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このチュートリアルでは、MNIST の数の分類をするための、シンプルな畳み込みニューラルネットワーク (CNN: Convolutional Neural Network) の学習について説明します。このシンプルなネットワークは MNIST テストセットにおいて、99%以上の精度を達成します。このチュートリアルでは、Keras Sequential APIを使用するため、ほんの数行のコードでモデルの作成と学習を行うことができます。
TensorFlowのインポート
!pip install -q tensorflow-gpu==2.0.0-rc1
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import datasets, layers, models
MNISTデータセットのダウンロードと準備
(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = datasets.mnist.load_data()
train_images = train_images.reshape((60000, 28, 28, 1))
test_images = test_images.reshape((10000, 28, 28, 1))
# ピクセルの値を 0~1 の間に正規化
train_images, test_images = train_images / 255.0, test_images / 255.0
畳み込みの基礎部分の作成
下記の6行のコードは、一般的なパターンで畳み込みの基礎部分を定義しています: Conv2D と MaxPooling2D レイヤーのスタック。
入力として、CNN はバッチサイズを無視して、shape (image_height, image_width, color_channels) のテンソルをとります。color channels について、MNIST は1つ (画像がグレースケールのため) の color channels がありますが、カラー画像には3つ (R, G, B) があります。この例では、MNIST 画像のフォーマットである shape (28, 28, 1) の入力を処理するように CNN を構成します。これを行うには、引数 input_shape を最初のレイヤーに渡します。
model = models.Sequential()
model.add(layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(28, 28, 1)))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))
ここまでのモデルのアーキテクチャを表示してみましょう。
model.summary()
Model: "sequential" _________________________________________________________________ Layer (type) Output Shape Param # ================================================================= conv2d (Conv2D) (None, 26, 26, 32) 320 _________________________________________________________________ max_pooling2d (MaxPooling2D) (None, 13, 13, 32) 0 _________________________________________________________________ conv2d_1 (Conv2D) (None, 11, 11, 64) 18496 _________________________________________________________________ max_pooling2d_1 (MaxPooling2 (None, 5, 5, 64) 0 _________________________________________________________________ conv2d_2 (Conv2D) (None, 3, 3, 64) 36928 ================================================================= Total params: 55,744 Trainable params: 55,744 Non-trainable params: 0 _________________________________________________________________
上記より、すべての Conv2D と MaxPooling2D レイヤーの出力は shape (height, width, channels) の 3D テンソルであることがわかります。width と height の寸法は、ネットワークが深くなるにつれて縮小する傾向があります。各 Conv2D レイヤーの出力チャネルの数は、第一引数 (例: 32 または 64) によって制御されます。通常、width とheight が縮小すると、各 Conv2D レイヤーにさらに出力チャネルを追加する余裕が (計算上) できます。
上に Dense レイヤーを追加
モデルを完成するために、(shape (3, 3, 64) の) 畳み込みの基礎部分からの最後の出力テンソルを、1つ以上の Dense レイヤーに入れて分類を実行します。現在の出力は 3D テンソルですが、Dense レイヤーは入力としてベクトル (1D) を取ります。まず、3D 出力を 1D に平滑化 (または展開) してから、最上部に1つ以上の Dense レイヤーを追加します。MNIST は 10 個の出力クラスを持ちます。そのため、我々は最後の Dense レイヤーの出力を 10 にし、softmax関数を使用します。
model.add(layers.Flatten())
model.add(layers.Dense(64, activation='relu'))
model.add(layers.Dense(10, activation='softmax'))
これが私たちのモデルの完全なアーキテクチャです。
model.summary()
Model: "sequential" _________________________________________________________________ Layer (type) Output Shape Param # ================================================================= conv2d (Conv2D) (None, 26, 26, 32) 320 _________________________________________________________________ max_pooling2d (MaxPooling2D) (None, 13, 13, 32) 0 _________________________________________________________________ conv2d_1 (Conv2D) (None, 11, 11, 64) 18496 _________________________________________________________________ max_pooling2d_1 (MaxPooling2 (None, 5, 5, 64) 0 _________________________________________________________________ conv2d_2 (Conv2D) (None, 3, 3, 64) 36928 _________________________________________________________________ flatten (Flatten) (None, 576) 0 _________________________________________________________________ dense (Dense) (None, 64) 36928 _________________________________________________________________ dense_1 (Dense) (None, 10) 650 ================================================================= Total params: 93,322 Trainable params: 93,322 Non-trainable params: 0 _________________________________________________________________
ご覧のとおり、2 つの Dense レイヤーを通過する前に、(3, 3, 64) の出力は shape (576) のベクターに平滑化されました。
モデルのコンパイルと学習
model.compile(optimizer='adam',
loss='sparse_categorical_crossentropy',
metrics=['accuracy'])
model.fit(train_images, train_labels, epochs=5)
Train on 60000 samples Epoch 1/5 WARNING:tensorflow:Entity <function Function._initialize_uninitialized_variables.<locals>.initialize_variables at 0x7fb3f0dcc268> could not be transformed and will be executed as-is. Please report this to the AutoGraph team. When filing the bug, set the verbosity to 10 (on Linux, `export AUTOGRAPH_VERBOSITY=10`) and attach the full output. Cause: module 'gast' has no attribute 'Num' WARNING: Entity <function Function._initialize_uninitialized_variables.<locals>.initialize_variables at 0x7fb3f0dcc268> could not be transformed and will be executed as-is. Please report this to the AutoGraph team. When filing the bug, set the verbosity to 10 (on Linux, `export AUTOGRAPH_VERBOSITY=10`) and attach the full output. Cause: module 'gast' has no attribute 'Num' 60000/60000 [==============================] - 23s 379us/sample - loss: 0.1450 - accuracy: 0.9551 Epoch 2/5 60000/60000 [==============================] - 24s 393us/sample - loss: 0.0458 - accuracy: 0.9859 Epoch 3/5 60000/60000 [==============================] - 24s 397us/sample - loss: 0.0341 - accuracy: 0.9893 Epoch 4/5 60000/60000 [==============================] - 23s 381us/sample - loss: 0.0263 - accuracy: 0.9916 Epoch 5/5 60000/60000 [==============================] - 23s 382us/sample - loss: 0.0211 - accuracy: 0.9935 <tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7fb3faf3d2e8>
モデルの評価
test_loss, test_acc = model.evaluate(test_images, test_labels, verbose=2)
10000/1 - 1s - loss: 0.0210 - accuracy: 0.9889
print(test_acc)
0.9889
ご覧のとおり、我々のシンプルな CNN は 99% 以上のテスト精度を達成しています。数行のコードにしては悪くありません！違うスタイルでの CNN の書き方 (Keras Subclassing API や GradientTape を使ったもの) についてはここを参照してください。