딥러닝의 기초– 드랍아웃, 이미지자료분석– CNN 구현
강의영상
https://youtube.com/playlist?list=PLQqh36zP38-xqwjyq36_GMUwqVLH_nzFj
imports
깊은신경망– 오버피팅
데이터
-
model: \(y_i = (0\times x_i) + \epsilon_i\)
모든 데이터를 사용하여 적합 (512, relu, 1000 epochs)
torch.manual_seed(1)
net = torch.nn.Sequential(
torch.nn.Linear(in_features=1,out_features=512),
torch.nn.ReLU(),
torch.nn.Linear(in_features=512,out_features=1)
)
loss_fn = torch.nn.MSELoss()
optimizr = torch.optim.Adam(net.parameters())
for epoc in range(1000):
## 1
yhat = net(x)
## 2
loss = loss_fn(yhat,y)
## 3
loss.backward()
## 4
optimizr.step()
optimizr.zero_grad()
전체데이터를 8:2로 나누어서 8만을 학습
-
데이터를 8:2로 나눈다
-
(xtr,ytr) 만 가지고 net를 학습시킨다.
torch.manual_seed(1)
net = torch.nn.Sequential(
torch.nn.Linear(in_features=1,out_features=512),
torch.nn.ReLU(),
torch.nn.Linear(in_features=512,out_features=1)
)
loss_fn = torch.nn.MSELoss()
optimizr = torch.optim.Adam(net.parameters())
for epoc in range(1000):
## 1
#
## 2
loss = loss_fn(net(xtr),ytr)
## 3
loss.backward()
## 4
optimizr.step()
optimizr.zero_grad()
깊은신경망– 드랍아웃
오버피팅의 해결
-
오버피팅의 해결책: 드랍아웃
torch.manual_seed(1)
net = torch.nn.Sequential(
torch.nn.Linear(in_features=1,out_features=512),
torch.nn.ReLU(),
torch.nn.Dropout(0.8),
torch.nn.Linear(in_features=512,out_features=1)
)
loss_fn = torch.nn.MSELoss()
optimizr = torch.optim.Adam(net.parameters())
for epoc in range(1000):
## 1
#
## 2
loss = loss_fn(net(xtr),ytr)
## 3
loss.backward()
## 4
optimizr.step()
optimizr.zero_grad()
plt.plot(xtr,ytr,'o')
plt.plot(xtest,ytest,'o')
plt.plot(x,net(x).data,'--k')
plt.title(r"network is in training mode",fontsize=15)
Text(0.5, 1.0, 'network is in training mode')
-
올바른 사용법
드랍아웃 레이어
tensor([0.0000, 0.0100, 0.0200, 0.0300, 0.0400, 0.0500, 0.0600, 0.0700, 0.0800,
0.0900, 0.1000, 0.1100, 0.1200, 0.1300, 0.1400, 0.1500, 0.1600, 0.1700,
0.1800, 0.1900, 0.2000, 0.2100, 0.2200, 0.2300, 0.2400, 0.2500, 0.2600,
0.2700, 0.2800, 0.2900, 0.3000, 0.3100, 0.3200, 0.3300, 0.3400, 0.3500,
0.3600, 0.3700, 0.3800, 0.3900, 0.4000, 0.4100, 0.4200, 0.4300, 0.4400,
0.4500, 0.4600, 0.4700, 0.4800, 0.4900, 0.5000, 0.5100, 0.5200, 0.5300,
0.5400, 0.5500, 0.5600, 0.5700, 0.5800, 0.5900, 0.6000, 0.6100, 0.6200,
0.6300, 0.6400, 0.6500, 0.6600, 0.6700, 0.6800, 0.6900, 0.7000, 0.7100,
0.7200, 0.7300, 0.7400, 0.7500, 0.7600, 0.7700, 0.7800, 0.7900, 0.8000,
0.8100, 0.8200, 0.8300, 0.8400, 0.8500, 0.8600, 0.8700, 0.8800, 0.8900,
0.9000, 0.9100, 0.9200, 0.9300, 0.9400, 0.9500, 0.9600, 0.9700, 0.9800,
0.9900, 1.0000])
tensor([0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.8000,
0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 1.4000, 0.0000, 0.0000, 0.0000,
0.0000, 0.0000, 0.0000, 2.1000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000,
0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 3.2000, 0.0000, 0.0000, 0.0000,
0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000,
0.0000, 0.0000, 4.7000, 0.0000, 4.9000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000,
0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 5.8000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000,
0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000,
0.0000, 0.0000, 0.0000, 7.5000, 7.6000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000,
0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 8.5000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000,
0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000, 0.0000,
0.0000, 0.0000])
- 90%의 드랍아웃: 드랍아웃층의 입력 중 임의로 90%를 골라서 결과를 0으로 만든다. + 그리고 0이 되지않고 살아남은 값들은 10배 만큼 값이 커진다.
-
드랍아웃레이어 정리
- 구조: 입력 -> 드랍아웃레이어 -> 출력
- 역할: (1) 입력의 일부를 임의로 0으로 만드는 역할 (2) 0이 안된것들은 스칼라배하여 드랍아웃을 통과한 모든 숫자들의 총합이 일정하게 되도록 조정
- 효과: 오버피팅을 억제하는 효과가 있음 (왜??)
- 의미: each iteration (each epoch x) 마다 학습에 참여하는 노드가 로테이션으로 랜덤으로 결정됨.
- 느낌: 모든 노드가 골고루 학습가능 + 한 두개의 특화된 능력치가 개발되기 보다 평균적인 능력치가 전반적으로 개선됨
이미지자료분석– data
-
download data
-
training set
-
test set
이미지자료분석– CNN 예비학습
기존의 MLP 모형
-
교재의 모형
Code
gv('''
splines=line
subgraph cluster_1{
style=filled;
color=lightgrey;
"x1"
"x2"
".."
"x784"
label = "Layer 0"
}
subgraph cluster_2{
style=filled;
color=lightgrey;
"x1" -> "node1"
"x2" -> "node1"
".." -> "node1"
"x784" -> "node1"
"x1" -> "node2"
"x2" -> "node2"
".." -> "node2"
"x784" -> "node2"
"x1" -> "..."
"x2" -> "..."
".." -> "..."
"x784" -> "..."
"x1" -> "node30"
"x2" -> "node30"
".." -> "node30"
"x784" -> "node30"
label = "Layer 1: ReLU"
}
subgraph cluster_3{
style=filled;
color=lightgrey;
"node1" -> "y"
"node2" -> "y"
"..." -> "y"
"node30" -> "y"
label = "Layer 2: Sigmoid"
}
''')
-
왜 \(28\times28\) 이미지를 784개의 벡터로 만든 다음에 모형을 돌려야 하는가?
-
기존에 개발된 모형이 회귀분석 기반으로 되어있어서 결국 회귀분석 틀에 짜 맞추어서 이미지자료를 분석하는 느낌
-
observation의 차원은 \(784\)가 아니라 \(1\times (28\times 28)\)이 되어야 맞다.
새로운 아키텍처의 제시
-
예전
\(\underset{(n,784)}{\bf X} \overset{l_1}{\to} \underset{(n,30)}{\boldsymbol u^{(1)}} \overset{relu}{\to} \underset{(n,30)}{\boldsymbol v^{(1)}} \overset{l_2}{\to} \underset{(n,1)}{\boldsymbol u^{(2)}} \overset{sig}{\to} \underset{(n,1)}{\boldsymbol v^{(2)}}=\underset{(n,1)}{\hat{\boldsymbol y}}\)
- \(l_1\): 선형변환, feature를 뻥튀기하는 역할
- \(relu\): 뻥튀기된 feature에 비선형을 추가하여 표현력 극대화
- \(l_2\): 선형변환, 뻥튀기된 feature를 요약 하는 역할 (=데이터를 요약하는 역할)
-
새로운 아키텍처
- \(conv\): feature를 뻥튀기하는 역할 (2d ver \(l_1\) 느낌)
- \(relu\):
- \(pooling\): 데이터를 요약하는 역할
CONV 레이어 (선형변환의 2D 버전)
-
우선 연산하는 방법만 살펴보자.
(예시1)
torch.manual_seed(43052)
_conv = torch.nn.Conv2d(1,1,(2,2)) # 입력1, 출력1, (2,2) window size
_conv.weight.data, _conv.bias.data
(tensor([[[[-0.1733, -0.4235],
[ 0.1802, 0.4668]]]]),
tensor([0.2037]))
(예시2) 잘하면 평균도 계산하겠다?
(예시3) 이동평균?
tensor([[[ 0., 1., 2., 3., 4.],
[ 5., 6., 7., 8., 9.],
[10., 11., 12., 13., 14.],
[15., 16., 17., 18., 19.],
[20., 21., 22., 23., 24.]]])
tensor([[[ 3., 4., 5., 6.],
[ 8., 9., 10., 11.],
[13., 14., 15., 16.],
[18., 19., 20., 21.]]], grad_fn=<SqueezeBackward1>)
(예시4) window size가 증가한다면? (2d의 이동평균느낌)
(tensor([[[ 0., 1., 2., 3., 4.],
[ 5., 6., 7., 8., 9.],
[10., 11., 12., 13., 14.],
[15., 16., 17., 18., 19.],
[20., 21., 22., 23., 24.]]]),
tensor([[[ 6.0000, 7.0000, 8.0000],
[11.0000, 12.0000, 13.0000],
[16.0000, 17.0000, 18.0000]]], grad_fn=<SqueezeBackward1>))
(예시5) 피처뻥튀기
(torch.Size([8, 1, 2, 2]), torch.Size([8]))
tensor([-0.3464, 0.2739, 0.1069, 0.6105, 0.0432, 0.8390, 0.2353, 0.2345],
grad_fn=<ReshapeAliasBackward0>)
torch.sum(_conv.weight.data[0,...])+_conv.bias.data[0],\
torch.sum(_conv.weight.data[1,...])+_conv.bias.data[1]
(tensor(-0.3464), tensor(0.2739))
결국 아래를 계산한다는 의미
tensor([-0.3464, 0.2739, 0.1069, 0.6105, 0.0432, 0.8390, 0.2353, 0.2345])
tensor([-0.3464, 0.2739, 0.1069, 0.6105, 0.0432, 0.8390, 0.2353, 0.2345],
grad_fn=<ReshapeAliasBackward0>)
(잔소리) axis 사용 익숙하지 않으면 아래 꼭 들으세요..
- https://guebin.github.io/IP2022/2022/04/11/(6주차)-4월11일.html , numpy공부 4단계: 축
ReLU (2d)
tensor([[[ 0.2656, 0.0780, 3.0465, 1.0151, -2.3908],
[ 0.4749, 1.6519, 1.5454, 1.0376, 0.9291],
[-0.7858, 0.4190, 2.6057, -0.4022, 0.2092],
[ 0.9594, 0.6408, -0.0411, -1.0720, -2.0659],
[-0.0996, 1.1351, 0.9758, 0.4952, -0.5475]]])
Maxpooling 레이어
(tensor([[[ 0., 1., 2., 3.],
[ 4., 5., 6., 7.],
[ 8., 9., 10., 11.],
[12., 13., 14., 15.]]]),
tensor([[[ 5., 7.],
[13., 15.]]]))
(tensor([[[ 0., 1., 2., 3., 4.],
[ 5., 6., 7., 8., 9.],
[10., 11., 12., 13., 14.],
[15., 16., 17., 18., 19.],
[20., 21., 22., 23., 24.]]]),
tensor([[[ 6., 8.],
[16., 18.]]]))
이미지자료분석– CNN 구현 (CPU)
(1) Conv2d
(2) ReLU
(3) MaxPool2D
(4) 적당히 마무리하고 시그모이드 태우자
-
펼치자.
(방법1)
(방법2)
print(X.shape)
print(c1(X).shape)
print(a1(c1(X)).shape)
print(m1(a1(c1(X))).shape)
print(flttn(m1(a1(c1(X)))).shape)
torch.Size([12665, 1, 28, 28])
torch.Size([12665, 16, 24, 24])
torch.Size([12665, 16, 24, 24])
torch.Size([12665, 16, 12, 12])
torch.Size([12665, 2304])
-
2304 \(\to\) 1 로 차원축소하는 선형레이어를 설계
l1 = torch.nn.Linear(in_features=2304,out_features=1)
print(X.shape)
print(c1(X).shape)
print(a1(c1(X)).shape)
print(m1(a1(c1(X))).shape)
print(flttn(m1(a1(c1(X)))).shape)
print(l1(flttn(m1(a1(c1(X))))).shape)
torch.Size([12665, 1, 28, 28])
torch.Size([12665, 16, 24, 24])
torch.Size([12665, 16, 24, 24])
torch.Size([12665, 16, 12, 12])
torch.Size([12665, 2304])
torch.Size([12665, 1])
-
시그모이드
l1 = torch.nn.Linear(in_features=2304,out_features=1)
print(X.shape)
print(c1(X).shape)
print(a1(c1(X)).shape)
print(m1(a1(c1(X))).shape)
print(flttn(m1(a1(c1(X)))).shape)
print(l1(flttn(m1(a1(c1(X))))).shape)
print(a1(l1(flttn(m1(a1(c1(X)))))).shape)
torch.Size([12665, 1, 28, 28])
torch.Size([12665, 16, 24, 24])
torch.Size([12665, 16, 24, 24])
torch.Size([12665, 16, 12, 12])
torch.Size([12665, 2304])
torch.Size([12665, 1])
torch.Size([12665, 1])
-
네트워크 설계
t1= time.time()
for epoc in range(100):
## 1
yhat = net(X)
## 2
loss = loss_fn(yhat,y)
## 3
loss.backward()
## 4
optimizr.step()
optimizr.zero_grad()
t2= time.time()
t2-t1
50.44565677642822
Text(0.5, 1.0, 'Traning Set')
이미지자료분석– CNN 구현 (GPU)
1. dls
2. lrnr 생성: 아키텍처, 손실함수, 옵티마이저
3. 학습
epoch | train_loss | valid_loss | time |
---|---|---|---|
0 | 0.904232 | 0.605049 | 00:01 |
1 | 0.661176 | 0.371011 | 00:00 |
2 | 0.507179 | 0.213586 | 00:00 |
3 | 0.392649 | 0.113123 | 00:00 |
4 | 0.304377 | 0.065496 | 00:00 |
5 | 0.238253 | 0.043172 | 00:00 |
6 | 0.188984 | 0.031475 | 00:00 |
7 | 0.151837 | 0.024563 | 00:00 |
8 | 0.123364 | 0.020047 | 00:00 |
9 | 0.101180 | 0.016816 | 00:00 |
4. 예측 및 시각화
Sequential(
(0): Conv2d(1, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
(1): ReLU()
(2): MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2), padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
(3): Flatten(start_dim=1, end_dim=-1)
(4): Linear(in_features=2304, out_features=1, bias=True)
(5): Sigmoid()
)
-
결과를 시각화하면 아래와 같다.
-
빠르고 적합결과도 좋음
Lrnr 오브젝트
Sequential(
(0): Conv2d(1, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
(1): ReLU()
(2): MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2), padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
(3): Flatten(start_dim=1, end_dim=-1)
(4): Linear(in_features=2304, out_features=1, bias=True)
(5): Sigmoid()
)
Sequential(
(0): Conv2d(1, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
(1): ReLU()
(2): MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2), padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
(3): Flatten(start_dim=1, end_dim=-1)
(4): Linear(in_features=2304, out_features=1, bias=True)
(5): Sigmoid()
)
BCEWithLogitsLoss
-
BCEWithLogitsLoss = Sigmoid + BCELoss - 왜 써요? 수치적으로 더 안정
-
사용방법
(1)
dls 만들기
(2)
lrnr생성
(3)
학습
epoch | train_loss | valid_loss | time |
---|---|---|---|
0 | 0.961450 | 0.642444 | 00:00 |
1 | 0.710476 | 0.420526 | 00:00 |
2 | 0.554592 | 0.249646 | 00:00 |
3 | 0.431471 | 0.119866 | 00:00 |
4 | 0.331343 | 0.060430 | 00:00 |
5 | 0.256211 | 0.036649 | 00:00 |
6 | 0.200881 | 0.025833 | 00:00 |
7 | 0.159627 | 0.019949 | 00:00 |
8 | 0.128309 | 0.016248 | 00:00 |
9 | 0.104140 | 0.013671 | 00:00 |
(4)
예측 및 시각화
Sequential(
(0): Conv2d(1, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
(1): ReLU()
(2): MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2), padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
(3): Flatten(start_dim=1, end_dim=-1)
(4): Linear(in_features=2304, out_features=1, bias=True)
)
tensor([[-5.9195],
[-8.3127],
[-6.5606],
...,
[ 6.3321],
[ 6.2545],
[ 6.3478]], grad_fn=<AddmmBackward0>)