Redes neurais convolucionais, com Keras e TPUs

Redes neurais convolucionais, com Keras e TPUs

Sobre este codelab

Último out. 4, 2021 atualizado

Escrito por Martin Görner - @martin_gorner

1. Visão geral

Neste laboratório, você aprenderá a montar uma camada convolucional em um modelo de rede neural que reconhece flores. Desta vez, você vai criar o modelo do zero e usar a potência da TPU para treiná-lo em segundos e iterar o design.

Este laboratório inclui as explicações teóricas necessárias sobre redes neurais convolucionais e é um bom ponto de partida para desenvolvedores que estão aprendendo sobre aprendizado profundo.

Este laboratório é a parte 3 do curso "Keras na TPU" Google Workspace. Você pode fazer isso na ordem a seguir ou de forma independente.

• Pipelines de dados com velocidade de TPU: tf.data.Dataset e TFRecords
• Seu primeiro modelo do Keras com aprendizado por transferência
• [ESTE LABORATÓRIO] Redes neurais convolucionais, com Keras e TPUs
• Convnets modernas, squeezenet, xception, com Keras e TPUs

O que você vai aprender

• Para criar um classificador de imagens convolucional usando um modelo sequencial do Keras.
• Para treinar o modelo do Keras na TPU
• Para ajustar seu modelo com uma boa escolha de camadas convolucionais.

Feedback

Se você encontrar algo de errado nesse codelab, informe-nos. O feedback pode ser enviado pela página de problemas do GitHub [link do feedback].

2. Guia de início rápido do Google Colaboratory

Este laboratório usa o Google Collaboratory, e você não precisa configurar nada. O Colaboratory é uma plataforma de notebooks on-line para fins educacionais. Ele oferece treinamento sem custo financeiro de CPU, GPU e TPU.

Abra este notebook de exemplo e analise algumas células para se familiarizar com o Colaboratory.

Welcome to Colab.ipynb

Selecionar um back-end de TPU

No menu do Colab, selecione Ambiente de execução > Mude o tipo de ambiente de execução e selecione a TPU. Neste codelab, você usará uma TPU (Unidade de Processamento de Tensor) poderosa com suporte para treinamento acelerado por hardware. A conexão com o ambiente de execução vai ocorrer automaticamente na primeira execução ou você pode usar o botão "Conectar" no canto superior direito.

Execução do notebook

Execute uma célula de cada vez clicando em uma célula e usando Shift-ENTER. Também é possível executar todo o notebook em Ambiente de execução > Executar tudo

Índice

Todos os notebooks têm um índice. Para abri-lo, use a seta preta à esquerda.

Células ocultas

Algumas células mostrarão apenas o título. Este é um recurso de notebook específico para o Colab. É possível clicar duas vezes neles para ver o código deles, mas normalmente não é muito interessante. Normalmente, são funções de suporte ou visualização. Você ainda precisa executar essas células para que as funções internas sejam definidas.

Authentication

O Colab pode acessar seus buckets particulares do Google Cloud Storage desde que você faça a autenticação com uma conta autorizada. O snippet de código acima acionará um processo de autenticação.

3. [INFO] O que são Unidades de Processamento de Tensor (TPUs)?

Resumindo

TPUs são aceleradores de hardware especializados em tarefas de aprendizado profundo. Neste codelab, você vai aprender a usá-los com o Keras e o Tensorflow 2. As Cloud TPUs estão disponíveis em uma configuração básica com oito núcleos e também em configurações maiores chamadas "pods de TPU" de até 2.048 núcleos. O hardware extra pode ser usado para acelerar o treinamento aumentando o tamanho do lote de treinamento.

O código para treinar um modelo em TPU no Keras (e usar a GPU ou a CPU se uma TPU não estiver disponível):

try: # detect TPUs
    tpu = tf.distribute.cluster_resolver.TPUClusterResolver.connect()
    strategy = tf.distribute.TPUStrategy(tpu)
except ValueError: # detect GPUs
    strategy = tf.distribute.MirroredStrategy() # for CPU/GPU or multi-GPU machines

# use TPUStrategy scope to define model
with strategy.scope():
  model = tf.keras.Sequential( ... )
  model.compile( ... )

# train model normally on a tf.data.Dataset
model.fit(training_dataset, epochs=EPOCHS, steps_per_epoch=...)

Hoje, vamos usar TPUs para criar e otimizar um classificador de flores em velocidades interativas (minutos por execução de treinamento).

Por que usar TPUs?

As GPUs modernas são organizadas em torno de "núcleos programáveis", uma arquitetura muito flexível que permite lidar com diversas tarefas, como renderização 3D, aprendizado profundo, simulações físicas etc. As TPUs, por outro lado, combinam um processador vetorial clássico com uma unidade de multiplicação de matriz dedicada e se destacam em qualquer tarefa em que as multiplicações de matrizes grandes predominem, como redes neurais.

Ilustração: uma camada de rede neural densa como uma multiplicação de matrizes, com um lote de oito imagens processadas pela rede neural de uma só vez. Execute a multiplicação de uma linha x coluna para verificar se ela está de fato fazendo uma soma ponderada de todos os valores de pixels de uma imagem. As camadas convolucionais também podem ser representadas como multiplicações de matrizes, embora isso seja um pouco mais complicado ( explicação aqui, na seção 1).

O hardware

MXU e VPU

O núcleo da TPU v2 é composto de uma unidade de multiplicação de matriz (MXU) que executa multiplicações de matriz e uma Unidade de processamento vetorial (VPU) para todas as outras tarefas, como ativações, softmax etc. A VPU lida com cálculos de float32 e int32. O MXU, por outro lado, opera em um formato de ponto flutuante de precisão mista de 16 a 32 bits.

Ponto flutuante de precisão mista e bfloat16

O MXU calcula multiplicações de matrizes usando entradas bfloat16 e saídas float32. Acumulações intermediárias são realizadas com precisão de float32.

O treinamento de rede neural costuma ser resistente ao ruído introduzido por uma precisão de ponto flutuante reduzida. Há casos em que o ruído até ajuda a convergir o otimizador. A precisão de ponto flutuante de 16 bits tem sido usada tradicionalmente para acelerar cálculos, mas os formatos float16 e float32 têm intervalos muito diferentes. Reduzir a precisão de float32 para float16 geralmente resulta em overflows e underflows. Existem soluções, mas é necessário um trabalho adicional para que o float16 funcione.

Foi por isso que o Google introduziu o formato bfloat16 nas TPUs. bfloat16 é um float32 truncado com exatamente os mesmos bits e intervalo expoentes que float32. Isso, somado ao fato de que as TPUs computam multiplicações de matrizes em precisão mista com entradas bfloat16 e saídas float32, significa que, normalmente, nenhuma mudança no código é necessária para se beneficiar dos ganhos de desempenho com precisão reduzida.

O uso da precisão mista bfloat16/float32 é o padrão em TPUs. Nenhuma mudança é necessária no código do TensorFlow para ativá-lo. Você ainda trabalha com float32 em todo o código. Ao executar uma multiplicação de matrizes, a TPU automaticamente trunca as entradas para bfloat16. A matriz resultante é float32.

Matriz sistólica

O MXU implementa multiplicações de matrizes no hardware usando a chamada "matriz sistólica" arquitetura em que os elementos de dados fluem por uma matriz de unidades de computação de hardware. (Em medicina, “sistólico” se refere às contrações cardíacas e ao fluxo sanguíneo; aqui, ao fluxo de dados.)

O elemento básico de uma multiplicação de matrizes é um produto escalar entre uma linha de uma matriz e uma coluna de outra matriz (veja a ilustração no início desta seção). No caso da multiplicação de matrizes Y=X*W, um elemento do resultado seria:

Y[2,0] = X[2,0]*W[0,0] + X[2,1]*W[1,0] + X[2,2]*W[2,0] + ... + X[2,n]*W[n,0]

Em uma GPU, é possível programar esse produto escalar em um "núcleo" da GPU e executá-lo em quantos núcleos em paralelo para tentar calcular todos os valores da matriz resultante de uma só vez. Se a matriz resultante fosse 128 x 128 grande, isso exigiria 128 x 128=16 mil "núcleos" estejam disponíveis, o que normalmente não é possível. As maiores GPUs têm cerca de 4.000 núcleos. Por outro lado, as TPUs usam o mínimo de hardware possível para as unidades de computação na MXU: apenas bfloat16 x bfloat16 => float32 de acumuladores de multiplicação, nada mais. Eles são tão pequenos que uma TPU pode implementar 16 K deles em uma MXU de 128 x 128 e processar essa multiplicação de matrizes de uma vez.

Ilustração: a matriz sistólica da MXU. Os elementos de computação são acumuladores de multiplicação. Os valores de uma matriz são carregados nela (pontos vermelhos). Os valores da outra matriz fluem pela matriz (pontos cinza). As linhas verticais propagam os valores para cima. Linhas horizontais propagam somas parciais. Como exercício, o usuário precisa verificar se, à medida que os dados fluem pela matriz, o resultado da multiplicação de matrizes é gerado do lado direito.

Além disso, enquanto os produtos pontuais são calculados em um MXU, as somas intermediárias simplesmente fluem entre as unidades de computação adjacentes. Eles não precisam ser armazenados e recuperados da/da memória ou mesmo de um arquivo de registro. O resultado final é que a arquitetura de matriz sistólica de TPU tem uma vantagem significativa de densidade e potência, além de uma vantagem de velocidade insignificante em relação a uma GPU, ao computar multiplicações de matrizes.

Cloud TPU

Quando você solicita uma " Cloud TPU v2" no Google Cloud Platform, você recebe uma máquina virtual (VM) com uma placa de TPU conectada a PCI. A placa de TPU tem quatro chips de TPU de dois núcleos. Cada núcleo de TPU possui uma unidade de processamento vetorial (VPU, na sigla em inglês) e uma unidade de multiplicação de matriz (MXU, na sigla em inglês) de 128 x 128. Essa "Cloud TPU" geralmente está conectada pela rede à VM que a solicitou. O quadro completo fica assim:

Ilustração: sua VM com um "Cloud TPU" conectado à rede acelerador. "O Cloud TPU" Ela é composta de uma VM com uma placa de TPU conectada a PCI e com quatro chips de TPU dual-core.

Pods de TPU

Nos data centers do Google, as TPUs são conectadas a uma interconexão de computação de alto desempenho (HPC), que pode fazê-las parecer um acelerador muito grande. O Google os chama de pods, e eles podem abranger até 512 núcleos de TPU v2 ou 2.048 núcleos de TPU v3.

Ilustração: um pod da TPU v3. Placas e racks de TPU conectados por interconexão HPC.

Durante o treinamento, os gradientes são trocados entre núcleos de TPU usando o algoritmo de redução total. Confira uma boa explicação sobre a redução total. O modelo que está sendo treinado pode aproveitar o hardware ao treinar em grandes tamanhos de lote.

Ilustração: sincronização de gradientes durante o treinamento usando o algoritmo de redução total na rede HPC de malha toroidal 2D do Google TPU.

O software

Treinamento de tamanho de lote grande

O tamanho de lote ideal para TPUs é de 128 itens de dados por núcleo de TPU, mas o hardware já mostra uma boa utilização de 8 itens de dados por núcleo de TPU. Lembre-se de que uma Cloud TPU tem 8 núcleos.

Neste codelab, vamos usar a API Keras. No Keras, o lote especificado é o tamanho global do lote de toda a TPU. Seus lotes serão divididos automaticamente em oito e executados nos oito núcleos da TPU.

Para mais dicas sobre desempenho, consulte o Guia de desempenho da TPU. Para tamanhos de lote muito grandes, pode ser necessário cuidado especial em alguns modelos. Consulte LARSOptimizer para mais detalhes.

Em segundo plano: XLA

Os programas do TensorFlow definem gráficos de computação. Ela não executa o código Python diretamente, e sim o gráfico de computação definido pelo programa do TensorFlow. Nos bastidores, um compilador chamado XLA (Acelerador de álgebra linear) transforma o gráfico de nós de computação do Tensorflow em código de máquina da TPU. Esse compilador também executa muitas otimizações avançadas no código e no layout da memória. A compilação acontece automaticamente conforme o trabalho é enviado para a TPU. Você não precisa incluir o XLA explicitamente na sua cadeia de compilação.

Ilustração: para ser executado em TPU, o gráfico de computação definido pelo programa Tensorflow é primeiro convertido em uma representação do XLA (acelerador de álgebra linear) e depois compilado pelo XLA no código de máquina da TPU.

Como usar TPUs no Keras

As TPUs são compatíveis com a API Keras a partir do Tensorflow 2.1. O suporte ao Keras funciona em TPUs e pods de TPU. Veja um exemplo que funciona em TPU, GPU(s) e CPU:

try: # detect TPUs
    tpu = tf.distribute.cluster_resolver.TPUClusterResolver.connect()
    strategy = tf.distribute.TPUStrategy(tpu)
except ValueError: # detect GPUs
    strategy = tf.distribute.MirroredStrategy() # for CPU/GPU or multi-GPU machines

# use TPUStrategy scope to define model
with strategy.scope():
  model = tf.keras.Sequential( ... )
  model.compile( ... )

# train model normally on a tf.data.Dataset
model.fit(training_dataset, epochs=EPOCHS, steps_per_epoch=...)

Neste snippet de código:

• TPUClusterResolver().connect() encontra a TPU na rede. Ele funciona sem parâmetros na maioria dos sistemas do Google Cloud (jobs do AI Platform, Colaboratory, Kubeflow, VMs de aprendizado profundo criados com o utilitário "vpc up"). Esses sistemas sabem onde a TPU está graças a uma variável de ambiente TPU_NAME. Se você criar uma TPU manualmente, defina o ambiente TPU_NAME. var. na VM da qual ele está sendo usado ou chame TPUClusterResolver com parâmetros explícitos: TPUClusterResolver(tp_uname, zone, project)
• TPUStrategy é a parte que implementa a distribuição e a "redução total" algoritmo de sincronização de gradiente.
• A estratégia é aplicada por meio de um escopo. O modelo precisa ser definido dentro do scope() da estratégia.
• A função tpu_model.fit espera um objeto tf.data.Dataset para entrada no treinamento da TPU.

Tarefas comuns de portabilidade de TPU

• Embora existam muitas maneiras de carregar dados em um modelo do Tensorflow, para as TPUs, o uso da API tf.data.Dataset é obrigatório.
• TPUs são muito rápidas, e a ingestão de dados geralmente se torna um gargalo durante a execução nelas. Existem ferramentas que podem ser usadas para detectar gargalos de dados e outras dicas de desempenho no Guia de desempenho da TPU.
• os números int8 ou int16 são tratados como int32. A TPU não tem hardware inteiro que opera em menos de 32 bits.
• Algumas operações do Tensorflow não são compatíveis. Confira esta lista. A boa notícia é que essa limitação se aplica apenas ao código de treinamento, ou seja, à passagem para frente e para trás pelo seu modelo. Ainda é possível usar todas as operações do TensorFlow no pipeline de entrada de dados, já que elas serão executadas na CPU.
• tf.py_func não é compatível com a TPU.

4. [INFORMAÇÃO] Introdução ao classificador de rede neural

Resumindo

Se todos os termos em negrito no próximo parágrafo já forem conhecidos, siga para o próximo exercício. Se você está começando no aprendizado profundo, dê as boas-vindas e continue lendo.

Um classificador de rede neural é composto por várias camadas de neurônios. Para a classificação de imagens, elas podem ser camadas densas ou, mais frequentemente, convolucionais. Normalmente, elas são ativadas com a função de ativação relu. A última camada usa o mesmo número de neurônios que as classes e é ativada com o softmax. Para classificação, a entropia cruzada é a função de perda mais usada, comparando os rótulos codificados one-hot (ou seja, respostas corretas) com as probabilidades previstas pela rede neural. Para minimizar a perda, é melhor escolher um otimizador com momentum, por exemplo, AdamOptimizer, e treinar em lotes de imagens e rótulos de treinamento.

Para modelos criados como uma sequência de camadas, o Keras oferece a API Sequential. Por exemplo, um classificador de imagens que usa três camadas densas pode ser escrito em Keras como:

model = tf.keras.Sequential([
    tf.keras.layers.Flatten(input_shape=[192, 192, 3]),
    tf.keras.layers.Dense(500, activation="relu"),
    tf.keras.layers.Dense(50, activation="relu"),
    tf.keras.layers.Dense(5, activation='softmax') # classifying into 5 classes
])

# this configures the training of the model. Keras calls it "compiling" the model.
model.compile(
  optimizer='adam',
  loss= 'categorical_crossentropy',
  metrics=['accuracy']) # % of correct answers

# train the model
model.fit(dataset, ... )

Rede neural densa

Essa é a rede neural mais simples para classificar imagens. Ela é feita de "neurônios" organizadas em camadas. A primeira camada processa dados de entrada e alimenta as saídas em outras camadas. Ele é chamado de "denso" porque cada neurônio está conectado a todos os neurônios da camada anterior.

É possível alimentar uma imagem nessa rede nivelando os valores RGB de todos os seus pixels em um vetor longo e usando-o como entradas. Essa não é a melhor técnica de reconhecimento de imagens, mas vamos melhorá-la mais tarde.

Neurônios, ativações, RELU

Um "neurônio" calcula uma soma ponderada de todas as entradas, adiciona um valor chamado "viés" e alimenta o resultado por meio de uma "função de ativação". Os pesos e o viés são desconhecidos no início. Elas serão inicializadas aleatoriamente e "aprendedas" ao treinar a rede neural com muitos dados conhecidos.

A função de ativação mais conhecida é chamada de RELU para Unidade Linear Retificada. Essa é uma função muito simples, como mostra o gráfico acima.

Ativação do Softmax

A rede acima termina com uma camada de 5 neurônios porque estamos classificando as flores em cinco categorias (rosa, tulipa, dente-de-leão, margarida, girassol). Os neurônios em camadas intermediárias são ativados usando a função de ativação RELU clássica. Porém, na última camada, queremos calcular números entre 0 e 1 que representam a probabilidade dessa flor ser uma rosa, uma tulipa e assim por diante. Para isso, usaremos uma função de ativação chamada "softmax".

A aplicação de softmax a um vetor é feita tomando a exponencial de cada elemento e normalizando-o, normalmente usando a norma L1 (soma dos valores absolutos) para que os valores somem 1 e possam ser interpretados como probabilidades.

Por que "softmax" chamada softmax? A exponencial é uma função que aumenta drasticamente. Isso aumenta as diferenças entre as saídas dos neurônios. Depois, quando normalizar o vetor, o maior elemento, que domina a norma, será normalizado para um valor próximo de 1, enquanto todos os outros elementos serão divididos por um valor grande e normalizados para algo próximo de 0. O vetor resultante mostra claramente qual é a classe vencedora, a "max", mas mantém a ordem relativa original dos valores, portanto, a "soft".

Perda de entropia cruzada

Agora que nossa rede neural produz previsões a partir de imagens de entrada, precisamos medir a qualidade delas, ou seja, a distância entre o que a rede nos diz e as respostas corretas, geralmente chamadas de "rótulos". Lembre-se de que temos rótulos corretos para todas as imagens no conjunto de dados.

Qualquer distância funcionaria, mas, para problemas de classificação, a chamada "distância da entropia cruzada" é o mais eficaz. Vamos chamar isso de erro ou "perda" função:

One-hot codificação significa que você representa o rótulo "3) dente-de-leão" usando um vetor de 5 valores, todos zeros, exceto o 3o valor, que é 1. Esse vetor representa uma probabilidade de 100% de ser um dente-de-leão. A rede neural também gera previsões como um vetor de cinco valores de probabilidade. Eles são fáceis de comparar.

Gradiente descendente

"Treinamento" a rede neural significa usar imagens e rótulos de treinamento para ajustar pesos e vieses, minimizando a função de perda de entropia cruzada. Confira como funciona.

A entropia cruzada é uma função de pesos, vieses, pixels da imagem de treinamento e sua classe conhecida.

Se computamos os derivados parciais da entropia cruzada em relação a todos os pesos e todas as tendências, obtemos um "gradiente", calculado para uma determinada imagem, rótulo e valor presente de pesos e tendências. Lembre-se de que podemos ter milhões de pesos e vieses, então calcular o gradiente parece muito trabalho. Felizmente, o TensorFlow faz isso por nós. A propriedade matemática de um gradiente é que ele aponta para "para cima". Como queremos chegar onde a entropia cruzada é baixa, vamos na direção oposta. Atualizamos os pesos e as tendências por uma fração do gradiente. Em seguida, fazemos a mesma coisa várias vezes usando os próximos lotes de imagens e rótulos de treinamento, em um loop de treinamento. Com sorte, isso converge para um lugar em que a entropia cruzada é mínima, embora nada garanta que esse mínimo seja único.

Taxa de aprendizado: não é possível atualizar seus pesos e vieses por todo o comprimento do gradiente em cada iteração. Seria como tentar chegar ao fundo de um vale usando chuteiras de sete ligas. Você pularia de um lado do vale para o outro. Para chegar ao mínimo, você precisa executar etapas menores, ou seja, usar apenas uma fração do gradiente, normalmente no intervalo 1/1000. Essa fração é chamada de "taxa de aprendizado".

Minilote e momentum

É possível calcular o gradiente em apenas uma imagem de exemplo e atualizar os pesos e vieses imediatamente. No entanto, ao fazer isso em um lote de, por exemplo, 128 imagens, o gradiente representa melhor as restrições impostas por diferentes exemplos de imagem e, portanto, provavelmente converge para a solução mais rapidamente. O tamanho do minilote é um parâmetro ajustável.

Essa técnica, às vezes chamada de "gradiente descendente estocástico" tem outro benefício mais pragmático: trabalhar com lotes também significa trabalhar com matrizes maiores, e elas geralmente são mais fáceis de otimizar em GPUs e TPUs.

No entanto, a convergência pode ser um pouco caótica e até parar se o vetor do gradiente for todo zero. Isso significa que encontramos um mínimo? Nem sempre. Um componente de gradiente pode ser zero no mínimo ou no máximo. Em um vetor de gradiente com milhões de elementos, se todos eles forem zeros, a probabilidade de que cada zero corresponda a um mínimo e nenhum deles a um ponto máximo será muito pequena. Em um espaço de muitas dimensões, os pontos de sela são muito comuns e não queremos parar neles.

Ilustração: um suporte para sentar. O gradiente é 0, mas não é o mínimo em todas as direções. (Atribuição da imagem Wikimedia: por Nicoguaro - Próprio trabalho, CC BY 3.0)

A solução é adicionar um pouco de impulso ao algoritmo de otimização para que ele possa ultrapassar os pontos de obstáculos sem parar.

A biblioteca do Tensorflow oferece uma grande variedade de otimizadores, começando com tf.train.GradientDescentOptimizer. Os otimizadores conhecidos mais avançados que têm um momentum integrado são tf.train.RMSPropOptimizer ou tf.train.AdamOptimizer.

Glossário

lote ou minilote: o treinamento é sempre executado em lotes de dados de treinamento e rótulos. Isso ajuda o algoritmo a convergir. O "lote" normalmente é a primeira dimensão dos tensores de dados. Por exemplo, um tensor de forma [100, 192, 192, 3] contém 100 imagens de 192x192 pixels com três valores por pixel (RGB).

perda de entropia cruzada: uma função de perda especial usada com frequência em classificadores.

camada densa: uma camada de neurônios em que cada um deles está conectado a todos os neurônios da camada anterior.

features: as entradas de uma rede neural às vezes são chamadas de "atributos". A arte de descobrir quais partes de um conjunto de dados (ou combinações de partes) devem ser alimentadas em uma rede neural para receber boas previsões é chamada de "engenharia de atributos".

labels: outro nome para "classes" ou respostas corretas em um problema de classificação supervisionado

Taxa de aprendizado: fração do gradiente em que pesos e vieses são atualizados a cada iteração do loop de treinamento.

logits: as saídas de uma camada de neurônios antes da aplicação da função de ativação são chamadas de "logits". O termo vem da "função logística", também conhecida como "função sigmoide" que costumava ser a função de ativação mais conhecida. "Saídas de neurônios antes da função logística" foi encurtado para "logits".

loss: a função de erro que compara as saídas da rede neural com as respostas corretas

neuron: calcula a soma ponderada das entradas, adiciona uma polarização e alimenta o resultado com uma função de ativação.

codificação one-hot: a classe 3 de 5 é codificada como um vetor de cinco elementos, todos os zeros, exceto o terceiro, que é 1.

relu: unidade linear retificada. Uma função de ativação conhecida para os neurônios.

sigmoid: outra função de ativação que era conhecida e ainda é útil em casos especiais.

softmax: uma função de ativação especial que atua em um vetor, aumenta a diferença entre o maior componente e todos os outros, além de normalizar o vetor para ter uma soma de 1, de modo que possa ser interpretado como um vetor de probabilidades. Usado como a última etapa em classificadores.

tensor: um "tensor" é como uma matriz, mas com um número arbitrário de dimensões. Um tensor unidimensional é um vetor. Um tensor de duas dimensões é uma matriz. Você pode ter tensores com 3, 4, 5 ou mais dimensões.

5. [NOVA INFORMAÇÕES] Redes neurais convolucionais

Resumindo

Se todos os termos em negrito no próximo parágrafo já forem conhecidos, siga para o próximo exercício. Se você está começando a trabalhar com redes neurais convolucionais, continue lendo.

Ilustração: filtrar uma imagem com dois filtros sucessivos feitos de 4 x 4 x 3=48 pesos aprendidos cada.

As redes neurais convolucionais aplicam uma série de filtros que podem ser aprendidos à imagem de entrada. Uma camada convolucional é definida pelo tamanho do filtro (ou kernel), pelo número de filtros aplicados e pelo stride. A entrada e a saída de uma camada convolucional têm três dimensões (largura, altura, número de canais), começando com a imagem de entrada (largura, altura, canais RGB). Ao empilhar camadas convolucionais, a largura e a altura da saída podem ser ajustadas usando um salto maior que 1 ou com uma operação max-pooling. A profundidade da saída (nb de canais) é ajustada usando mais ou menos filtros.

É assim que uma rede neural convolucional simples aparece no Keras:

model = tf.keras.Sequential([
  # input: images of size 192x192x3 pixels (the three stands for RGB channels)
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=24, padding='same', activation='relu', input_shape=[192, 192, 3]),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=24, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=2),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=12, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=2),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=6, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.Flatten(),
  # classifying into 5 categories
  tf.keras.layers.Dense(5, activation='softmax')
])

model.compile(
  optimizer='adam',
  loss= 'categorical_crossentropy',
  metrics=['accuracy'])

Redes neurais convolucionais 101

Em uma camada de uma rede convolucional, um "neurônio" faz uma soma ponderada dos pixels logo acima dela, em uma pequena região da imagem. Ela adiciona um viés e alimenta a soma por meio de uma função de ativação, assim como um neurônio em uma camada densa regular faria. Essa operação é então repetida em toda a imagem usando os mesmos pesos. Lembre-se de que, nas camadas densas, cada neurônio tinha os próprios pesos. Aqui, um único "patch" de pesos desliza pela imagem em ambas as direções (uma "convolução"). A saída tem tantos valores quanto pixels na imagem, mas é necessário um pouco de padding nas bordas. Trata-se de uma operação de filtragem que usa um filtro de 4 x 4 x 3=48 pesos.

No entanto, 48 pesos não serão suficientes. Para adicionar mais graus de liberdade, repetimos a mesma operação com um novo conjunto de pesos. Isso produz um novo conjunto de saídas de filtro. Vamos chamá-lo de "canal" por analogia com os canais R, G e B na imagem de entrada.

Os dois (ou mais) conjuntos de pesos podem ser somados como um tensor com a adição de uma nova dimensão. Isso nos dá o formato genérico do tensor de pesos para uma camada convolucional. Como o número de canais de entrada e saída são parâmetros, podemos começar a empilhar e encadear camadas convolucionais.

Ilustração: uma rede neural convolucional transforma "cubos" de dados em outros "cubos" de dados.

Convoluções tracejadas, pooling máximo

Ao realizar as convoluções com um passo de 2 ou 3, também podemos reduzir o cubo de dados resultante em suas dimensões horizontais. Há duas maneiras comuns de fazer isso:

• Convolução em desvio: um filtro deslizante como acima, mas com um passo >1
• Pool máximo: uma janela deslizante que aplica a operação MAX (normalmente em patches 2x2, repetidos a cada 2 pixels)

Ilustração: deslizar a janela de computação em 3 pixels resulta em menos valores de saída. Convoluções em excesso ou pooling máximo (máximo em uma janela 2x2 deslizando em um salto de 2) são uma maneira de reduzir o cubo de dados nas dimensões horizontais.

Max-pooling" pode nos ajudar a entender intuitivamente como as redes convolucionais funcionam: se você presumir que, durante o treinamento, os blocos de pesos evoluem para filtros que reconhecem formas básicas (linhas horizontais e verticais, curvas etc.), uma maneira de absorver informações úteis é manter nas camadas as saídas em que uma forma foi reconhecida com a intensidade máxima. Na prática, em uma camada de pool máximo, as saídas são processadas em grupos de 2x2, e apenas o valor máximo é mantido.

Classificador convolucional

Por fim, anexamos um cabeçalho de classificação nivelando o último cubo de dados e alimentando-o por uma camada densa ativada pelo softmax. Um classificador convolucional típico pode ter a seguinte aparência:

Ilustração: um classificador de imagens usando camadas convolucionais e softmax. Ela usa filtros 3x3 e 1x1. As camadas do maxpool usam o máximo de grupos de pontos de dados 2x2. O cabeçalho de classificação é implementado com uma camada densa com ativação softmax.

No Keras

A pilha convolucional ilustrada acima pode ser escrita em Keras assim:

model = tf.keras.Sequential([
  # input: images of size 192x192x3 pixels (the three stands for RGB channels)    
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=32, padding='same', activation='relu', input_shape=[192, 192, 3]),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=1, filters=32, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=2),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=32, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=1, filters=32, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=2),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=32, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=1, filters=32, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=2),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=32, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=1, filters=32, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=2),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=3, filters=16, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.Conv2D(kernel_size=1, filters=8, padding='same', activation='relu'),
  tf.keras.layers.Flatten(),
  # classifying into 5 categories
  tf.keras.layers.Dense(5, activation='softmax')
])

model.compile(
  optimizer='adam',
  loss= 'categorical_crossentropy',
  metrics=['accuracy'])

O parâmetro de padding em camadas convolucionais pode ter dois valores:

• "same": preencha com zeros para produzir saídas com a mesma largura/altura que a entrada
• "valid": sem padding, use apenas pixels reais.

6. Sua conversão personalizada

Atividade prática

Vamos criar e treinar uma rede neural convolucional do zero. O uso de uma TPU permite iterar muito rapidamente. Abra o notebook a seguir, execute as células (Shift-ENTER) e siga as instruções sempre que aparecer a mensagem "WORK REQUIRED" rótulo.

Keras_Flowers_TPU (playground).ipynb

O objetivo é superar os 75% de precisão do modelo de aprendizado por transferência. Esse modelo tinha uma vantagem: ele foi pré-treinado em um conjunto de dados com milhões de imagens, mas aqui temos apenas 3.670 imagens. Você consegue pelo menos igualar?

Informações adicionais

Quantas camadas, qual é o tamanho?

Selecionar os tamanhos das camadas é mais uma arte do que uma ciência. Você precisa encontrar o equilíbrio certo entre ter poucos e muitos parâmetros (ponderações e vieses). Com poucos pesos, a rede neural não pode representar a complexidade das formas das flores. Com muito, pode ser propenso a "overfitting", ou seja, você se especializar nas imagens de treinamento e não ser capaz de generalizar. Com muitos parâmetros, o treinamento do modelo também será lento. No Keras, a função model.summary() exibe a estrutura e a contagem de parâmetros do modelo:

Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
conv2d (Conv2D)              (None, 192, 192, 16)      448       
_________________________________________________________________
conv2d_1 (Conv2D)            (None, 192, 192, 30)      4350      
_________________________________________________________________
max_pooling2d (MaxPooling2D) (None, 96, 96, 30)        0         
_________________________________________________________________
conv2d_2 (Conv2D)            (None, 96, 96, 60)        16260     
_________________________________________________________________
 ... 
_________________________________________________________________
global_average_pooling2d (Gl (None, 130)               0         
_________________________________________________________________
dense (Dense)                (None, 90)                11790     
_________________________________________________________________
dense_1 (Dense)              (None, 5)                 455       
=================================================================
Total params: 300,033
Trainable params: 300,033
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

Algumas dicas:

• Ter várias camadas é o que torna "profundo" redes neurais eficazes. Para este problema simples de reconhecimento de flores, 5 a 10 camadas fazem sentido.
• Use filtros pequenos. Normalmente, filtros 3x3 são bons em qualquer lugar.
• Os filtros 1 x 1 também podem ser usados e são baratos. Eles não "filtram" qualquer coisa, menos computar combinações lineares de canais. Use filtros reais no futuro. Mais informações sobre "convoluções 1 x 1" na próxima seção.
• Para um problema de classificação como esse, faça downsample frequentemente com camadas de max-pooling (ou convoluções com salto maior que 1). Você não se importa onde está a flor, apenas que ela é uma rosa ou um dente-de-leão, portanto, perder as informações de x e y não é importante e filtrar áreas menores é mais barato.
• O número de filtros geralmente se torna semelhante ao número de classes no final da rede. Por quê? Veja o truque "pooling médio global" abaixo. Se você classificar em centenas de classes, aumente a contagem de filtros progressivamente em camadas consecutivas. Para o conjunto de dados de flores com cinco classes, filtrar com apenas cinco filtros não seria suficiente. Você pode usar a mesma contagem de filtros na maioria das camadas, por exemplo, 32, e diminuí-la no final.
• As camadas densas finais são caras. Podem ter mais pesos do que todas as camadas convolucionais combinadas. Por exemplo, mesmo com uma saída muito razoável do último cubo de dados de 24x24x10 pontos de dados, uma camada densa de 100 neurônios custaria 24x24x10x100=576.000 pesos !!! Tenha cuidado ou experimente o pooling médio global (confira abaixo).

Pooling médio global

Em vez de usar uma camada densa cara no final de uma rede neural convolucional, é possível dividir o "cubo" de dados recebidos em tantas partes quanto tiver classes, calcule a média dos valores e alimente-os por meio de uma função de ativação softmax. Essa maneira de criar o cabeçalho de classificação não custa peso. No Keras, a sintaxe é tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D()..

Redes neurais convolucionais detectam a localização das coisas. Quando um filtro responde fortemente a algum recurso, isso é feito em um local x,y específico. Dependendo do que você quer fazer, uma rede neural pode ser treinada para usar ou descartar esses dados de local. O uso de pool de média global descarta explicitamente todos os dados de local. Isso pode ser bom para um classificador de flores, mas pode não ser para outras tarefas, como contar flores em uma imagem. Use com cuidado.

Solução

Este é o notebook da solução. Você pode usá-la se tiver dificuldades.

Keras_Flowers_TPU (solution).ipynb

O que vimos

• 🤔 Jogado com camadas convolucionais
• 🤓 Testar pooling máximo, strides, pooling médio global...
• 😀 iterou rapidamente em um modelo real na TPU.

Reserve um momento para rever esta lista de verificação em sua cabeça.

7. Parabéns!

Você criou sua primeira rede neural convolucional moderna e a treinou com mais de 80% de precisão, iterando sua arquitetura em minutos, graças às TPUs. Prossiga para o próximo laboratório para saber mais sobre arquiteturas convolucionais modernas:

• Pipelines de dados com velocidade de TPU: tf.data.Dataset e TFRecords
• Seu primeiro modelo do Keras com aprendizado por transferência
• [ESTE LABORATÓRIO] Redes neurais convolucionais, com Keras e TPUs
• Convnets modernas, squeezenet, xception, com Keras e TPUs

TPUs na prática

TPUs e GPUs estão disponíveis na AI Platform do Cloud:

• em VMs de aprendizado profundo
• nos Notebooks do AI Platform
• Nos jobs do AI Platform Training

Finalmente, adoramos feedback. Avise nossa equipe se você encontrar algo errado no laboratório ou achar que ele precisa ser melhorado. O feedback pode ser enviado pela página de problemas do GitHub [link do feedback].

Autor: Martin Görner Twitter: @martin_gorner

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