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概要
Keras Tuner は、TensorFlow プログラム向けに最適なハイパーパラメータを選択するためのライブラリです。ユーザーの機械学習（ML）アプリケーションに適切なハイパーパラメータを選択するためのプロセスは、ハイパーパラメータチューニングまたはハイパーチューニングと呼ばれます。
ハイパーパラメータは、ML のトレーニングプロセスとトポロジーを管理する変数です。これらの変数はトレーニングプロセス中、一貫して定数を維持し、ML プログラムのパフォーマンスに直接影響を与えます。ハイパーパラメータには、以下の 2 種類があります。
- モデルハイパーパラメータ: 非表示レイヤーの数と幅などのモデルの選択に影響します。
- アルゴリズムハイパーパラメータ: 確率的勾配降下法（SGD）の学習速度や k 最近傍（KNN）分類器の最近傍の数など、学習アルゴリズムの速度と質に影響します。
このチュートリアルでは、Keras Tuner をし米須ヒデ、画像分類アプリケーションのハイパーチューニングを実施します。
セットアップ
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
import IPython
Keras Tuner をインストールしてインポートします。
!pip install -q -U keras-tuner
import kerastuner as kt
データセットをダウンロードして準備する
このチュートリアルでは、Keras Tuner を使用して、Fashion MNIST データセットの服飾の画像を分類する学習モデル向けに最適なハイパーパラメータを見つけます。
データを読み込みます。
(img_train, label_train), (img_test, label_test) = keras.datasets.fashion_mnist.load_data()
Downloading data from https://storage.googleapis.com/tensorflow/tf-keras-datasets/train-labels-idx1-ubyte.gz 32768/29515 [=================================] - 0s 0us/step Downloading data from https://storage.googleapis.com/tensorflow/tf-keras-datasets/train-images-idx3-ubyte.gz 26427392/26421880 [==============================] - 1s 0us/step Downloading data from https://storage.googleapis.com/tensorflow/tf-keras-datasets/t10k-labels-idx1-ubyte.gz 8192/5148 [===============================================] - 0s 0us/step Downloading data from https://storage.googleapis.com/tensorflow/tf-keras-datasets/t10k-images-idx3-ubyte.gz 4423680/4422102 [==============================] - 0s 0us/step
# Normalize pixel values between 0 and 1
img_train = img_train.astype('float32') / 255.0
img_test = img_test.astype('float32') / 255.0
モデルを定義する
ハイパーチューニングを行うモデルを構築する際、モデルアーキテクチャのほかにハイパーパラメータ検索空間も定義します。ハイパーチューニング用にセットアップするモデルをハイパーモデルと呼びます。
ハイパーモデルの定義は、以下の 2 つの方法で行います。
- モデルビルダー関数を使用する
- Keras Tuner API の
HyperModelクラスをサブクラス化する
また、コンピュータビジョンアプリケーション用の HyperXception と HyperResNet という 2 つの事前定義済みの HyperModel クラスも使用します。
このチュートリアルでは、モデルビルダー関数を使用して、画像分類モデルを定義します。モデルビルダー関数は、コンパイル済みのモデルを返し、インラインで定義するハイパーパラメータを使用してモデルをハイパーチューニングします。
def model_builder(hp):
model = keras.Sequential()
model.add(keras.layers.Flatten(input_shape=(28, 28)))
# Tune the number of units in the first Dense layer
# Choose an optimal value between 32-512
hp_units = hp.Int('units', min_value = 32, max_value = 512, step = 32)
model.add(keras.layers.Dense(units = hp_units, activation = 'relu'))
model.add(keras.layers.Dense(10))
# Tune the learning rate for the optimizer
# Choose an optimal value from 0.01, 0.001, or 0.0001
hp_learning_rate = hp.Choice('learning_rate', values = [1e-2, 1e-3, 1e-4])
model.compile(optimizer = keras.optimizers.Adam(learning_rate = hp_learning_rate),
loss = keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits = True),
metrics = ['accuracy'])
return model
チューナーをインスタンス化してハイパーチューニングを実行する
チューナーをインスタンス化して、ハイパーチューニングを実行します。Keras Tuner には、RandomSearch、Hyperband、BayesianOptimization、および Sklearn チューナーがあります。このチュートリアルでは、Hyperband チューナーを使用します。
Hyperband チューナーをインスタンス化するには、ハイパーモデル、最適化する objective、およびトレーニングするエポックの最大数（max_epochs）を指定する必要があります。
tuner = kt.Hyperband(model_builder,
objective = 'val_accuracy',
max_epochs = 10,
factor = 3,
directory = 'my_dir',
project_name = 'intro_to_kt')
Hyperband チューニングアルゴリズムは、適応型リソース割り当てと早期停止を使用して、高パフォーマンスモデルに素早く収束させます。これは、トーナメント式のツリーを使用して行われます。アルゴリズムは、数回のエポックで大量のモデルをトレーニングし、性能の高い上位半数のモデル次のラウンドに持ち越します。Hyperband は、1 + logfactor(max_epochs) を計算し、直近の整数に繰り上げて、トーナメントでトレーニングするモデル数を決定します。
ハイパーパラメータ検索を実行する前に、トレーニングステップごとにトレーニング出力をクリアにするコールバックを定義します。
class ClearTrainingOutput(tf.keras.callbacks.Callback):
def on_train_end(*args, **kwargs):
IPython.display.clear_output(wait = True)
ハイパーパラメータ検索を実行します。検索メソッドの引数は、上記のコールバックのほか、tf.keras.model.fit に使用される引数と同じです。
tuner.search(img_train, label_train, epochs = 10, validation_data = (img_test, label_test), callbacks = [ClearTrainingOutput()])
# Get the optimal hyperparameters
best_hps = tuner.get_best_hyperparameters(num_trials = 1)[0]
print(f"""
The hyperparameter search is complete. The optimal number of units in the first densely-connected
layer is {best_hps.get('units')} and the optimal learning rate for the optimizer
is {best_hps.get('learning_rate')}.
""")
Trial 30 Complete [00h 00m 37s] val_accuracy: 0.8565999865531921 Best val_accuracy So Far: 0.8842999935150146 Total elapsed time: 00h 07m 10s INFO:tensorflow:Oracle triggered exit The hyperparameter search is complete. The optimal number of units in the first densely-connected layer is 416 and the optimal learning rate for the optimizer is 0.001.
このチュートリアルの最後のステップとして、検索から得た最適なハイパーパラメータでモデルを保存します。
# Build the model with the optimal hyperparameters and train it on the data
model = tuner.hypermodel.build(best_hps)
model.fit(img_train, label_train, epochs = 10, validation_data = (img_test, label_test))
Epoch 1/10 1875/1875 [==============================] - 4s 2ms/step - loss: 0.5889 - accuracy: 0.7954 - val_loss: 0.4125 - val_accuracy: 0.8529 Epoch 2/10 1875/1875 [==============================] - 4s 2ms/step - loss: 0.3709 - accuracy: 0.8651 - val_loss: 0.3954 - val_accuracy: 0.8543 Epoch 3/10 1875/1875 [==============================] - 4s 2ms/step - loss: 0.3230 - accuracy: 0.8801 - val_loss: 0.3757 - val_accuracy: 0.8601 Epoch 4/10 1875/1875 [==============================] - 4s 2ms/step - loss: 0.3002 - accuracy: 0.8881 - val_loss: 0.3803 - val_accuracy: 0.8618 Epoch 5/10 1875/1875 [==============================] - 4s 2ms/step - loss: 0.2795 - accuracy: 0.8969 - val_loss: 0.3422 - val_accuracy: 0.8789 Epoch 6/10 1875/1875 [==============================] - 4s 2ms/step - loss: 0.2601 - accuracy: 0.9022 - val_loss: 0.3279 - val_accuracy: 0.8833 Epoch 7/10 1875/1875 [==============================] - 4s 2ms/step - loss: 0.2544 - accuracy: 0.9048 - val_loss: 0.3473 - val_accuracy: 0.8780 Epoch 8/10 1875/1875 [==============================] - 4s 2ms/step - loss: 0.2411 - accuracy: 0.9101 - val_loss: 0.3481 - val_accuracy: 0.8812 Epoch 9/10 1875/1875 [==============================] - 4s 2ms/step - loss: 0.2310 - accuracy: 0.9134 - val_loss: 0.3311 - val_accuracy: 0.8882 Epoch 10/10 1875/1875 [==============================] - 4s 2ms/step - loss: 0.2259 - accuracy: 0.9154 - val_loss: 0.3226 - val_accuracy: 0.8914 <tensorflow.python.keras.callbacks.History at 0x7f91b40bf978>
my_dir/intro_to_kt ディレクトリには、ハイパーパラメータ検索中に実行された各トライアル（モデル構成）の詳細なログとチェックポイントが含まれます。ハイパーパラメータ検索を再実行する場合、Keras Tuner は、これらのログの既存の状態を使用して、検索を再開します。この動作を無効にするには、チューナーをインスタンス化する際に、overwrite = True 引数を追加で渡してください。
まとめ
このチュートリアルでは、Keras Tuner の使用して、モデルのハイパーパラメータを調整する方法を学習しました。Keras Tuner の調査委については、以下のその他のリソースをご覧ください。
また、モデルのハイパーパラメータを対話式で調整できる、TensorBoard の HParams Dashboard もご覧ください。