net(inputs)

#calculating the predicted and the expected loss
       loss = criterion(outputs, labels)

#compute the gradient
       loss.backward()

#update the parameters
       optimizer.step()

       # print statistics
       running_loss += loss.item()
       if i % 1000 == 0:
           print('[%d, %5d] loss: %.3f' %
                 (epoch + 1, i + 1, running_loss / 1000))
           running_loss = 0.0

各エポックで、列挙子は入力と対応するラベルの次のタプルを取得します。入力をネットワークモデルにフィードする前に、前の勾配をクリアする必要があります。これが必要なのは、逆方向プロセス (バックプロパゲーションプロセス) の後、勾配が置き換えられずに蓄積されるためです。次に、期待出力から予測出力からの損失を計算します。その後、バックプロパゲーションを実行して勾配を計算し、最後にパラメーターを更新します。

トレーニングプロセスの出力は次のとおりです

[1, 	1] loss: 0.002
[1,  1001] loss: 2.302
[1,  2001] loss: 2.295
[1,  3001] loss: 2.204
[1,  4001] loss: 1.930
[1,  5001] loss: 1.791
[1,  6001] loss: 1.756
[1,  7001] loss: 1.744
[1,  8001] loss: 1.696
[1,  9001] loss: 1.650
[1, 10001] loss: 1.640
[1, 11001] loss: 1.631
[1, 12001] loss: 1.631
[1, 13001] loss: 1.624
[1, 14001] loss: 1.616
[2, 	1] loss: 0.001
[2,  1001] loss: 1.604
[2,  2001] loss: 1.607
[2,  3001] loss: 1.602
[2,  4001] loss: 1.596
[2,  5001] loss: 1.608
[2,  6001] loss: 1.589
[2,  7001] loss: 1.610
[2,  8001] loss: 1.596
[2,  9001] loss: 1.598
[2, 10001] loss: 1.603
[2, 11001] loss: 1.596
[2, 12001] loss: 1.587
[2, 13001] loss: 1.596
[2, 14001] loss: 1.603

ステップ 4) モデルをテストする

モデルをトレーニングした後、他の画像セットを使用してテストまたは評価する必要があります。

test_loader のイテレータを使用して、トレーニング済みモデルに渡される画像とラベルのバッチを生成します。予測された出力が表示され、期待される出力と比較されます。

#make an iterator from test_loader
#Get a batch of training images
test_iterator = iter(test_loader)
images, labels = test_iterator.next()

results = net(images)
_, predicted = torch.max(results, 1)

print('Predicted: ', ' '.join('%5s' % classes[predicted[j]] for j in range(4)))

fig2 = plt.figure()
for i in range(4):
   fig2.add_subplot(rows, columns, i+1)
   plt.title('truth ' + classes[labels[i]] + ': predict ' + classes[predicted[i]])
   img = images[i] / 2 + 0.5     # this is to unnormalize the image
   img = torchvision.transforms.ToPILImage()(img)
   plt.imshow(img)
plt.show()

製品概要

PyTorch はオープンソースのトーチベースです機械学習ライブラリ自然言語処理 Python.
PyTorchの利点: 1) シンプルなライブラリ、2) 動的な計算グラフ、3) 優れたパフォーマンス、4) ネイティブ Python
PyTorch は、numpy の ndarray と同様に、すべての変数に Tensor を使用しますが、GPU 計算をサポートします。
深層学習の基礎を学ぶ一般的な方法の XNUMX つは、MNIST データセットを使用することです。