Pythonによる機械学習入門〜基礎からDeep Learningまで〜
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電子情報通信学会総合大会2016 企画セッション 「パターン認識・メディア理解」必須ソフトウェアライブラリ 手とり足とりガイド
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Pythonによる機械学習入門〜基礎からDeep Learningまで〜
- 1. Pythonによる機械学習⼊⾨ 〜基礎からDeep Learningまで〜 電⼦情報通信学会総合⼤会 2016 企画セッション 「パターン認識・メディア理解」必須ソフトウェアライブラリ ⼿とり⾜とりガイド 名古屋⼤学 情報科学研究科 メディア科学専攻 助教 川⻄康友 1
- 2. ⾃⼰紹介 l 経歴 Ø 2012年 京都⼤学⼤学院 情報学研究科 博⼠後期課程修了 Ø 2012年 京都⼤学 学術情報メディアセンター 特定研究員 Ø 2014年 名古屋⼤学 未来社会創造機構 特任助教 Ø 2015年 名古屋⼤学 情報科学研究科 助教 l 研究テーマ Ø ⼈物画像処理 ²⼈物検出 ²⼈物追跡 ²⼈物検索 ²⼈物照合 ²歩⾏者属性認識 Ø 背景画像推定 2 ← PRMUでサーベイ発表しています ← PRMUでサーベイ発表しています ← Pythonを使用 ← 一部Pythonを使用 ← 一部Pythonを使用
- 4. Python⼊⾨編 4
- 5. Pythonを勉強するための資料集 l@shima__shimaさん Ø機械学習の Python との出会い ²numpyと簡単な機械学習への利⽤ l@payashimさん ØPyConJP 2014での「OpenCVのpythonインター フェース⼊⾨」の資料 ²Pythonユーザ向けの，OpenCVを使った画像処理解説 lPython Scientific Lecture Notes Ø⽇本語訳 Ø⾮常におすすめ Ønumpy/scipyから画像処理， 3D可視化まで幅広く学べる
- 18. 基本的な型，制御構⽂，関数 l⽂字列の連結 Ø+ 演算⼦で連結可能 l⽂字列の整形⽅法 ØC⾔語でのprintf系関数の処理 Ø % 演算⼦を利⽤ Ø複数の場合は ( ) で囲む 18 str = "文字列" + "別の文字列" val = 10 str = "整数: %d" % val val = 10; f = 0.01; s = "abc" str = "整数: %d, 浮動小数点数: %f, 文字列: %s" % (val, f, s)
- 19. 基本的な型，制御構⽂，関数 lif⽂ lwhile⽂ lfor⽂ 19 if 条件1: 条件1の場合の処理 elif 条件2: 条件2の場合の処理 else: それ以外の場合の処理 while 条件: 条件が真の間繰り返し c = [0.1, 2.34, 5.6, 7.89] # コンテナ for x in c: # c の要素を x で参照しながら繰り返し print(x) スペース4個分 コロン
- 20. 基本的な型，制御構⽂，関数 l関数の定義 l関数の呼び出し 20 a = 10 b = 20 c = sample(a, b) def sample(x, y): # 色々な処理 z = x + y return z スペース4個分
- 21. その他 tips l多重代⼊ ØC⾔語等と違い，複数の値を同時にreturnできる Øswapも可能 21 def test(a, b): c = a + 1 d = b * 2 return c, d x, y = test(1, 2) a, b = b, a x, y には 2 と 4 がそれぞれ⼊る
- 22. その他 tips lリストの⽣成 range 関数 lリストの要素とインデックスを取得 22 range(5) # [0, 1, 2, 3, 4] for i in range(10): print(i) a = ["a", "b", "c"] for i, v in enumerate(a): print("a[%d]=%s" % (i, v)) 多重代⼊ インデックスと要素の値を i, vで参照可能
- 23. その他 tips lオプション引数 Øデフォルト値の指定 l名前付き引数 23 def func(a, b=10, c=False): # 関数 # 関数呼び出し時 func(10, c=True) 引数 b には指定せず 引数 c だけ値を指定するとき 引数を指定しないとb=10, c=False となる
- 24. モジュールとパッケージ lモジュール ØPythonで書いた関数やクラスをまとめた 1つのファイル lパッケージ Øモジュールが複数まとめられたもの l使い⽅ Øインポートすれば利⽤可能 24 import モジュール名 from モジュール名 import 関数名 from パッケージ名 import モジュール名 import モジュール名 as 別名
- 26. numpyの⾏列 lN次元配列 ndarray ØOpenCVの cv::Mat みたいな感じで利⽤ ²今回は特徴量やラベルの配列として利⽤ ²1⾏が1つの特徴量 Ø通常のリストとは違い，型は統⼀ 26 import numpy as np a = np.array([[0,0,1],[0,0,2]], dtype=np.float32) b = np.array([[1,2,3],[4,5,6]], dtype=np.float32) c = a + b d = a * b e = np.dot(a, b.T) 要素ごとの演算 ⾏列の積を求める場合はnp.dot関数 .T は転置⾏列 型を指定（np.float32, np.int8など）
- 27. numpyの⾏列 l インデキシング（特定の要素の値を取り出す） l スライシング（特定の範囲を取り出す） Ø 特徴量のうち特定のサンプルだけ使う，特定の次元だけ使う，など l ファンシーインデキシング（条件に合う⾏，列を取り出す） Ø 認識失敗したものに対応する特徴量を取り出す，など 27 a[i, j] # 行列 a の (i, j) 要素 a[i, :] # 行列 a の i 行目（のベクトル） a[:, j] # 行列 a の j 列目 a[:, 0:3] # 行列 a の 0, 1, 2列目の部分行列 a[b==1, :] # 行列 a のうち， # 行列 b の要素が 1 であるものに # 対応する行列
- 28. ⾏列に対する演算 lユニバーサル関数 Ø⾏列の各要素に関数を適⽤，⾏列を返す l集計⽤の関数 28 import numpy as np a = np.array([[0,0,1],[0,0,2]]) print(np.count_nonzero(a)) ⾮ゼロの要素数を返す import numpy as np a = np.array([[1,2,3],[4,5,6]], dtype=np.int32) b = np.power(a, 2.0) ⾏列 a の各要素を2乗した⾏列を返す
- 29. 機械学習編 29
- 32. 今回チャレンジする問題 l多クラス分類問題 Ø⼊⾨編 ²Iris Dataset – 花（あやめ）の3クラス分類 Ø実践編 ²Pedestrian Direction Classification Dataset – 歩⾏者の向き8⽅向分類 32
- 34. 使⽤するクラス分類器 lクラス分類器 ØLinear SVM Øk Nearest Neighbors Ø(Kernel) SVM ØAdaBoost ØRandom Forest ØNeural Network ØConvolutional Neural Network 34 この部分は chainer という パッケージを利用
- 35. クラス分類器（乱暴に図と⼀⾔で表しています） 35 Linear SVM Kernel SVM k-NN AdaBoost Random Forest Neural Network CNN ・・・ 弱識別器 苦⼿な問題を他の弱識別器へ 多数決 マージン最⼤化 ⾮線形の識別平⾯ 複数の決定⽊をランダムに⽣成 畳み込み層による特徴抽出も⾏う線形結合と活性化関数 アンサンブル学習 Deep Learning
- 38. 機械学習にチャレンジ l特徴量の読み込み l特徴量の分割 from sklearn.datasets import load_iris dataset = load_iris() features = np.array(dataset["data"], dtype=np.float32) labels = np.array(dtaset["target"], dtype=np.int32) # 学習データとテストデータに分ける train_features, test_features, train_labels, test_labels = （行続く） train_test_split(features, labels, test_size=0.3) scikit-learnに用意されている， Iris Datasetを読み込むための関数 型を修正しておく 特徴量とラベルを取り出す 特徴量を学習用とテスト用に分割する関数 何割をテストに使うかの引数（この例だと3割）
- 42. 実際のデータの読み込み l普通は事前にOpenCVなどで特徴抽出 Ø特徴量を保存しておく Ø保存形式は svmlight / libsvm の形式が便利 ²特徴量とラベルを分けて読み込める lscikit-learnには以下の関数が存在 42 from sklearn.datasets import load_svmlight_file from sklearn.datasets import dump_svmlight_file # 読み込み data = load_svmlight_file("ファイル名") features = data[0].todense() labels = data[1] # 書き出し dump_svmlight_file(features, labels, "ファイル名") SparseMatなので denseに変換
- 43. svmlight / libsvm 形式 llibsvmなどのツールで利⽤されている形式 Øそのまま svm-train などのコマンドで利⽤可 43 1 1:0.111 2:0.253 3:0.123 4:-0.641 … 1 1:0.121 2:0.226 3:0.143 4:-0.661 … -1 1:0.511 2:-0.428 3:0.923 4:0.348 … -1 1:0.751 2:-0.273 3:0.823 4:0.632 … クラスラベル 特徴量の次元番号：特徴量の値 の組が次元数分ある
- 44. 学習した識別器の保存，読み込み l普通は学習した識別器を保存して別途テスト Ø保存にはPythonでは⼀般的にシリアライズ関数 （オブジェクトをそのまま保存）を利⽤することが多い ²pickleというパッケージ lscikit-learnには以下の関数が存在 Øpickleよりも効率的らしい 44 # 保存 from sklearn.externals import joblib joblib.dump(classifier, "ファイル名") # 読み込み classifier = joblib.load("ファイル名")
- 45. 学習した識別器の保存，読み込み l保存ができると… Ø学習スクリプトと評価スクリプトを分離可能 45 from sklearn.svm import LinearVC from sklearn.externals import joblib # 学習 classifier = SVC() classifier.fit(X, t) # 保存 joblib.dump(classifier, "svc.model") from sklearn.externals import joblib # 読み込み classifier = joblib.load("svc.model") # 評価 result = classifier.predict(X) 学習スクリプト 評価スクリプト 学習まで終わった段階で 識別器の状態を保存 学習済みの識別器を読み込んで すぐに評価
- 46. 【実践2】試してみましょう lデータを読み込んで認識 Ø今回の課題 ²歩⾏者向き認識 – samples/images/ に 8⽅向別の画像 ²HOG特徴量を抽出済み Ø⽤意したデータ ²学習⽤：samples/features/train.scale ²評価⽤：samples/features/test.scale 46
- 47. 識別器を切り替えてみる l今までの説明は線形SVMを利⽤ l他の識別器を使ってみよう Ø書き換えるべき部分は以下の3⾏だけ！ 47 from sklearn.svm import LinearSVC 〜中略〜 # 学習 classifier = SVC() 〜中略〜 # 保存 joblib.dump(classifier, "svc.model")
- 48. 識別器 l使いたい識別器を決める l保存ファイル名を識別器に合わせて変える 48 from sklearn.svm import LinearSVC # 線形SVM from sklearn.svm import SVC # 非線形SVM from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier # kNN識別器 from sklearn.ensemble import AdaBoostClassifier # AdaBoost from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier # Random Forest classifier = LinearSVC() classifier = SVC() classifier = KNeighborsClassifier() classifier = AdaBoostClassifier() classifier = RandomForestClassifier() joblib.dump(classifier, "svc.model") 使いたいものを インポート 使いたいものを classifierに代入
- 49. Confusion Matrix l結果の集計 Ø全体の平均スコアだけでなく， クラスごとの誤りを知りたい場合 ²Confusion Matrixの利⽤ lsklearn.metrics 内に confusion_matrix 関数が存在 Øconfusion_matrix(test_labels, results) ²正解と認識結果を⼊れると結果の ndarray が返る ²printすれば表⽰可能 49 クラス0 クラス1 クラス2 クラス0 13 0 0 クラス1 0 11 3 クラス2 0 3 15
- 51. クロスバリデーション l1つの学習・テストデータセットでは 結果がかたよる可能性 Øデータを複数個に分割し， 何回か学習・テストを試して平均を取る Ø例：10-fold cross validation ²100個のデータを10分割 – 90個で学習→10個でテスト – テストに使うセットを替えて10回実⾏ 51
- 52. lsklearn.cross_validation 内に cross_val_score という関数が存在 result = cross_val_score(clf, data_x, data_y, cv=10) print(“accuracy: %f ±%f” % (result.mean(), result.std()) クロスバリデーション 52 10-fold cross validationを実行 好きなクラス分類器 学習用のデータセット 平均と標準偏差を表示
- 53. 【実践4】試してみましょう l好きな識別器を使い， 10-fold cross validationしてみよう Øこれまでの，「学習」「評価」の部分を， 前述の corss_validation_score 関数に置換 53
- 54. Deep Learningを試してみる lDeep Learningの代表的なパッケージ Øcaffe (by BVLC) Øchainer (by Preferred Networks) ØTensorFlow (by Google) 54
- 57. Deep Learningでのキーワード l活性化関数 Ø線形結合した後に適⽤する関数 Ø例 ²シグモイド関数 ²ReLU (Rectified Linear Unit) ²maxout lバックプロパゲーション（誤差逆伝播法） Øネットワークの出⼒値と正解値との誤差を逆伝播 Ø誤差が⼩さくなるようにパラメータを更新 57
- 60. ネットワークの構築 l決めないといけないこと Ø層数 Ø各層のユニット数 Ø層間に適⽤する関数 60 from chainer import FunctionSet import chainer.functions as F model = FunctionSet( l1=F.Linear(4, 200), l2=F.Linear(200, 100), l3=F.Linear(100, 3)) 入力層=特徴量次元 線形結合を3層 4次元（入力）→200次元 200次元→100次元 100次元→3次元（出力） 層数 ユニット数 ユニット数 ・・・ ・・・ 関数 関数
- 61. ネットワークの構築 l伝播のさせ⽅ Ø活性化関数，ドロップアウトなどの設定 Ø評価関数の設定 61 from chainer import Variable def forward(feature, label, train=True): x = Variable(feature) y = Variable(label) h1 = F.dropout(F.relu(model.l1(x)), train=train) h2 = F.dropout(F.relu(model.l2(h1)), train=train) p = model.l3(h2) return F.softmax_cross_entropy(p, y), F.accuracy(p, y) Dropoutをする場合 chainer用の変数へ変換 活性化関数 train=Trueの時のみ Dropoutを実行 引数の初期値 学習データでの予測精度誤差関数としてsoftmaxの cross_entropyを利用
- 62. 最適化⼿法の選択 loptimizersで定義されている Ø⾊々なパラメータ更新⽅法 ²SGD ( Stochastic Gradient Descent) ²AdaGrad ²RMSprop ²Adam (ADAptive Moment estimation) 62 from chainer import optimizers optimizer = optimizers.Adam() optimizer.setup(model.collect_parameters()) 最適化のモジュール modelのパラメータを登録する 学習率を 自動的に 調整する 改良
- 63. ミニバッチの作成・学習 l データを分割して順番に伝播，誤差逆伝播 63 import numpy as np n_epoch = 100 batchsize = 20 N = len(features) for epoch in range(n_epoch): print('epoch: %d' % (epoch+1)) perm = np.random.permutation(N) sum_accuracy = 0 sum_loss = 0 for i in range(0, N, batchsize): x_batch = features[perm[i:i+batchsize]] y_batch = labels[perm[i:i+batchsize]] optimizer.zero_grads() loss, acc = forward(x_batch, y_batch) loss.backward() optimizer.update() sum_loss += float(loss.data) * batchsize sum_accuracy += float(acc.data) * batchsize print("loss: %f, accuracy: %f", sum_loss / N, sum_accuracy / N) 繰り返し回数 ミニバッチの分割 各ミニバッチ毎にパラメータ更新 勾配の初期化 順伝播 誤差の逆伝播 パラメータの更新
- 64. 評価 lテストデータをネットワークに通す 64 #%% # 伝播のさせ方 def forward_predict(features, label, train=True): x = Variable(features) y = Variable(label) h1 = F.max_pooling_2d(F.relu(model.conv1(x)), ksize=5) h2 = F.max_pooling_2d(F.relu(model.conv2(h1)), ksize=5) h3 = F.dropout(F.relu(model.fc1(h2)), train=train) p = model.fc2(h3) return p.data #%% # テスト result_scores = forward_predict(test_features, train=False) results = np.argmax(result_scores, axis=1) 各クラスのスコアが出てくるので argmax を取る ネットワークの出力を返すように修正
- 66. CNNを試してみる l変更点 Ø特徴量ではなく，画像を読み込む ²これまでは抽出済みの特徴量を読み込んでいた – サンプル数 x 特徴量次元数 の ndarray を利⽤ ²CNNでは2次元の画像を読み込む – サンプル数 x チャンネル数 x 画像の⾼さ x 画像の幅 の ndarray を利⽤ ØConvolution層を追加 ²Convolution+ReLU+Maxout – フィルタ畳み込み – 活性化関数を通して – 領域内の最⼤値を出⼒ 66
- 67. CNNの構築 l画像の読み込み lネットワークの構造 67 from chainer import FunctionSet import chainer.functions as F # ネットワークの構築 model = FunctionSet( conv1=F.Convolution2D(1, 32, 3), conv2=F.Convolution2D(32, 64, 3), fc1=F.Linear(512, 200), fc2=F.Linear(200, 8)) 入力層=1チャンネル（モノクロ画像） Convolution層が2つ， 全結合層が2つ 1→32チャンネル 32→64チャンネル 512次元→200次元 200次元→8次元（出力） ## 画像ファイル分の容量を確保 ## 画像枚数xチャンネル数(1)x高さx幅 features = np.ndarray((len(filenames), 1, 96, 48), dtype=np.float32) labels = np.ndarray((len(filenames),), dtype=np.int32)
- 68. CNNの構築 l伝播のさせ⽅ Ø活性化関数，ドロップアウトなどの設定 Ø評価関数の設定 68 from chainer import Variable def forward(feature, label, train=True): x = Variable(feature) y = Variable(label) h1 = F.max_pooling_2d(F.relu(model.conv1(x)), ksize=5) h2 = F.max_pooling_2d(F.relu(model.conv2(h1)), ksize=5) h3 = F.dropout(F.relu(model.fc1(h2)), train=train) p = model.fc2(h3) return F.softmax_cross_entropy(p, y), F.accuracy(p, y) chainer用の変数へ変換 学習データでの予測精度誤差関数としてsoftmaxの cross_entropyを利用 カーネルサイズ5で max pooling
- 71. 71