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Keras 사용자를 위한 TensorFlow.js Layers API

TensorFlow.js의 Layers API는 Keras를 모델로 하며, JavaScript와 Python의 차이점을 고려하여 합리적 수준에서 최대한 Layers API를 Keras와 유사하게 만들려고 노력하고 있습니다. 이를 통해 Python에서 Keras 모델을 개발한 경험이 있는 사용자가 JavaScript의 TensorFlow.js Layers로 보다 쉽게 마이그레이션할 수 있습니다. 예를 들어, 다음 Keras 코드는 아래의 JavaScript로 변환됩니다.

# Python:
import keras
import numpy as np

# Build and compile model.
model = keras.Sequential()
model.add(keras.layers.Dense(units=1, input_shape=[1]))
model.compile(optimizer='sgd', loss='mean_squared_error')

# Generate some synthetic data for training.
xs = np.array([[1], [2], [3], [4]])
ys = np.array([[1], [3], [5], [7]])

# Train model with fit().
model.fit(xs, ys, epochs=1000)

# Run inference with predict().
print(model.predict(np.array([[5]])))
// JavaScript:
import * as tf from '@tensorlowjs/tfjs';

// Build and compile model.
const model = tf.sequential();
model.add(tf.layers.dense({units: 1, inputShape: [1]}));
model.compile({optimizer: 'sgd', loss: 'meanSquaredError'});

// Generate some synthetic data for training.
const xs = tf.tensor2d([[1], [2], [3], [4]], [4, 1]);
const ys = tf.tensor2d([[1], [3], [5], [7]], [4, 1]);

// Train model with fit().
await model.fit(xs, ys, {epochs: 1000});

// Run inference with predict().
model.predict(tf.tensor2d([[5]], [1, 1])).print();

그러나 이 문서에서 설명하고자 하는 몇 가지 차이점이 있습니다. 이러한 차이점과 그 이면의 근거를 이해하면 Python에서 JavaScript로의 마이그레이션(또는 그 반대)이 비교적 원활할 것입니다.

생성자가 JavaScript 객체를 구성으로 사용

위의 예에서 다음 Python 및 JavaScript 줄을 비교합니다. 둘 모두 Dense 레이어를 만듭니다.

# Python:
keras.layers.Dense(units=1, inputShape=[1])
// JavaScript:
tf.layers.dense({units: 1, inputShape: [1]});

JavaScript 함수에는 Python 함수의 키워드 인수에 해당하는 요소가 없습니다. 생성자 옵션을 JavaScript에서 위치 인수로 구현하는 것은 피하는 것이 좋은데, 키워드 인수가 많은 생성자의 경우(예: LSTM)에 이러한 인수를 기억하고 사용하기가 상당히 번거로울 것이기 때문입니다. JavaScript 구성 객체를 사용하는 이유가 여기에 있습니다. 이러한 객체는 Python 키워드 인수와 동일한 수준의 위치 불변성과 유연성을 제공합니다.

Model 클래스의 일부 메서드(예: Model.compile())도 JavaScript 구성 객체를 입력으로 사용합니다. 그러나, Model.fit(), Model.evaluate()Model.predict()는 약간 다르다는 점을 알고 있어야 합니다. 이러한 메서드는 의무적인 x(특성) 및 y(레이블 또는 대상) 데이터를 입력으로 사용하기 때문입니다. xy는 키워드 인수의 역할을 수행하는 후속 구성 객체와는 별도의 위치 인수입니다.

// JavaScript:
await model.fit(xs, ys, {epochs: 1000});

Model.fit()은 비동기로 동작

Model.fit()은 사용자가 TensorFlow.js에서 모델 훈련을 수행할 때 이용되는 기본 메서드입니다. 이 메서드는 종종 수 초에서 수 분까지 장시간 실행될 수 있습니다. 따라서 JavaScript 언어의 async 기능을 활용하면 브라우저에서 실행할 때 메인 UI 스레드를 차단하지 않는 방식으로 이 함수를 사용할 수 있습니다. async fetch와 같이 JavaScript에서 잠재적으로 오래 실행될 수 있는 다른 함수의 경우에도 마찬가지입니다. async는 Python에 존재하지 않는 구조입니다. Keras의 fit() 메서드가 History 객체를 반환하는 반면, JavaScript에서 그에 해당하는 fit() 메서드 부분은 History의 Promise를 반환합니다. 이 응답은 위 예에서와 같이 await하거나 then() 메서드와 함께 사용할 수 있습니다.

TensorFlow.js에 대한 NumPy 없음

Python Keras 사용자는 종종 NumPy를 사용하여 위의 예에서 2D 텐서를 생성하는 것과 같은 기본적인 숫자 및 배열 연산을 수행합니다.

# Python:
xs = np.array([[1], [2], [3], [4]])

TensorFlow.js에서 이러한 종류의 기본 숫자 연산은 패키지 자체로 수행됩니다. 예를 들면, 다음과 같습니다.

// JavaScript:
const xs = tf.tensor2d([[1], [2], [3], [4]], [4, 1]);

tf.* 네임스페이스도 행렬 곱셈과 같은 배열 및 선형 대수 연산을 위한 여러 가지 함수를 제공합니다. 자세한 내용은 TensorFlow.js Core 설명서를 참조하세요.

생성자가 아닌 팩터리 메서드 사용

위의 예에서 이어지는 Python의 다음 줄은 생성자 호출입니다.

# Python:
model = keras.Sequential()

엄격하게 JavaScript로 변환한다면 동등한 생성자 호출은 다음과 같을 것입니다.

// JavaScript:
const model = new tf.Sequential();  // !!! DON'T DO THIS !!!

그러나 1) "new" 키워드는 코드를 비대화시키고 2) "new" 생성자는 JavaScript에서 "나쁜 부분"으로 간주되기 때문에 "new" 생성자를 사용하지 않기로 했습니다. 이 잠재적인 위험은 JavaScript: the Good Parts에 설명되어 있습니다. TensorFlow.js에서 모델과 레이어를 만들려면 lowerCamelCase 이름을 가진 팩터리 메서드를 호출합니다. 예를 들면, 다음과 같습니다.

// JavaScript:
const model = tf.sequential();

const layer = tf.layers.batchNormalization({axis: 1});

옵션 문자열 값은 snake_case가 아니라 lowerCamelCase

JavaScript에서는 스네이크 케이스가 일반적으로 사용되는(예: Keras에서) Python과 비교하여 기호 이름에 카멜 케이스를 사용하는 것이 더 일반적입니다(예: Google JavaScript 스타일 가이드 참조). 따라서 다음을 포함한 옵션의 문자열 값에 lowerCamelCase를 사용하기로 했습니다.

  • 데이터 형식(예: channels_first 대신 channelsFirst)
  • 이니셜라이저(예: glorot_normal 대신 glorotNormal)
  • 손실 및 메트릭(예: mean_squared_error 대신 meanSquaredError, categorical_crossentropy 대신 categoricalCrossentropy)

예를 들어, 위의 예는 다음과 같습니다.

// JavaScript:
model.compile({optimizer: 'sgd', loss: 'meanSquaredError'});

모델 직렬화 및 역직렬화와 관련해서는 걱정하지 않아도 됩니다. TensorFlow.js의 내부 메커니즘이 예를 들어, Python Keras에서 사전 훈련된 모델을 로드할 때 JSON 객체의 스네이크 케이스가 올바르게 처리되도록 합니다.

Layer 객체를 함수로 호출하지 않고 apply()로 실행

Keras에서 Layer 객체에는 __call__ 메서드가 정의되어 있습니다. 따라서 사용자는 다음과 같이 객체를 함수로 호출하여 레이어의 로직을 호출할 수 있습니다.

# Python:
my_input = keras.Input(shape=[2, 4])
flatten = keras.layers.Flatten()

print(flatten(my_input).shape)

이 Python 구문 슈거는 TensorFlow.js에서 apply() 메서드로 구현됩니다.

// JavaScript:
const myInput = tf.input({shape: [2, 4]});
const flatten = tf.layers.flatten();

console.log(flatten.apply(myInput).shape);

Layer.apply()는 구체적인 텐서에 대한 명령적 (즉시) 평가를 지원함

현재 Keras에서 call 메서드는 기호적 의미만 있고 실제 숫자 값을 보유하지 않는 (Python) TensorFlow의 tf.Tensor 객체(TensorFlow 백엔드 가정)에서 작동할 수 있습니다. 이전 섹션의 예에 이 내용이 나와 있습니다. 그러나 TensorFlow.js에서 레이어의 apply() 메서드는 기호 모드와 명령 모드 모두에서 동작할 수 있습니다. apply()가 SymbolicTensor(tf.Tensor와 매우 유사)와 함께 호출되면 반환 값은 SymbolicTensor가 됩니다. 이러한 상황은 일반적으로 모델 빌드 중에 발생합니다. 그러나 apply()가 실제 구체적인 텐서 값으로 호출되면 구체적인 텐서를 반환합니다. 예를 들면, 다음과 같습니다.

// JavaScript:
const flatten = tf.layers.flatten();

flatten.apply(tf.ones([2, 3, 4])).print();

이 기능은 (Python) TensorFlow의 즉시 실행을 연상시킵니다. 이를 통해 동적 신경망을 구성할 수 있을 뿐만 아니라 모델 개발 시 상호 작용과 디버깅도 향상됩니다.

옵티마이저는 optimizers가 아니라 train. 아래에 있음

Keras에서 Optimizer 객체의 생성자는 keras.optimizers.* 네임스페이스 아래에 있습니다. TensorFlow.js Layers에서 Opitimzer에 대한 팩터리 메서드는 tf.train.* 네임스페이스 아래에 있습니다. 예를 들면, 다음과 같습니다.

# Python:
my_sgd = keras.optimizers.sgd(lr=0.2)
// JavaScript:
const mySGD = tf.train.sgd({lr: 0.2});

loadLayersModel()은 HDF5 파일이 아닌 URL에서 로드됨

Keras에서 모델은 일반적으로 HDF5(.h5) 파일로 저장되며 나중에 keras.models.load_model() 메서드를 사용하여 로드할 수 있습니다. 이 메서드는 .h5 파일에 대한 경로를 사용합니다. TensorFlow.js에서 load_model()에 해당하는 부분은 tf.loadLayersModel()입니다. HDF5는 브라우저 친화적인 파일 형식이 아니기 때문에 tf.loadLayersModel()은 TensorFlow.js 특정 형식을 사용합니다. tf.loadLayersModel()은 model.json 파일을 입력 인수로 받습니다. model.json은 tensorflowjs pip 패키지를 사용하여 Keras HDF5 파일에서 변환할 수 있습니다.

// JavaScript:
const model = await tf.loadLayersModel('https://foo.bar/model.json');

또한 tf.loadLayersModel()tf.ModelPromise를 반환합니다.

일반적으로, TensorFlow.js에서 tf.Model을 저장하고 로드하는 작업은 각각 tf.Model.savetf.loadLayersModel 메서드를 사용하여 수행됩니다. 이러한 API는 Keras의 save 및 load_model API와 유사하게 설계되었습니다. 그러나 브라우저 환경은 Keras와 같은 주요 딥 러닝 프레임워크가 실행되는 백엔드 환경, 특히 데이터 유지 및 변환을 위한 경로 배열과는 상당히 다릅니다. 따라서 TensorFlow.js와 Keras에서 save/load API 간에는 몇 가지 흥미로운 차이점이 있습니다. 자세한 내용은 tf.Model 저장 및 로드에 대한 튜토리얼을 참조하세요.

fitDataset()를 사용하여 tf.data.Dataset 객체를 사용하는 모델 훈련

Python TensorFlow의 tf.keras에서 모델은 Dataset 객체를 사용하여 훈련할 수 있습니다. 모델의 fit() 메서드는 이러한 객체를 직접적으로 허용합니다. TensorFlow.js 모델은 Dataset 객체에 해당하는 JavaScript를 사용하여 훈련할 수 있습니다(TensorFlow.js의 tf.data API 설명서 참조). 그러나 Python과 달리 데이터세트 기반 훈련은 fitDataset라는 전용 메서드를 통해 수행됩니다. fit() 메서드는 텐서 기반 모델 훈련에만 이용됩니다.

Layer 및 Model 객체의 메모리 관리

TensorFlow.js는 브라우저의 WebGL에서 실행되며, Layer 및 Model 객체의 가중치는 WebGL 텍스처에서 지원됩니다. 그러나 WebGL에는 내장된 가비지 수집 지원이 없습니다. Layer 및 Model 객체는 추론 및 훈련 호출 중에 사용자를 위해 텐서 메모리를 내부적으로 관리합니다. 그러나 이와 동시에 사용자가 이러한 객체를 삭제하여 객체가 차지하는 WebGL 메모리를 확보할 수도 있습니다. 이는 단일 페이지 로드 내에서 많은 모델 인스턴스가 생성 및 해제되는 경우에 유용합니다. Layer 또는 Model 객체를 삭제하려면 dispose() 메서드를 사용합니다.