עזרה להגן על שונית המחסום הגדולה עם TensorFlow על Kaggle הצטרפו אתגר

הכשרה מחדש של מסווג תמונות

הצג באתר TensorFlow.org הפעל בגוגל קולאב הצג ב-GitHub הורד מחברת ראה דגמי TF Hub

מבוא

למודלים של סיווג תמונות יש מיליוני פרמטרים. אימון אותם מאפס דורש הרבה נתוני אימון מתויגים וכוח מחשוב רב. למידת העברה היא טכניקה המקצרת הרבה מזה על ידי נטילת חלק מדגם שכבר הוכשר במשימה קשורה ושימוש חוזר בו במודל חדש.

Colab זה מדגים כיצד לבנות מודל Keras לסיווג חמישה מינים של פרחים על ידי שימוש ב-TF2 SavedModel מאומן מראש מ- TensorFlow Hub לחילוץ תכונות תמונה, מאומן על מערך הנתונים הגדול והכללי הרבה יותר של ImageNet. באופן אופציונלי, ניתן לאמן את מחלץ התכונות ("כוונן עדין") לצד הסיווג החדש שנוסף.

מחפש כלי במקום?

זהו הדרכה לקידוד TensorFlow. אם אתה רוצה כלי פשוט בונה את המודל TensorFlow או TFLite עבור, תסתכל על make_image_classifier כלי שורת הפקודה שמקבל מותקן על ידי חבילת PIP tensorflow-hub[make_image_classifier] , או על זה colab TFLite.

להכין

import itertools
import os

import matplotlib.pylab as plt
import numpy as np

import tensorflow as tf
import tensorflow_hub as hub

print("TF version:", tf.__version__)
print("Hub version:", hub.__version__)
print("GPU is", "available" if tf.config.list_physical_devices('GPU') else "NOT AVAILABLE")
TF version: 2.7.0
Hub version: 0.12.0
GPU is available

בחר את מודול TF2 SavedModel לשימוש

בתור התחלה, להשתמש ב- https: //tfhub.dev/ google / אימג'נט / mobilenet_v2_100_224 / feature_vector / 4 . ניתן להשתמש באותה כתובת URL בקוד כדי לזהות את SavedModel ובדפדפן שלך כדי להציג את התיעוד שלו. (שים לב שדגמים בפורמט TF1 Hub לא יעבדו כאן.)

אתה יכול למצוא עוד דגמי TF2 שיוצרים וקטורי תכונת תמונה כאן .

ישנם מספר דגמים אפשריים לנסות. כל מה שאתה צריך לעשות הוא לבחור אחד אחר בתא שלמטה ולפעול עם המחברת.

model_name = "efficientnetv2-xl-21k" # @param ['efficientnetv2-s', 'efficientnetv2-m', 'efficientnetv2-l', 'efficientnetv2-s-21k', 'efficientnetv2-m-21k', 'efficientnetv2-l-21k', 'efficientnetv2-xl-21k', 'efficientnetv2-b0-21k', 'efficientnetv2-b1-21k', 'efficientnetv2-b2-21k', 'efficientnetv2-b3-21k', 'efficientnetv2-s-21k-ft1k', 'efficientnetv2-m-21k-ft1k', 'efficientnetv2-l-21k-ft1k', 'efficientnetv2-xl-21k-ft1k', 'efficientnetv2-b0-21k-ft1k', 'efficientnetv2-b1-21k-ft1k', 'efficientnetv2-b2-21k-ft1k', 'efficientnetv2-b3-21k-ft1k', 'efficientnetv2-b0', 'efficientnetv2-b1', 'efficientnetv2-b2', 'efficientnetv2-b3', 'efficientnet_b0', 'efficientnet_b1', 'efficientnet_b2', 'efficientnet_b3', 'efficientnet_b4', 'efficientnet_b5', 'efficientnet_b6', 'efficientnet_b7', 'bit_s-r50x1', 'inception_v3', 'inception_resnet_v2', 'resnet_v1_50', 'resnet_v1_101', 'resnet_v1_152', 'resnet_v2_50', 'resnet_v2_101', 'resnet_v2_152', 'nasnet_large', 'nasnet_mobile', 'pnasnet_large', 'mobilenet_v2_100_224', 'mobilenet_v2_130_224', 'mobilenet_v2_140_224', 'mobilenet_v3_small_100_224', 'mobilenet_v3_small_075_224', 'mobilenet_v3_large_100_224', 'mobilenet_v3_large_075_224']

model_handle_map = {
  "efficientnetv2-s": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet1k_s/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-m": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet1k_m/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-l": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet1k_l/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-s-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_s/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-m-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_m/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-l-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_l/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-xl-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_xl/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b0-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_b0/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b1-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_b1/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b2-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_b2/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b3-21k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_b3/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-s-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_s/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-m-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_m/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-l-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_l/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-xl-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_xl/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b0-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_b0/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b1-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_b1/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b2-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_b2/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b3-21k-ft1k": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_ft1k_b3/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b0": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet1k_b0/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b1": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet1k_b1/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b2": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet1k_b2/feature_vector/2",
  "efficientnetv2-b3": "https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet1k_b3/feature_vector/2",
  "efficientnet_b0": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b0/feature-vector/1",
  "efficientnet_b1": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b1/feature-vector/1",
  "efficientnet_b2": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b2/feature-vector/1",
  "efficientnet_b3": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b3/feature-vector/1",
  "efficientnet_b4": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b4/feature-vector/1",
  "efficientnet_b5": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b5/feature-vector/1",
  "efficientnet_b6": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b6/feature-vector/1",
  "efficientnet_b7": "https://tfhub.dev/tensorflow/efficientnet/b7/feature-vector/1",
  "bit_s-r50x1": "https://tfhub.dev/google/bit/s-r50x1/1",
  "inception_v3": "https://tfhub.dev/google/imagenet/inception_v3/feature-vector/4",
  "inception_resnet_v2": "https://tfhub.dev/google/imagenet/inception_resnet_v2/feature-vector/4",
  "resnet_v1_50": "https://tfhub.dev/google/imagenet/resnet_v1_50/feature-vector/4",
  "resnet_v1_101": "https://tfhub.dev/google/imagenet/resnet_v1_101/feature-vector/4",
  "resnet_v1_152": "https://tfhub.dev/google/imagenet/resnet_v1_152/feature-vector/4",
  "resnet_v2_50": "https://tfhub.dev/google/imagenet/resnet_v2_50/feature-vector/4",
  "resnet_v2_101": "https://tfhub.dev/google/imagenet/resnet_v2_101/feature-vector/4",
  "resnet_v2_152": "https://tfhub.dev/google/imagenet/resnet_v2_152/feature-vector/4",
  "nasnet_large": "https://tfhub.dev/google/imagenet/nasnet_large/feature_vector/4",
  "nasnet_mobile": "https://tfhub.dev/google/imagenet/nasnet_mobile/feature_vector/4",
  "pnasnet_large": "https://tfhub.dev/google/imagenet/pnasnet_large/feature_vector/4",
  "mobilenet_v2_100_224": "https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v2_100_224/feature_vector/4",
  "mobilenet_v2_130_224": "https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v2_130_224/feature_vector/4",
  "mobilenet_v2_140_224": "https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v2_140_224/feature_vector/4",
  "mobilenet_v3_small_100_224": "https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v3_small_100_224/feature_vector/5",
  "mobilenet_v3_small_075_224": "https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v3_small_075_224/feature_vector/5",
  "mobilenet_v3_large_100_224": "https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v3_large_100_224/feature_vector/5",
  "mobilenet_v3_large_075_224": "https://tfhub.dev/google/imagenet/mobilenet_v3_large_075_224/feature_vector/5",
}

model_image_size_map = {
  "efficientnetv2-s": 384,
  "efficientnetv2-m": 480,
  "efficientnetv2-l": 480,
  "efficientnetv2-b0": 224,
  "efficientnetv2-b1": 240,
  "efficientnetv2-b2": 260,
  "efficientnetv2-b3": 300,
  "efficientnetv2-s-21k": 384,
  "efficientnetv2-m-21k": 480,
  "efficientnetv2-l-21k": 480,
  "efficientnetv2-xl-21k": 512,
  "efficientnetv2-b0-21k": 224,
  "efficientnetv2-b1-21k": 240,
  "efficientnetv2-b2-21k": 260,
  "efficientnetv2-b3-21k": 300,
  "efficientnetv2-s-21k-ft1k": 384,
  "efficientnetv2-m-21k-ft1k": 480,
  "efficientnetv2-l-21k-ft1k": 480,
  "efficientnetv2-xl-21k-ft1k": 512,
  "efficientnetv2-b0-21k-ft1k": 224,
  "efficientnetv2-b1-21k-ft1k": 240,
  "efficientnetv2-b2-21k-ft1k": 260,
  "efficientnetv2-b3-21k-ft1k": 300, 
  "efficientnet_b0": 224,
  "efficientnet_b1": 240,
  "efficientnet_b2": 260,
  "efficientnet_b3": 300,
  "efficientnet_b4": 380,
  "efficientnet_b5": 456,
  "efficientnet_b6": 528,
  "efficientnet_b7": 600,
  "inception_v3": 299,
  "inception_resnet_v2": 299,
  "nasnet_large": 331,
  "pnasnet_large": 331,
}

model_handle = model_handle_map.get(model_name)
pixels = model_image_size_map.get(model_name, 224)

print(f"Selected model: {model_name} : {model_handle}")

IMAGE_SIZE = (pixels, pixels)
print(f"Input size {IMAGE_SIZE}")

BATCH_SIZE = 16
Selected model: efficientnetv2-xl-21k : https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_xl/feature_vector/2
Input size (512, 512)

הגדר את מערך הנתונים של פרחים

גודל הכניסות משתנה בהתאם למודול הנבחר. הגדלת מערכי נתונים (כלומר, עיוותים אקראיים של תמונה בכל פעם שהיא נקראת) משפרת את האימון, במיוחד. בעת כוונון עדין.

data_dir = tf.keras.utils.get_file(
    'flower_photos',
    'https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/example_images/flower_photos.tgz',
    untar=True)
Downloading data from https://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/example_images/flower_photos.tgz
228818944/228813984 [==============================] - 1s 0us/step
228827136/228813984 [==============================] - 1s 0us/step

Found 3670 files belonging to 5 classes.
Using 2936 files for training.
Found 3670 files belonging to 5 classes.
Using 734 files for validation.

הגדרת הדגם

כל מה שנדרש הוא לשים מסווג ליניארי על גבי feature_extractor_layer עם מודול Hub.

עבור מהירות, אנחנו מתחילים עם הלא שאפשר לאלף feature_extractor_layer , אבל אתה גם יכול לאפשר כיוונון עדין עבור דיוק רב יותר.

do_fine_tuning = False
print("Building model with", model_handle)
model = tf.keras.Sequential([
    # Explicitly define the input shape so the model can be properly
    # loaded by the TFLiteConverter
    tf.keras.layers.InputLayer(input_shape=IMAGE_SIZE + (3,)),
    hub.KerasLayer(model_handle, trainable=do_fine_tuning),
    tf.keras.layers.Dropout(rate=0.2),
    tf.keras.layers.Dense(len(class_names),
                          kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.0001))
])
model.build((None,)+IMAGE_SIZE+(3,))
model.summary()
Building model with https://tfhub.dev/google/imagenet/efficientnet_v2_imagenet21k_xl/feature_vector/2
Model: "sequential_1"
_________________________________________________________________
 Layer (type)                Output Shape              Param #   
=================================================================
 keras_layer (KerasLayer)    (None, 1280)              207615832 
                                                                 
 dropout (Dropout)           (None, 1280)              0         
                                                                 
 dense (Dense)               (None, 5)                 6405      
                                                                 
=================================================================
Total params: 207,622,237
Trainable params: 6,405
Non-trainable params: 207,615,832
_________________________________________________________________

הכשרת הדגם

model.compile(
  optimizer=tf.keras.optimizers.SGD(learning_rate=0.005, momentum=0.9), 
  loss=tf.keras.losses.CategoricalCrossentropy(from_logits=True, label_smoothing=0.1),
  metrics=['accuracy'])
steps_per_epoch = train_size // BATCH_SIZE
validation_steps = valid_size // BATCH_SIZE
hist = model.fit(
    train_ds,
    epochs=5, steps_per_epoch=steps_per_epoch,
    validation_data=val_ds,
    validation_steps=validation_steps).history
Epoch 1/5
183/183 [==============================] - 133s 543ms/step - loss: 0.9221 - accuracy: 0.8996 - val_loss: 0.6271 - val_accuracy: 0.9597
Epoch 2/5
183/183 [==============================] - 94s 514ms/step - loss: 0.6072 - accuracy: 0.9521 - val_loss: 0.5990 - val_accuracy: 0.9528
Epoch 3/5
183/183 [==============================] - 94s 513ms/step - loss: 0.5590 - accuracy: 0.9671 - val_loss: 0.5362 - val_accuracy: 0.9722
Epoch 4/5
183/183 [==============================] - 94s 514ms/step - loss: 0.5532 - accuracy: 0.9726 - val_loss: 0.5780 - val_accuracy: 0.9639
Epoch 5/5
183/183 [==============================] - 94s 513ms/step - loss: 0.5618 - accuracy: 0.9699 - val_loss: 0.5468 - val_accuracy: 0.9556
plt.figure()
plt.ylabel("Loss (training and validation)")
plt.xlabel("Training Steps")
plt.ylim([0,2])
plt.plot(hist["loss"])
plt.plot(hist["val_loss"])

plt.figure()
plt.ylabel("Accuracy (training and validation)")
plt.xlabel("Training Steps")
plt.ylim([0,1])
plt.plot(hist["accuracy"])
plt.plot(hist["val_accuracy"])
[<matplotlib.lines.Line2D at 0x7f607ad6ad90>]

png

png

נסה את המודל על תמונה מנתוני האימות:

x, y = next(iter(val_ds))
image = x[0, :, :, :]
true_index = np.argmax(y[0])
plt.imshow(image)
plt.axis('off')
plt.show()

# Expand the validation image to (1, 224, 224, 3) before predicting the label
prediction_scores = model.predict(np.expand_dims(image, axis=0))
predicted_index = np.argmax(prediction_scores)
print("True label: " + class_names[true_index])
print("Predicted label: " + class_names[predicted_index])

png

True label: sunflowers
Predicted label: sunflowers

לבסוף, ניתן לשמור את הדגם המאומן לפריסה ל-TF Serving או TFLite (בנייד) באופן הבא.

saved_model_path = f"/tmp/saved_flowers_model_{model_name}"
tf.saved_model.save(model, saved_model_path)
2021-11-05 13:09:44.225508: W tensorflow/python/util/util.cc:368] Sets are not currently considered sequences, but this may change in the future, so consider avoiding using them.
WARNING:absl:Found untraced functions such as restored_function_body, restored_function_body, restored_function_body, restored_function_body, restored_function_body while saving (showing 5 of 3985). These functions will not be directly callable after loading.
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/saved_flowers_model_efficientnetv2-xl-21k/assets
INFO:tensorflow:Assets written to: /tmp/saved_flowers_model_efficientnetv2-xl-21k/assets

אופציונלי: פריסה ל-TensorFlow Lite

TensorFlow לייט מאפשר לך לפרוס דגמים TensorFlow להתקנים ניידים IOT. הקוד להלן מציג כיצד להמיר את המודל המאומן TFLite וליישם כלים שלאחר אימון מן Toolkit אופטימיזציה דגם TensorFlow . לבסוף, הוא מריץ אותו ב-TFLite Interpreter כדי לבחון את האיכות המתקבלת

  • המרה ללא אופטימיזציה מספקת את אותן תוצאות כמו קודם (עד שגיאת עיגול).
  • המרה עם אופטימיזציה ללא כל נתונים מכמתת את משקלי המודל ל-8 סיביות, אך ההסקה עדיין משתמשת בחישוב נקודה צפה עבור הפעלת הרשת העצבית. זה מקטין את גודל הדגם כמעט בפקטור של 4 ומשפר את זמן האחזור של המעבד במכשירים ניידים.
  • נוסף על כך, ניתן לכמת את חישוב הפעלות הרשת העצבית למספרים שלמים של 8 סיביות גם אם מסופק מערך התייחסות קטן כדי לכייל את טווח הקוונטיזציה. במכשיר נייד, זה מאיץ עוד יותר את ההסקה ומאפשר לרוץ על מאיצים כמו Edge TPU.

הגדרות אופטימיזציה

2021-11-05 13:10:59.372672: W tensorflow/compiler/mlir/lite/python/tf_tfl_flatbuffer_helpers.cc:363] Ignored output_format.
2021-11-05 13:10:59.372728: W tensorflow/compiler/mlir/lite/python/tf_tfl_flatbuffer_helpers.cc:366] Ignored drop_control_dependency.
2021-11-05 13:10:59.372736: W tensorflow/compiler/mlir/lite/python/tf_tfl_flatbuffer_helpers.cc:372] Ignored change_concat_input_ranges.
WARNING:absl:Buffer deduplication procedure will be skipped when flatbuffer library is not properly loaded
Wrote TFLite model of 826236388 bytes.
interpreter = tf.lite.Interpreter(model_content=lite_model_content)
# This little helper wraps the TFLite Interpreter as a numpy-to-numpy function.
def lite_model(images):
  interpreter.allocate_tensors()
  interpreter.set_tensor(interpreter.get_input_details()[0]['index'], images)
  interpreter.invoke()
  return interpreter.get_tensor(interpreter.get_output_details()[0]['index'])
num_eval_examples = 50 
eval_dataset = ((image, label)  # TFLite expects batch size 1.
                for batch in train_ds
                for (image, label) in zip(*batch))
count = 0
count_lite_tf_agree = 0
count_lite_correct = 0
for image, label in eval_dataset:
  probs_lite = lite_model(image[None, ...])[0]
  probs_tf = model(image[None, ...]).numpy()[0]
  y_lite = np.argmax(probs_lite)
  y_tf = np.argmax(probs_tf)
  y_true = np.argmax(label)
  count +=1
  if y_lite == y_tf: count_lite_tf_agree += 1
  if y_lite == y_true: count_lite_correct += 1
  if count >= num_eval_examples: break
print("TFLite model agrees with original model on %d of %d examples (%g%%)." %
      (count_lite_tf_agree, count, 100.0 * count_lite_tf_agree / count))
print("TFLite model is accurate on %d of %d examples (%g%%)." %
      (count_lite_correct, count, 100.0 * count_lite_correct / count))
TFLite model agrees with original model on 50 of 50 examples (100%).
TFLite model is accurate on 50 of 50 examples (100%).