Generative Adversarial Network (1)

Posted on In

PyTorch

Setup

How to install PyTorch in M1 Mac

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conda install pytorch torchvision torchaudio -c pytorch-nightly

RIP Kernel

  • conda activate env 이후 jupyter notebook을 통해 import torch를 실행할 경우 위의 사진과 같이 커널이 죽는다.
  • 따라서 아래 명령어를 통해 jupyter notebook에서 커널을 선택할 수 있게 해줘야한다.
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conda install nb_conda_kernels

Change kernel

  • 위의 모듈 nb_conda_kernels를 통해 모든 가상환경들을 선택해서 jupyter notebook에서 사용할 수 있다.

Tensor and Gradient

In
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x = torch.tensor(3.5)
y = x + 2
print(x,y)
Out
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tensor(3.5000) tensor(5.5000)
  • 일반적 계산과 다르게 PyTorch 내에서의 수식은 $y(x) = x$와 같이 저장된다.
In
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x = torch.tensor(4., requires_grad = True)
y = pow(x, 2) + 1
print(y) #함수값 출력
y.backward()
print(x.grad) #미분값 출력
Out
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tensor(17., grad_fn=<AddBackward0>)
tensor(8.)
  • 이와 같이 $y(x) = x$로 관계가 저장되기 때문에 $y’(x)$를 산정할 수 있다.
In
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x = torch.tensor(4., requires_grad = True)
y = x*x
z = 3*y + 1 # 3x^2 + 1
z.backward()
print(x.grad)
Out
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tensor(24.)

Neural Network based on PyTorch

Data Description (MNIST)

Download MNIST Train Data
Download MNIST Test Data

Read MNIST Data
MNIST

  • 첫 숫자는 해당 이미지의 label을 의미한다.
  • 나머지 784개의 숫자는 $28\times 28$으로 이뤄진 이미지의 각 픽셀 값이다.

Data Visualization
Data Visualization

Artificial Neural Network

  • 앞서 말한 것과 같이 이미지는 $28\times 28$ 즉, 784개의 픽셀 값으로 이루어져있다.
  • 따라서 input layer는 784개의 node를 지녀야한다.
  • 또한 label의 종류가 10개 (0 ~ 9) 이므로 output layer는 10개의 node를 지녀야한다.
  • 가장 간단한 신경망을 구성하기 위해 아래 항들을 따른다.
    • 특정 layer의 모든 node들은 그 다음 레이어의 모든 node와 연결 (fully connected)
    • Input layer와 output layer 사이에 존재하는 hidden layer의 크기는 200
    • Hidden layer와 output layer 사이의 activation function은 logistic function
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import torch
import torch.nn as nn

class ANN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear(784, 200),
            nn.Sigmoid(),
            nn.Linear(200, 10),
            nn.Sigmoid()
        )
        self.loss_function = nn.MSELoss()
        self.optimiser = torch.optim.SGD(self.parameters(), lr=0.01)
        self.counter = 0
        self.progress = []
        pass
    
    def forward(self, inputs):
        return self.model(inputs)
문법 명칭 의미
ANN(nn.Module) 클래스 이름 nn.Module로부터 상속
__init__() 생성자 (constructor) -
super.__init__() - 부모 클래스의 생성자 호출
nn.Sequential() - 파라미터를 통해 간단한 레이어 정의
nn.Linear(m,n) - m개의 노드로부터 n개의 노드까지의 선형 완전 연결 매핑
nn.Sigmoid() - 로지스틱 활성화 함수를 이전 레이어의 출력에 적용
nn.MSELoss() - 신경망에서 오차를 정의하는 방법 중 하나
torch.optim.SGD() - 손실을 토대로 신경망의 가중치를 수정하는 방법 중 하나
  • nn.Linear(): $Ax+B$와 같은 형태로 노드 사이를 연결
    • $A$: 가중치
    • $B$: 편향 (bias)
    • 위 두 파라미터를 학습 파라미터 (learnable parameter)라고 명함
  • nn.MSELoss(): 평균제곱오차 (Mean Squared Error)을 통해 실제와 예측된 결과 사이의 차이를 제곱하고 평균내어 계산
    • Loss function: 학습 파라미터 업데이트하기 위해 오차 계산
    • Error (오차) vs. Loss (손실)
      • Error: 정답과 예측값 사이의 차이
      • Loss: 궁극적으로 풀어야 할 문제에 대한 오차
      • 비슷하지만 딥러닝에서 굳이 따지자면 Loss를 기반으로 신경망의 가중치 업데이트
  • torch.optim.SGD(): 확률적 경사 하강법 (Stochastic Gradient Descent)
    • self.parameters()를 통해 세세한 설정 가능
  • ANN.forward()
    • 입력값을 받아 nn.Sequential()에서 정의한 self.model()에 전달
    • 모델의 결과는 forward()를 호출한 곳으로 전달
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...
    def train(self, inputs, targets):
        outputs = self.forward(inputs)
        loss = self.loss_function(outputs, targets)
        self.counter += 1
        if (self.counter % 10 == 0):
            self.progress.append(loss.item())
            pass
        if (self.counter % 10000 == 0):
            print("counter = ", self.counter)
            pass
        self.optimiser.zero_grad()
        loss.backward()
        self.optimiser.step()
        pass
  • ANN.train(): 구성한 신경망의 훈련을 위한 메서드
    • 신경망에 전달할 입력과 원하는 목표의 출력으로 구성 $\rightarrow$ 손실 계산
    1. self.forward(inputs) $\rightarrow$ self.model(inputs) $\rightarrow$ outputs
      • 입력값을 신경망에 전달하여 결과 산출
    2. outputs $\rightarrow$ self.loss_function() $\rightarrow$ loss
      • 신경망의 손실 계산
    3. self.optimiser.zero_grad() $\rightarrow$ loss $\rightarrow$ loss.backward() $\rightarrow$ self.optimiser.step()
      • 계산 그래프의 기울기 초기화 후 손실을 통해 신경망의 가중치 업데이트
      • 기울기 초기화 제외 시 loss.backward()를 따라 모든 계산에 중첩

Training Process Visualization

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...
    def plot_progress(self):
        df = pandas.DataFrame(self.progress, columns=['loss'])
        df.plot(ylim=(0, 1.0), figsize=(16,8), alpha=0.1, marker='.', grid=True, yticks=(0, 0.25, 0.5))
        pass
  • 훈련이 진행되는 동안 매 10개의 훈련 샘플마다 손실값을 저장하여 시각화

Data Handling for PyTorch

  • torch.utils.data.Dataset 객체 이용
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from torch.utils.data import Dataset

class MnistDataset(Dataset):
    def __init__(self, csv_file):
        self.data_df = pandas.read_csv(csv_file, header=None)
        pass
    
    def __len__(self):
        return len(self.data_df)
    
    def __getitem__(self, index):
        label = self.data_df.iloc[index,0]
        target = torch.zeros((10))
        target[label] = 1.0
        image_values = torch.FloatTensor(self.data_df.iloc[index,1:].values) / 255.0
        return label, image_values, target
    
    def plot_image(self, index):
        img = self.data_df.iloc[index,1:].values.reshape(28,28)
        plt.title("label = " + str(self.data_df.iloc[index,0]))
        plt.imshow(img, interpolation='none', cmap='Blues')
        pass
    
    pass
문법 의미
__len__() 데이터셋의 길이 반환
__getitem__() 데이터셋의 n번째 아이템 반환

__getitem__()
getitem

plot_image()
plot_image

Classifier Training

Classifier training
Classifier training

Plot loss chart
plot loss chart

Classifier Validation

Classification of test data
Classification of test data

Classifier validation
Classifier validation

  • 87.99%의 분류 정확도

GPU 가속

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import torch
import torch.nn as nn

class ANN_GPU(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear(784, 200),
            nn.Sigmoid(),
            nn.Linear(200, 10),
            nn.Sigmoid()
        )
        self.loss_function = nn.MSELoss()
        self.optimiser = torch.optim.SGD(self.parameters(), lr=0.01)
        self.counter = 0
        self.progress = []
        pass
    
    def forward(self, inputs):
        return self.model(inputs)
    
    def train(self, inputs, targets, device):
        inputs, targets = inputs.to(device), targets.to(device)
        outputs = self.forward(inputs)
        loss = self.loss_function(outputs, targets)
        self.counter += 1
        if (self.counter % 10 == 0):
            self.progress.append(loss.item())
            pass
        if (self.counter % 10000 == 0):
            print("counter = ", self.counter)
            pass
        self.optimiser.zero_grad()
        loss.backward()
        self.optimiser.step()
        pass
    
    def plot_progress(self):
        df = pd.DataFrame(self.progress, columns=['loss'])
        df.plot(ylim=(0, 1.0), figsize=(16,8), alpha=0.1, marker='.', grid=True, yticks=(0, 0.25, 0.5))
        pass
    
    pass

%%time

device = torch.device("mps")
C_GPU = ANN_GPU()
C_GPU = C_GPU.to(device)
LearningData = MnistDataset('MNIST/mnist_train.csv')

epochs = 4

for i in range(epochs):
    print('training epoch', i+1, "of", epochs)
    for label, image_data_tensor, target_tensor in LearningData:
        C.train(image_data_tensor, target_tensor, device)
        pass
    pass
  • 근데 CPU로 훈련하는게 더 빠름…

Neural Network Reinforcement

Loss Function

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        self.loss_function = nn.BCELoss()
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Reinforcing Neural Network by Changing Loss Function
Reinforcing Neural Network by Changing Loss Function

  • 이진 교차 엔트로피 (Binary Cross Entropy, BCE) 손실: Classification에서 loss function으로 자주 사용
    • 확실하게 틀린 경우 큰 페널티 부여
    • MSELoss()에 비해 반복에 따라 손실이 느리게 감소
    • BCELoss()을 사용함으로 MSELoss()를 사용한 모델에 비해 87.99%에서 91.02%으로 분류 정확도 향상

Activation Function

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        self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear(784, 200),
            nn.LeakyReLU(0.02),
            nn.Linear(200, 10),
            nn.LeakyReLU(0.02)
        )
        self.loss_function = nn.MSELoss()
...

Reinforcing Neural Network by Changing Activation Function
Reinforcing Neural Network by Changing Activation Function

  • Logistic function: 뉴런에서 일어나는 신호 전달 현상과 비슷하여 초기의 신경망에서 자주 사용
    • 수학적으로 기울기를 도출하기 간단
    • 큰 값들에 대해 기울기가 작고 사라질 수 있음
    • 소실될 경우 이를 포화 (saturation)이라고 함
  • 정류 선형 유닛 (Rectified Linear Unit, ReLU)
    • 0보다 큰 값들에 대해 일정한 기울기
    • 0보다 작은 값들에 대해 경사가 0이기 때문에 기울기가 소실되는 문제가 여전히 존재
  • Leaky ReLU
    • 0보다 작은 경우 미세한 기울기 허용
    • 손실 함수로 BCELoss() 사용 불가 $\rightarrow$ BCE 손실은 0과 1 사이 외의 값을 받을 수 없음
    • 91.02%에서 97.07%으로 분류 정확도 향상

Optimizer

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        self.optimiser = torch.optim.Adam(self.parameters())
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Reinforcing Neural Network by Changing Optimizer
Reinforcing Neural Network by Changing Optimizer

  • 확률적 경사 하강법 (Stochastic Gradient Descent, SGD)
    • 국소 최적해에 빠질 가능성 존재
    • 모든 학습 파라미터에 단일한 학습률 적용
  • Adam
    • 관성을 이용하여 국소 최적해로 빠질 가능성 최소화
    • 각 학습 파라미터에 대해 다른 학습률 적용

Normalization

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self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear(784, 200),
            nn.LeakyReLU(0.02),
            nn.LayerNorm(200),
            nn.Linear(200, 10),
            nn.LeakyReLU(0.02)
        )
...

Reinforcing Neural Network by Normalization
Reinforcing Neural Network by Normalization

  • 신경망의 가중치 혹은 신호의 값에 대해 peak로 인해 중요한 값이 소실될 수 있음
  • 따라서 파라미터들의 범위를 조절하거나 평균을 0으로 설정하는 방법 사용 $\rightarrow$ 정규화 (normalization)

Combination

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        self.model = nn.Sequential(
            nn.Linear(784, 200),
            nn.LeakyReLU(0.02),
            nn.LayerNorm(200),
            nn.Linear(200, 10),
            nn.Sigmoid()
        )
        self.loss_function = nn.BCELoss()
        self.optimiser = torch.optim.Adam(self.parameters())
        self.counter = 0
        self.progress = []
        pass
...

Reinforcing Neural Network
Reinforcing Neural Network

  • Loss Function
  • Activation Function
  • Optimizer
  • Normalization

CUDA

  • Tensor operation speed: Vanila python <<< Numpy
  • CUDA (Compute Unified Device Architecture): GPU (Graphic Processing Unit) 기반 머신러닝 표준 소프트웨어 프레임워크
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device = torch.device("mps") #CUDA 아님. . .

CUDA는 아니지만 M1 Mac에서의 GPU 가속…
GPU