[Cloud ML Tutorial]:
Training CIFAR-10 Estimator Model with TensorFlow
for Hyperparameter Optimization



ABSTRACT

CIFAR-10 이미지 데이터를 분류하는 ResNet 모델을 텐서플로우(tensorflow) 고차원 API로 작성한 레퍼런스 코드를 분석하고 이 모델을 CPU, GPU, 구글 클라우드 플랫폼(GCP)의 기계학습 엔진(ML 엔진) 서비스에서 학습하는 방법을 기술한다. GCP에서 딥러닝의 초모수를 찾아주는 자동화 서비스인 초모수 미세조정(hyperparameter tuning) 기능을 사용하고 분산 환경을 이용해 효과적인 초모수 최적화 방법에 대한 논의한다.



INTRODUCTION

텐서플로우는 구글에서 개발한 오픈소스 딥러닝 프레임워크로써 다양한 프로그래밍 언어에서 텐서(Tensor)를 처리할 수 있는 API를 이용해 데이터 흐름 형태의 모델(Dataflow-like model)을 구현하면, 다양한 형태의(heterogeneous) 하드웨어에서 분산 처리할 수 있는 기능을 제공한다. 텐서는 임의의 다차원의 배열을 지칭하는데, 일반적인 컴퓨팅 기기에서는 메모리에 올려서 처리하기 힘들 정도로 매우 큰 크기(big data)를 갖거나 행렬 분해(matrix decomposition) 등의 연산을 처리하는데 오랜 시간이 걸리기 때문에 딥러닝을 활용하는데 걸림돌이 되었다. 텐서플로우는 이런 대용량 데이터를 효과적으로 다룰 수 있는 최적화 알고리즘을 제공할 뿐 아니라, 상이한 기기들로 이뤄진 분산 시스템에서도 모델을 효과적으로 학습하거나 활용할 수 있도록 설계하여 연구 뿐 아니라 실제 서비스에도 활용할 수 있다.


CIFAR-10은 캐나다 고등연구소(CIFAR)에서 이미지 분류(image classification problem) 문제 해결을 위해 수집해 정리한 데이터(labeled data)로 다양한 기계 학습(machine learning) 알고리즘의 성능을 비교하기 위한 벤치 마크(benchmark)로 빈번히 사용된다. 이 데이터 셋에는 비행기, 자동차, 배, 트럭, 새, 고양이, 사슴, 개, 개구리, 말 열 가지 종류의 사진이 각각 6천 장 씩 32x32 크기의 RGB 컬러 이미지(color image)로 편집되어 있다. 대부분 이중 5만 장을 학습 데이터(training data)로 만 장을 평가 데이터(test data)로 나눠 사용하는데 일반화 오류(generalization error)를 줄이기 위해 평가 데이터는 절대 알고리즘을 학습하는 데 사용하지 않고 오직 성능을 실험하는데만 사용한다. 필요한 경우 평가 데이터의 일부를 다시 유효성 확인 데이터(validation data)로 분리하여 교차 검증를 통해 모델의 과적합(overfitting)을 막거나 알고리즘의 초모수(hyperparameter)를 최적화하는데 사용하기도 한다.


여기서는 튜토리얼로 공개된 텐서플로우 레퍼런스 모델의 일부인 CIFAR-10 estimator를 상세 분석해 텐서플로우의 고차원 API를 통해 모델을 생성하는 방법과 분산 환경을 포함한 다양한 컴퓨팅 기기에서 학습을 수행하기 위한 방법을 이해하고자 한다. 이후로 관련 연구로써 학습 모델로 사용된 깊은 신경망(deep neural network - DNN)의 하나인 ResNet과 초모수 최적화 기법 등 딥러닝의 실제적 적용을 위해 필요한 기법들을 설명하고 튜토리얼 코드에 대해 구조 분석과 상세 분석을 수행한다. 해당 코드를 CPU, GPU, ML 엔진 등에서 각각 수행한 결과를 비교하고 학습 데이터에 최적화된 모델을 찾기 위한 초모수 최적화 알고리즘을 클라우드 환경을 이용해 수행하는 방법을 모색한다.



기계 학습은 주어진 과제 T를 학습하기 위해 경험 혹은 데이터 E 로 목표 성능 P 을 달성하기 위한 계산 통계학적 알고리즘(Tom Mitchell, 1997)이다. 이중 딥러닝이라고 불리는 심층 신경망(deep neural network)은 뉴런(neuron)이라고 불리는 비선형 처리 유닛(nonlinear processing units)으로 구성된 계층(layer)를 겹겹히 쌓고 학습 과정에서 알고리즘을 통해 뉴런들의 가중치(weights)를 적절히 업데이트되도록 만들어 데이터의 특성(feature)를 자동으로 학습해 가는 표현 학습(representation learning) 알고리즘의 하나이다. 표현 학습은 고차원의 데이터에서 정보를 인식하는 데 필요한 수준에 알맞는 저차원 표현(representation)으로 변환하는 정보 처리 알고리즘이다. 최근 활발하게 논의되고 있는 인공지능(AI)은 포괄적인 측면에서 추론(reasoning), 지식(knowledge), 계획(planning), 자연어 처리(natural language processing), 인지(perception) 및 물체 제어(manipulating objects)를 기계 스스로 할 수 있도록 만든 것을 의미하나, 엄밀히 말해서는 기계를 통해 정보를 처리할 수 있도록 만든 모든 알고리즘을 의미한다.


ResNet은 마이크로소프트 연구소에서 고안한 극단적으로 깊은 DNN 구조(extremely deep architecture)로써 2015년 이미지 구별 문제를 위한 벤치마크인 이미지넷(ImageNet)에서 무려 152층으로 구성한 아키텍쳐가 최고 성능을 보인 바 있다. 이로써 DNN이 더 깊어질 수록 더 좋은 성능을 가질 것이라는 기대를 가지게 만들었다. 일반적으로 DNN이 깊어질 수록 미분 값 상실(vanishing gradients) 등의 문제 때문에 학습하기 힘들어 져서 적절한 가중치 초기값 설정(weight initialization) 및 정칙화(regularization) 기법이 필수적이다. 이는 주어진 과제(task)와 학습 데이터의 특성에 따라 크게 변하는 초모수(hyperparameter) - 모수(parameter)를 학습하기 위해 필요한 모수라는 의미 - 으로 적절히 최적화하지 않으면 목표 성능을 달성하기 힘들다.


딥러닝을 포함한 대부분의 기계학습 알고리즘으로 적절한 모델을 학습하는 절차는 다음과 같다. 먼저 데이터의 특성과 알고리즘에 대한 이해를 바탕으로 기계 학습 모델을 선정하고 관련된 초모수의 초기 값을 정한다. 학습할 데이터를 학습 데이터, 유효성 확인 데이터 및 평가 데이터로 적절히 나누는데 학습할 데이터의 양이 부족할 경우 데이터 증강(data augmentation)을 수행해 데이터를 늘리거나 k겹 교차검증(k-fold cross validation)으로 실험을 반복하여 결과에 대한 통계적 신뢰도를 높여야 한다. DNN의 경우 보통 데이터를 잘게 쪼개 경사 하강법(mini batch gradient descent)을 반복 수행하면서 과적합이 발생하지 않는 횟수에서 학습을 마치고 평가 데이터로 최종 성능을 평가한다. 이때 목표 성능을 만족하지 못할 경우 모델 선정 혹은 초모수 설정(hyperparameter tuning)후 이전의 과정을 반복한다.


Cloud ML 엔진은 구글 클라우드 플랫폼(Google Cloud Platform, GCP)에서 제공하는 서비스 형태의 플랫폼(PaaS)의 하나인 기계학습 플랫폼이다. GCP는 구글의 데이터센터 인프라를 기반으로 한 서비스 형태의 플랫폼(PaaS)으로써 빅데이터 저장, 처리, 분석 및 기계학습을 수행할 수 있는 기능을 제공하는 클라우드 서비스이다. 모든 기능은 가상 기기(Virtual Machine, VM) 형태로 필요할 때만 동작하고 Open API를 통해 생성, 제어, 제거가 가능하다. ML 엔진은 텐서플로우로 작성한 모델을 다양한 VM에서 학습할 수 있는 온라인 분산 처리 기능을 제공한다. 하둡(hadoop)과 같은 여타의 분산 처리 시스템과 같이 일(job)을 생성해 전달하면 작업이 처리된다. 이 기능을 사용하면 서비스의 성능 목표에 따라 규모를 확장하거나 속도를 향상시킬 수 있으나 제대로 사용하기 위해서는 클라우드 컴퓨팅에 대한 이해가 필수적이다.



CODE ANALYSIS

깃허브를 통해 공개된 CIFAR-10 데이터에 대한 튜토리얼 프로젝트는 두 종류가 있는데 하나는 저수준 API를 사용하고 나머지는 고수준 API를 사용해 구현한 것이다. 이 포스팅에서는 두 번째 프로젝트을 기준으로 설명한다. 첫 번째 프로젝트은 CPU와 GPU 및 multiple GPUs를 활용해 각각 학습할 수 있으나 ML 엔진에서 학습하는 기능을 제공하지 않는다. 공식 홈페이지에서 상세한 설명을 제공하고 있으니 참고하기 바란다.


High Level Analysis

분석 대상 프로젝트는 파이썬 스크립트 파일(.py)로 구성되어 있으며 파일 별 역할은 아래와 같다.




파일명 역할 기타
generate_cifar10_tfrecords.py CIFAR-10 다운로드 후 데이터를 tfrecords 형태로 변환 파이썬 2.7.x 에서만 정상 수행
cifar10.py CIFAR-10 데이터 가공
cifar10_main.py 학습 및 평가 수행 명령줄 변수로 데이터 위치 등을 전달 필요
cifar10_model.py ResNet 모델 생성
cifar10_utils.py 병렬 학습 및 로깅
model_base.py ResNet 구성요소



각 파일 별 의존성(dependency)은 아래의 그림과 같다. 필수적으로 텐서플로우의 버전은 1.3 이상으로 설치되어야 한다. tfrecords 형태로 데이터를 변환하기 위한 코드는 cPickle 모듈을 참조하는데 이 모듈은 파이썬 3에서는 제거되어 파이썬 2에서만 동작한다. 만일 파이썬 3 버전에서 수행해야만 한다면 정상동작하지 않을 수 있다.


클래스 구조 및 상속 관계는 다음과 같다. 

Cifar10DataSet 클래스는 cifar10.py 에 정의되어 있고 tfrecords 데이터의 경로를 받아 그 일부를 make_batch() 함수의 결과 값으로 전달한다. 

use_distortion 속성으로 데이터 증강(data augumentation) 수행 여부를 결정할 수도 있다. 


model_base.py 에 정의되어 있는 ResNet 클래스는 추상 클래스의 역할을 하고 ResNet의 구성요소인 convolution, batch normalization, ReLU, fully connected layer, averge pooling unit들을 정의하고 있다. 

cifar10_model.py 에서 *ResNetCifar10 클래스가 이를 상속 받아서 forward_pass()에서 네트워크를 구성한다.



Detailed Analysis

지금부터는 학습이 실행될 때 호출 흐름과 API 사이의 참조하는 흐름에 따라 상세하게 살펴본다.


High level API call flow

시작 지점(entry point)은 cifar10_main.pyargparse.ArgumentParser 클래스를 사용해 명령 줄에서 입력 받아야 하는 모수들을 정의하고 해당 모수 값들을 main() 함수에 전달한다.

if __name__ == '__main__':
    parser = argparse.ArgumentParser()

    # omitted  
    parser.add_argument(
        '--eval-batch-size',
        type=int,
        default=100,
        help='Batch size for validation.')

    # omitted 
    main(**vars(args))


main() 함수에서는 그래프 모델을 수행할 세션(session) 설정 후 고수준 API인 learn_runner.run() 함수를 호출한다.

tf.contrib.learn.learn_runner.run(
  experiment_func, 
  run_config,
  hparams)

주의할 점은 learn_runner.run() 함수의 첫번째 모수로 함수 이름이 전달되는 데 이때 또다른 내부 함수(_resnet_model_fn()) 객체를 전달하는 구조이다. 파이썬이 First-class function를 지원하기 때문애 가능한 패턴이다. 

이 패턴의 기능에 대해 상세하게 설명하면 해당 모수의 값으로 정의한 함수를 전달하면 해당 함수가 필요한 시점에서 임의의 또다른 모수 값을 이용해 실행할 수 있게 된다.


experiment_functf.contrib.learn.Experiment() 클래스 객체를 반환해야하는 제약 조건이 있다. 

tf.contrib.learn.Experiment() 클래스 객체를 생성할 때 학습 및 평가에 필요한 데이터를 전달하는 함수 및 학습 반복 횟수 등을 정의해야 한다. 첫번째 모수인 classifier 에는 tf.estimator.Estimator() 클래스 객체를 전달해야 한다. 

이 클래스 객체를 생성할 때 초모수 최적화 시 필요한 값들을 전달해야 한다. tf.estimator.Estimator() 클래스 객체의 첫번째 생성자 모수로 model_fn 가 필요한데 이 모수에 전달될 함수는 tf.estimator.EstimatorSpec() 객체를 반환해야 한다. 

결국 tf.estimator.EstimatorSpec() 클래스 객체를 생성할 때 정의한 그래프 모델 및 목적 함수 등의 중요한 모수들이 전달된다.


Model training flow

지금까지 흐름이 cifar10_main.py 의 _resnet_model_fn() 에 구현되어 있다. 여기서 핵심적인 코드를 간추려서 살펴보자.

    def _resnet_model_fn(features, labels, mode, params):
        """Resnet model body.

        """

        for i in range(num_devices):
            with tf.variable_scope('resnet', reuse=bool(i != 0)):
                with tf.name_scope('tower_%d' % i) as name_scope:
                    with tf.device(device_setter):
                        loss, gradvars, preds = _tower_fn(
                            is_training, weight_decay, tower_features[i], tower_labels[i],
                            data_format, params.num_layers, params.batch_norm_decay,
                            params.batch_norm_epsilon)                

        # Device that runs the ops to apply global gradient updates.
        with tf.device(consolidation_device):

            num_batches_per_epoch = cifar10.Cifar10DataSet.num_examples_per_epoch(
                'train') // (params.train_batch_size * num_workers)
            boundaries = [ omitted ]
            staged_lr = [ omitted ]

            learning_rate = tf.train.piecewise_constant(tf.train.get_global_step(),
                                                        boundaries, staged_lr)
            # Create a nicely-named tensor for logging
            learning_rate = tf.identity(learning_rate, name='learning_rate')

            optimizer = tf.train.MomentumOptimizer(
                learning_rate=learning_rate, momentum=momentum)

이 함수는 매우 복잡하고 많은 일들을 하고 있어 분석하기 매우 까다롭다. (Here lives a dragon


개략적으로 보면 학습을 분산처리하기 위해서 여러 개의 GPU에 각각의 모델을 만들어서 병렬적으로 학습해서 각각 미분 값(gradients)를 구한 후 합쳐서 반영하는 타워(tower) 패턴을 쓰고 있다.
결국 GPU 별로 모델을 만드는(build) 과정과 loss를 구하는 데이터 흐름 처리는 _tower_fn() 함수에서 확인할 수 있다.

def _tower_fn(is_training, weight_decay, feature, label, data_format,
              num_layers, batch_norm_decay, batch_norm_epsilon):
    """Build computation tower (Resnet).
    """
    model = cifar10_model.ResNetCifar10(num_layers)
    logits = model.forward_pass(feature, input_data_format='channels_last')
    tower_pred = {
        'classes': tf.argmax(input=logits, axis=1),
        'probabilities': tf.nn.softmax(logits)
    }

    tower_loss = tf.losses.sparse_softmax_cross_entropy(
        logits=logits, labels=label)
    tower_loss = tf.reduce_mean(tower_loss)

cifar10_model.ResNetCifar10 클래스 인스턴스를 생성할 때 입력받은 레이어의 개수 만큼 forward pass() 메소드에서 모델을 만드는 작업을 수행한다. 

아래 그림은 네트워크 아키텍쳐를 만드는 순서를 도식화한 것이다. 


여기서 cifar10_main.py를 명령줄 매개변수로 초모수인 레어어 개수에 해당하는 Residual Block를 만들게 된다. 



Residual Block은 버전 1.0과 2.0 그리고 병목(bottleneck) 2.0 버전이 있는데 기본 값은 지름길 연결(shortcut connection)를 위해 플랜 A를 쓰며 2개의 하위 계층을 갖는 버전 1.0이다. 

Residual Block 버전 1.0의 세부 구조는 다음 그림과 같다. 

해당 코드는 model_base.py_residual_v1() 메소드에서 구현되어 있으니 참고하기 바란다. 



METHODS


시작 함수에서부터 고수준 API를 사용해 수행되는 흐름을 통해 모델을 만드는 과정과 만든 모델을 분산해서 학습하는 과정을 튜토리얼 코드를 통해 상세히 살펴보았다. 지금부터 이 코드를 다양한 수행 환경에서 학습을 진행하는 법을 정리한다.


먼저 자신의 개발 환경에 텐서플로우를 설치한다. 

GCP를 사용하면 크롬 브라우저에서 Google Cloud Shell을 통해 미리 개발환경이 구성된 가상 머신(VM)에서 손쉽게 사용할 수 있지만 사용할 때 비용이 발생하는 유료 서비스인 만큼 소프트웨어 개발 도구(SDK)을 자신이 선호하는 개발 환경에 설치해서 사용한다. (이때, 필요한 파이썬(python) 버전은 2.7.x 로써 텐서플로우와 같이 사용하기를 원한다면 2.7.x 버전용 텐서플로우를 설치해야 함에 주의한다.)

더불어 GCP에 대한 이해가 부족하다면 먼저 참고문헌에 기재한 GCP 입문서를 읽기를 추천한다.


Create TFRecord Dataset

텐서플로우는 다양한 형식의 데이터셋을 읽어들일 수 있는 방법를 제공하지만 그중 TFRecords 형식을 표준으로 삼는다. 아래 명령으로 CIFAR-10 데이터를 온라인에서 다운로드 받아서 TFRecords 파일 포멧으로 변경할 수 있다. 

(단, 이 코드는 파이썬 2.7.x에서만 정상적으로 동작한다.)

MY_BUCKET=${PWD}/cifar-10-data
python generate_cifar10_tfrecords.py --data-dir=${MY_BUCKET}

ML 엔진에서 활용하기 위해서는 --data-dir= 값으로 ${MY_BUCKET} GCP Storage 경로를 입력하거나 해당 버킷에 생성된 파일들을 업로드해야 한다.

MY_BUCKET=gs://cifar-10-data/
python generate_cifar10_tfrecords.py --data-dir=${MY_BUCKET}


Training with CPU Only

텐서플로우 CPU 버전(버전 1.3 이상)이 설치된 환경에서는 GPU 없이 CPU 만으로도 다음과 같이 튜토리얼을 학습할 수 있다. 이 코드는 train-steps 수 만큼의 학습을 반복하고 검증(evaluation)을 수행한다. 학습에 오랜 시간이 걸리기 때문에 디버깅 용도로만 활용하는 것이 바람직하다.

python cifar10_main.py --data-dir=${MY_BUCKET} \
                       --job-dir=/tmp/cifar10 \
                       --num-gpus=0 \
                       --train-steps=100



Training with CPU & GPUs

텐서플로우 GPU 버전(버전 1.3 이상, NVIDIA GPU card 설치 및 CUDA, CuDNN 라이브러리 필요)이 설치된 개발환경에서는 다음과 같이 GPU를 사용해서 빠르게 학습할 수 있다. 아래 명령은 개발환경에 두 대의 GPU가 설치되어 있다고 가정한다. 설치된 GPU 수 이하의 num-gpus 수를 정해야 정상 동작한다. 참고로 특별한 설정이 없는 한 모든 GPU의 메모리를 텐서플로우가 할당해서 사용하기 때문에 GPU가 동작하지 않더라도 메모리가 없어 계산을 수행하지 않는 GPU를 쓸 수 없으니 주의 바란다.

python cifar10_main.py --data-dir=${MY_BUCKET} \
                       --job-dir=/tmp/cifar10 \
                       --num-gpus=2 \
                       --train-steps=10000



Training with ML Engine

이제 이 튜토리얼 코드를 GCP의 ML 엔진에서 돌려보도록 하자. 앞서 설명한 것처럼 GCP를 쓰기 위해서는 Google Cloud Shell에 접속하거나 자신의 개발 환경에 개발 도구(SDK)를 설치해야 한다. ML 엔진에서 학습을 수행하기 위해서는 gcloud 명령을 사용해야 한다.

GCP에서 학습 작업(Trainig Job)을 수행하는 것은 하둡이나 스파크와 같이 여타의 분산처리 시스템에서와 유사하게 분산 학습을 수행할 패키지(package)를 만들어서 서버에 제출(submit)하는 형태가 된다. 따라서 수행할 코드가 어떠한 컴퓨팅 기기에서도 동작할 수 있도록 코드를 개발한 개발 환경과 의존성을 없는 상태가 되어야 하고 필요하다면 패키지 내에 포함될 수 있도록 해야 한다. 이후 이것을 자세히 살펴보자.


먼저 빈번히 변경되는 입력 값을 환경변수로 정의하자.

MY_BUCKET=gs://cifar-10-data/
JOB_ID=cifar_train_test_1

MY_BUCKET 환경 변수는 TFRecords 파일들이 업로드된 GCP 스토리지를 가리킨다. 이 경로에 대한 적절한 읽기/쓰기 권한이 없으면 작업(job)이 실행된다하더라도 정상 동작하지 않는다. JOB_ID는 작업을 구분할 고유한(unique) 아이디가 된다. 기존에 썼던 값으로 다시 시도할 경우 오류가 발생하니 아이디 사용에 주의를 기울이기 바란다.

지금까지 살펴 본 코드를 ML 엔진에서 학습하는 예시로 아래의 명령줄을 살펴보도록 하자. gcloud ml-엔진 jobs submit training 명령 뒤에 상당히 많은 매개 변수들이 있는데, 빈 매개변수(--) 전까지의 매개변수는 ML 엔진를 위한 옵션이고 이후는 cifar10_main.py 의 명령 매개변수이다

gcloud ml-engine jobs submit training ${JOB_ID} \
    --package-path estimator/ \
    --module-name estimator.cifar10_main \
    --config estimator/cmle_config.yaml \
    --runtime-version 1.2 \
    --job-dir=$MY_BUCKET/model_dirs/${JOB_ID} \
    --region us-east1 \
    -- \
    --data-dir=$MY_BUCKET \
    --num-gpus=2 \
    --variable-strategy GPU \
    --train-steps=10000

이 명령줄의 package-path, module-name, config 옵션의 값을 살펴보자. 이 명령을 수행하는 경로에 /etimator 라는 폴더가 존재하고 이 폴더 안에 수행할 cifar10_main.py, cmle_config.yamlinit.py 파일들이 있다고 가정한다. (참고: init.py 파일은 해당 경로가 모듈임을 나타내는 빈 파일이다.)


config 옵션으로 기술한 cmle_config.yaml 파일은 학습 작업을 수행할 클러스터의 사양을 기술하고 있다.

trainingInput:
  scaleTier: CUSTOM
  masterType: complex_model_m_gpu
  workerType: complex_model_m_gpu
  parameterServerType: complex_model_m
  workerCount: 1

이 파일을 기술하는 상세한 방식은 Job Resource - Training Input를 참조하면 되는데 해당 문서의 내용은 YAML 형태가 아닌 JSON 형태로 기술되어 있기 때문에 주의를 요한다. 이 YAML 문서가 아닌 명령줄에 관련 정보를 입력할 수 있는데 앞서 학습 작업을 제출하는 명령줄의 runtime-version, job-dir, region 등의 매개변수 정보를 YAML에서도 기술할 수 있다. 

여기서 runtime-version은 텐서플로우의 버전을, job-dir은 학습이 수행하면서 사용할 클라우드 스토리지를 그리고 region은 학습할 클러스터 서버가 위치한 지역을 의미한다. (참고: region준비된 클러스터 서버의 종류과 비용등을 참고해서 결정하기 바란다.)



Hyperparameter tuning

고수준 API로 작성된 텐서플로우 모델을 사용하면 ML 엔진과 연계하여 자동으로 초모수 최적화를 수행하는 기능을 제공한다. 

이를 위해서는 최적화 목표(성능 극대화 혹은 에러 최소화), 최적화 시도 횟수 및 초모수 별로 형식(type), 탐색 범위(search range)와 스케일 형식을 앞서 소개한 YAML 파일에 추가해 기술한다.

trainingInput:
  scaleTier: CUSTOM
  masterType: complex_model_m_gpu
  workerType: complex_model_m_gpu
  parameterServerType: complex_model_m
  workerCount: 1
  hyperparameters:
    goal: MAXIMIZE
    maxTrials: 10
    maxParallelTrials: 1
    params:
    - parameterName: learning-rate
      type: DOUBLE
      minValue: 0.0001
      maxValue: 0.5
      scaleType: UNIT_LOG_SCALE

이 YAML 파일은 앞서 설정 파일에 최대 10회의 최적화 작업을 수행 해 성능이 최대화되는 값을 찾도록 초모수 설정 기능을 추가한 것이다. 

이때 parameterName의 값은 cifar10_main.py 의 명령 매개변수로써 해당 변수가 HParams 클래스 인스턴스에 전달되도록 구현되어 있어야 한다. 이 설정의 목표는 learning-rate(mini-batch로 학습을 수행할 때마다 가중치 변경-오류 역전파, error backprop-에 반영되는 비율)을 0.0001 부터 0.5 사이의 값으로 찾되 로그 스케일로 선정하라는 의미이다.

ML 엔진을 이용해 학습 작업을 수행한 이력은 GCP 콘솔에서 확인할 수 있다. 여기에서 작업의 유형, 작업 별 로그와 및 결과를 확인할 수 있다. 





Visualizing results with TensorFlow

각각의 학습 결과는 명령줄 매개변수로 전달한 job-dir에 다양한 형태의 로그(log)로 저장된다. 텐서보드(Tensorboard)는 이 정보를 대시보드로 표현한다. 텐서보드는 서버 애플리케이션으로 동작하기 때문에 log-dir 매개변수에 로그가 저장된 경로와 더불어 사용가능한 포트(port) 숫자를 전달해 주어야 한다.

tensorboard --logdir=$MY_BUCKET/model_dirs/${JOB_ID} --port=8080

이 명령줄을 수행하면 다음과 같이 화면에 출력되고 브라우저를 열어 주소 창에 아래 http://URL:8080 에 해당하는 경로를 입력하면 텐서보드가 수행된다. 만일 구글 클라우드 쉘에서 이 명령을 실행했다면 화면 우측 상단 도구 상자에서 '웹 미리보기'를 선택하면 된다.

TensorBoard 0.1.5 at http://URL:8080 (Press CTRL+C to quit)




RESULTS

지금까지 고수준 API로 작성한 ResNet 모델로 CIFAR-10 데이터 분류 문제를 학습하는 코드를 다양한 실행 환경에서 학습을 수행해 보았다. 지금부터는 학습 결과와 초모수 자동 선정 결과를 살펴보자.



Training result comparision

다음은 만번 반복 학습(--train-steps=10000)하고 변수 연산을 GPU로 하는 (--variable-strategy GPU) 조건에서 GPU 2대가 설치된 딥러닝용 PC와 GCP에서 ML 엔진을 통해 할당받은 VM에서 GPU 2대를 사용한 결과이다.


조건 GPU 사양 성능(정확도) 수행시간
딥러닝용 PC NVIDIA GeForce 1080 Ti 75.48% 5분 3초
ML 엔진 NVIDIA Tesla K80 77.28% 18분 17초



ML 엔진이 사용하는 GPU가 딥러닝용 PC의 GPU보다 훨씬 고급임에도 불구하고 학습 수행 시간이 무려 3.6배 더 오래 걸린 점이 흥미롭다. 실제 작업이 제출된 이후 할당되는 시간까지 포함한다면 4~5배 정도 더 오래 걸릴 가능성이 존재한다. 같은 조건으로 수행하였는데도 불구하고 정확도가 1.8% 차이가 난다는 점은 비교 실험을 할 때 큰 문제가 된다. 딥러닝 모델을 학습함에 있어 이 차이가 발생할 수 있는 요소가 다양해서 이를 이후에 논의해 보겠다.



Hyperparameter tuning result

다음 표는 learning-rate 에 대해 10회 초모수 조정을 한 결과이다. 첫번째 선택한 값(0.033)으로 학습한 결과가 앞서 기본 값(0.1)으로 학습했을 때보다 확연히 좋은 성능(84.33% > 77.28%)을 보여준다.



trials selected learning-rate accuracy
1 0.033436416 0.8433
2 0.000100123 0.578
3 0.499496502 0.5129
4 0.001547028 0.7313
5 0.007184366 0.7893
6 0.000340355 0.6591
7 0.14863852 0.7975
8 0.015507787 0.804
9 0.003373571 0.7527
10 0.000734705 0.7273



이 실험에서 첫번째 시행에서 선택한 learning-rate 값에서 두드러지게 좋은 결과를 얻어서 남은 시행에서는 그에 상응하는 결과를 얻지 못했다.



아래 그림은 이렇게 선택한 learning-rate의 값에 로그를 취한 값을 x축으로, 그때의 정확도 성능을 y축으로 표시한 것이다.



최적화 작업을 YAML 파일을 설정할 때 learning-rate를 0.0001 부터 0.5 사이의 값을 로그 스케일로 선택했기 때문에 로그를 취한 값으로 표현하면 -4 ~ -0.3 사이의 값을 선택하게 되는데 초모수를 선정할 때 주어진 범위에서 상당히 균일하게 시도(low discrepancy sampling) 해 보는 것을 알 수 있다.
또한 성능 추세를 볼 때 최적의 learning rate는 0.0155 ~ 0.1486 사이의 값에서 가장 좋은 성능이 나올 가능성이 있다.




DISCUSSIONS

고수준 API는 ML 엔진과 연계해 분산 학습과 초모수 최적화를 수행할 수 있는 기능을 제공한다. 기존 저수준 API를 이용해서 자신만의 개발 환경에서만 동작하는 코드를 작성하는 것은 그리 어려운 일이 아니다. 하지만, 클라우드의 다양한 학습 수행 환경에 모두 동작하는 코드를 작성하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 분산 환경에서 대용량의 학습이 필요한 경우에는 고수준 API로 작성된 코드를 기반으로 코드를 구현하는 것이 좋다.

고수준 API를 제대로 활용하기 위해서는 딥러닝의 용어(terminology) 뿐 아니라 프로그래밍 패턴(pattern)과 관용구(idiom)에 대해 익숙해져야 한다. 특히 API로 쓰이는 클래스나 함수가 매개변수로 함수 객체를 전달하는 경우가 많고 그 객체를 생성하기 위해 또 다른 객체를 생성해야 하는 경우가 많아 코드의 흐름을 이해하는데 어려움이 있다. 핵심 API는 API 문서를 링크해 두었기 때문에 참조해 보길 바란다.


딥러닝 모델 성능에 대한 재현 가능성(reproducibility)을 최대한 높이기 위한 노력이 필요하다. 실험 결과가 보여주듯 같은 조건이라도 다른 기기에서 학습했을 때 정확도 성능에서 상당한 차이가 발생한다. 먼저 확률적 경사 하강법(SGD)과 분산 학습에 의한 정확도 손실(precision loss)가 존재한다. 또한 가중치를 초기화(random initialization) 할 때나 다른 정칙화 기법에 필요한 시드(seed) 값을 다를 수 있다. 이런 차이는 초모수 값을 최적화할 때 큰 장애물이 된다.


딥러닝 모델의 초모수 값이 정확도 성능에 크게 영향을 미친다. 딥러닝은 비선형 함수(activation function)를 통과하는 수많은 뉴런(neuron)의 가중치들을 목적 함수(objective function)로 최적화해서 성능을 높이는 기계 학습 알고리즘이다. 뉴런을 연결하는 방식, 계층 별 뉴런의 갯수나 계층의 깊이 등이 모두 초모수가 되고 이로써 학습할 수 있는 수용력(capacity)이 달라진다.

딥러닝 모델의 초모수 최적화 시행 횟수를 늘린다고 해서 좋은 결과(optimum)를 얻을 수 있다는 보장이 없다. 기계 학습의 보편적인(de facto) 최적화 시도법은 그리드 탐색(grid search)이었다. 하지만 기존 연구에 따르면, 임의 탐색(random search)으로 보다 나은 성능을 얻었는데 그 이유는 초모수 별로 성능에 미치는 영향이 다르기 때문이다. (J. Bergstra and Y. Bengio, 2012) 딥러닝의 경우 기존 기계학습 알고리즘보다 초모수의 수가 많다. 초모수의 수가 증가하면 초모수 간의 상관 관계(correlation)에 의한 상쇄효과가 발생한다. 더불어 시행 횟수를 늘려도 해(solution)를 찾기 힘든 또 다른 형태의 차원의 저주 문제(The curse of dimensionality)가 발생한다.


자동화 알고리즘을 이용해 딥러닝의 초모수를 찾거나 최적화하는 다양한 연구를 시도하는 중이다. 초모수의 수가 적고 탐색 공간(search space)이 비교적 연속(continous)일 경우, 찾고자 하는 모델 함수의 분포가 가우시안(Gaussian)을 따른다는 가정(Proior) 하에 관찰(observation) 결과 값 사이의 공분산(covariance)를 계산해서 초모수 값을 업데이트를 하는 GP(Gaussian Processes)가 대부분 좋은 성능을 보여주었으나 초모수의 수가 많고 불연속일 경우에는 완전히 실퍠(catastrophic failure)할 때가 있어 신뢰를 얻지 못했다.


최근에는 최고 성능을 갖는 구조를 찾는 수고를 자동화하기 위해 탐색 공간에 대한 제약(constraints)이 적은 강화학습(reinforcement learning)이나 우전 알고리즘 (genetic algorithm)으로 시도하고 있다. 그 결과 사람이 고안한 것과 유사하면서 더 좋은 성능을 갖는 네트워크 구조를 발견할 수 있었다. (Barret Zoph and Quoc V. Le, 2017)

이런 유형의 자동화 알고리즘 연구를 수행하기 위해서는 자동 생성된 초모수 설정 조건(hyperparameter vector)에 따라 모델을 학습하고 그 성능 결과를 사용해 다른 초모수 설정을 생성해야 한다. 이는 막대한 양의 계산 비용(computation cost)과 시간이 요구된다. ML 엔진처럼 분산 처리가 가능한 클라우드 서비스를 효과적으로 활용할 수 있어야 하는 이유이다.




ACKNOWLEDGEMENTS

이 포스팅은 구글 클라우드 팀의 지원으로 페이스북 텐서플로우 그룹를 통해 진행된 무료 크레딧 제공 이벤트를 통해 작성되었습니다. 특별히 텐서플로우에 관한 좋은 정보들과 더불어 ML 엔진 사용의 기회를 제공해 주신 조대협 님께 감사를 전합니다.


이 포스팅에 작성하는데 필요한 연구는 서울대학교 융합과학기술대학원 응용 데이터 과학 연구실에서 진행했습니다.
딥러닝의 수학적 원리를 이용한 최적화 알고리즘 연구에 관심있는 분들은 연락바랍니다.




REFERENCES


안녕하세요.


구글 클라우드 상에서 jupyter notebook 인터페이스로 Big Query 및 tensorflow 등의 강력한 도구를 통해 손쉽게 데이터 사이언스를 수행해 볼 수 있습니다.

아래는 구글 데이터랩에서 튜토리얼로 제공하는 금융 데이터 분석 예제를 한글로 번역한 것입니다. 관심 있는 분들에게 데이터 분석에 대한 인사이트를 줄 수 있을 것으로 기대합니다.



안녕하세요.

정말 오랫만에 포스팅을 올리네요.


다음과 같이 윈도우10 환경에서 anaconda를 이용해 jupyter notebook 으로 tensorflow를 구현할 수 있는 환경 설치 가이드를 정리합니다.



Install latest anaconda windows  for python 3.x



 

- Create conda virtualenv with python 3.5:

 conda create -n tf python=3.5 anaconda

 

- Activate virtualenv:

activate tf

 

- Install tensorflow CPU:

 pip install tensorflow


- Exit virtualenv:

deactivate tf


Create jupyter notebook startup script

o    If serving from this local directory:  C:/tensorflow

o    Create batch file named as "run-jupyter.bat" which contains as below.

@echo off

cmd /k "cd /d C:\tensorflow & activate tf & jupyter notebook"


·         Double click to run "run-jupyter.bat" and enjoy your tensorflow coding on your browser




안녕하세요.


이번에는 Docker를 이용해 구축한 TensorFlow(이하 텐서플로우)의 학습된 정보 (training)를 Tensorboard(이하 텐서보드)로 시각화는 방법을 다뤄 보겠습니다.


앞서 소개한 바 있는 Docker로 Windows에서 텐서플로우 수행하기 포스트에서 생성한 도커 컨테이너에서는 버그로 인해 텐서보드가 수행되지 않지 않는 현상이 있어 불가피하게 새로운 컨테이너를 만들어야 합니다.

귀찮겠지만 다음과 같이 새로운 컨테이너를 만들도록 합시다.   


1. 0.9 버전의 텐서플로우 컨테이너 만들기


Docker Quickstart Terminal를 실행한 후 현재 실행 중인 컨테이너 정보를 확인합시다.


$ docker ps -a


기존에 설치한 컨테이너가 수행 중이라면 정지하고 새로운 이미지를 다운로드 받아 설치합니다.


$ docker stop {수행중인 컨테이너 이름} $ docker run -p 8888:8888 -p 6006:6006 -it b.gcr.io/tensorflow/tensorflow:r0.9-devel

b.gcr.io/tensorflow/tensorflow 다음 콜론(:) 구분자 다음은 태그를 지칭하고 여기서 r0.9-devel 은 0.9 개발자 버전을 의미합니다.

(글을 작성하는 시점에서 텐서플로우는 활발히 개발 중인 프로젝트임으로 다음 링크에서 최신 버전에 대한 태그를 확인하기 바랍니다.)


또한 -d 옵션은 포트 포워딩을 의미하는데 jupyter가 사용하는 기본 포트인 8888과 텐서보드가 사용하는 포트인 6006를 전달해서 외부(즉, windows) 상에서 접속할 수 있게 해 줍니다.


다운로드가 완료되면 새로운 컨테이너가 생성되고 기본 값으로 bash 가 실행됩니다.


2. jupyter 실행하기


root@{컨테이너 아이디}:/# cd /


루트 폴더로 이동하면 jupyter를 실행할 수 있는 shell script 가 준비되어 있습니다. 이전 이미지는 컨테이너 생성 후 바로 이 스크립트를 수행하도록 지정되어 있으나 이 개발자 버전에서는 사용자가 직접 이 스크립트를 수행해 주어야 합니다.

bash가 종료되더라도 jupyter가 종료되지 않도록 nohup 으로 수행하고 새로운 process로 띄우기 위해 & 옵션을 줍시다.


root@{컨테이너 아이디}:/# nohup ./run_jupyter.sh


이제 windows에서 브라우저로 다음 경로에 접속해 jupyter를 실행합니다: 

http://192.168.99.100:8888/


3. 텐서보드 실행하기


텐서보드는 jupyter처럼 웹서비스로 동작합니다. 따라서 이를 실행하기 위해 run_jupyter.sh 와 같은 run_tensorboard.sh 스크립트를 만들어 보도록 하겠습니다.


root@{컨테이너 아이디}:/# nohup tensorboard --logdir=/logs --port 6006 &


여기서 logdir은 텐서플로우 프로그램에서 지정하는 로그 경로를 의미하고 port 는 사용할 포트를 의미합니다.

이제, windows 의 브라우저로 텐서보드를 접속해봅시다: 

http://192.168.99.100:6006/


아직 텐서플로우로 학습한 바가 없어서 아무런 기록이 없습니다.

4. 샘플코드 수행하기

jupyter에서 새로운 ipython 파일을 생성하고 샘플코드를 입력합시다.


import tensorflow as tf

# reset everything to rerun in jupyter
tf.reset_default_graph()

# config
batch_size = 100
learning_rate = 0.5
training_epochs = 5
logs_path = "/logs"

# load mnist data set
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
mnist = input_data.read_data_sets('MNIST_data', one_hot=True)

# input images
with tf.name_scope('input'):
    # None -> batch size can be any size, 784 -> flattened mnist image
    x = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, 784], name="x-input") 
    # target 10 output classes
    y_ = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, 10], name="y-input")

# model parameters will change during training so we use tf.Variable
with tf.name_scope("weights"):
    W = tf.Variable(tf.zeros([784, 10]))

# bias
with tf.name_scope("biases"):
    b = tf.Variable(tf.zeros([10]))

# implement model
with tf.name_scope("softmax"):
    # y is our prediction
    y = tf.nn.softmax(tf.matmul(x,W) + b)

# specify cost function
with tf.name_scope('cross_entropy'):
    # this is our cost
    cross_entropy = tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(y_ * tf.log(y), reduction_indices=[1]))

# specify optimizer
with tf.name_scope('train'):
    # optimizer is an "operation" which we can execute in a session
    train_op = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(cross_entropy)

with tf.name_scope('Accuracy'):
    # Accuracy
    correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y,1), tf.argmax(y_,1))
    accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
    
# create a summary for our cost and accuracy
tf.scalar_summary("cost", cross_entropy)
tf.scalar_summary("accuracy", accuracy)

# merge all summaries into a single "operation" which we can execute in a session 
summary_op = tf.merge_all_summaries()

with tf.Session() as sess:
    # variables need to be initialized before we can use them
    sess.run(tf.initialize_all_variables())

    # create log writer object
    writer = tf.train.SummaryWriter(logs_path, graph=tf.get_default_graph())
        
    # perform training cycles
    for epoch in range(training_epochs):
        
        # number of batches in one epoch
        batch_count = int(mnist.train.num_examples/batch_size)
        
        for i in range(batch_count):
            batch_x, batch_y = mnist.train.next_batch(batch_size)
            
            # perform the operations we defined earlier on batch
            _, summary = sess.run([train_op, summary_op], feed_dict={x: batch_x, y_: batch_y})
            
            # write log
            writer.add_summary(summary, epoch * batch_count + i)
            
        if epoch % 5 == 0: 
            print "Epoch: ", epoch 
    print "Accuracy: ", accuracy.eval(feed_dict={x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels})
    print "done"

MNIST 데이터셋(수기로 작성한 숫자를 모아 구분하는 데이터셋)을 이용해 간단한 소프트맥스 로지스틱스 회기 분류로 학습 후 평가하는 모델을 수행해 봅니다.

이때, 텐서보드를 위해 추가되는 코드는 다음과 같습니다.


  • logs_path = "/logs" : 텐서보드가 참조할 로그 정보가 저장될 경로를 지정
  • tf.scalar_summary("cost", cross_entropy)
    tf.scalar_summary("accuracy", accuracy)
    summary_op = tf.merge_all_summaries()

    : EVENTS 항목에 표시할 요약 정보로 cost와 accuracy를 지정
  • writer = tf.train.SummaryWriter(logs_path, graph=tf.get_default_graph())
    : SummaryWriter 개체를 생성해 로그 경로에 현재 그래프를 지정
  • _, summary = sess.run([train_op, summary_op], feed_dict={x: batch_x, y_: batch_y})
    : training과 summary operation을 수행
  • writer.add_summary(summary, epoch * batch_count + i)
    : minibatch 수행 시마다 결과 요약 저장

5. 텐서보드에서 결과 확인

텐서보드는 events, images, audios, graphs, histograms 항목으로 구성되어 있습니다.

이번 샘플 코드에서는 events 와 graphs 에 관한 정보만 저장됩니다.




events 항목에서 학습으로 인해 accuracy가 증가되면서 cost 가 주는 모습을 보여주는 도식을 볼 수 있으며, graphs 항목에서는 모델의 형태와 텐서의 흐름을 역동적으로 볼 수 있습니다.


5. 참고자료



안녕하세요. 


docker image를 이용해 windows PC에서 텐서플로우를 사용하는 방안 에 덧붙여 이번에는 클라우드 환경에서 텐서플로우 딥러닝 개발을 할 수 있는 방안을 검토해 본 결과를 공유합니다.

요약하면, 다음과 같습니다.

  • 아마존 웹 서비스 기반 
    • 장점: GPU를 활용한 컴퓨팅 파워로 방대한 데이터로 인해 학습 시간이 많이 소요될 경우 활용 가치가 높음
    • 단점: 시간 당 사용 비용 모델(성능에 따라 대략 시간 당 천원에서 4천원 꼴)로 모델링 검증 완료 후 효과적으로 활용 필요

  • 구글 클라우드 플랫폼 기반
    • 장점: 베타 버전이라 요금이 싸고 텐서플로우를 개발하는 주최가 구글이라 빠른 개선이 기대됨.
      60일 무료 기간을 이용해  온라인에서 놀이터(playground) 목적으로 모델링을 하거나 학습이 오래 걸리더라도 상관없는 경우에 활용할 가치가 많음
    • 단점: 지금까지는 GPU 기반 컴퓨팅을 활용할 수 없는 것으로 보이고 preview인 cloud machine learning 서비스가 오픈되면 재 검토 필요




다량의 컴퓨팅 능력을 요하는 텐서플로우의 특성 때문에 연구에 있어 컴퓨팅 기기의 수요가 많은데 클라우드 서비스를 통해 대여해서 사용할 수 있다는 점에 착안하여 다음 양대 클라우드 서비스를 필두로 조사를 시작했습니다.

  1. 아마존 웹서비스(AWS)
  2. 구글 클라우드 플랫폼 (GCP)

1. 아마존 웹 서비스로 텐서플로우 구축하기


전자의 경우, 인스턴스를 구축하고 직접 관련 서비스를 설치하는 IaaS 형태로 필요한 하드웨어를 직접 설정하거나 정해진 목적에 따라 marketplace를 통해 손쉽게 인스턴스를 구축할 수 있도록 제공합니다. 검색 결과 64 bit linux 기반에 GPU를 이용하는 아마존 머신 이미지 (AMI) 가 등록되어 있음을 찾을 수 있었습니다. 



현재 소프트웨어 사용료 없이 EC2 사용료만 부과되고 아마존은 지역(region)에 따라 사용료가 달라지는 특성 상 글을 작성하는 시점에서 가장 저렴한 지역 (미국 동부지역) 기준으로 시간당 0.65 달러 / 2.6달러이며 (한국 돈으로 환산하면 대략 천원 내외/ 4천원 내외 예상) 각각의 하드웨어 스펙은 다음과 같습니다.

가격 발생 부담 때문에 직접 사용해보고 평가하지는 못했는데 추후 각각의 성능을 검토해 볼 예정입니다.


2. 구글 클라우드 플랫폼으로 텐서플로우 구축하기

후자인 GCP는 AWS와 다르게 PaaS 나 SaaS 형태가 두드러지며 각각 Products 를 활용해 Solutions 을 구축하는 방법을 가이드 하는 형태로 제공합니다.


최근 소식에 따르면 구글에서 TensorFlow 를 활용한 클라우드 기계학습 플랫폼을 준비중인데 아직 limited preview 단계라 활용 사유를 적고 대기해서 선정되어야만 활용할 수 있어 아쉬웠습니다.


그렇다고 클라우드에서 텐서플로우를 사용할 수 없는 것만은 아닙니다. 아래 링크는 시계열 금융 데이터로 기계학습한 사례를 다루고 있는데 이때 GCP의 또다른 제품인 Cloud Datalab를 활용하고 있음을 알 수 있었습니다.

https://cloud.google.com/solutions/machine-learning-with-financial-time-series-data


이 서비스의 특징은 원 클릭으로 Google App Engine과 Google Compute Engine을 이용해 Google BigQuery, IPython 및 TensorFlow를 지원하는 jupyter server를 생성해 주는데 다음과 같이 VM 기본 설정이 그다지 좋지는 않습니다.

  • 머신유형: n1-standard-1 (CPU 1개에 4GB 의 메모리를 가진 Intel Haswell 플랫폼)
  • 100 GB 스토리지

AWS 에 비해 활용 측면과 가격 측면이 유리하다고 판단되는데 datalab의 경우 현재 베타 버전인 관계로 App Engine 가격 정책만 따른다고 명시되어 있어 부담없이 신규 인스턴스를 만들어 수행해 볼 수 있습니다. 자세한 사용법은 다음 링크를 참고하시면 됩니다.

https://cloud.google.com/datalab/docs/quickstart   

GCP는 현재 신규 가입 시 60일 간 무료 사용에 500달러를 추가 제공하고 있으니 이 기간동안 활용해 보면서 성능을 평가해보려고 합니다.

다음은 생성된 인스턴스로 동작하는 jupyter service 입니다.

기존 활용했던 docker image 기반의 설치형 jupyter와 가장 큰 차이점은 git 리포지토리와 연결 할 수 있도록 기본 제공한다는 점입니다. 클라우드 서비스의 특성 처럼 시간이 지날 수록 개선될 것으로 보입니다.

이후 이 서비스를 기반으로 학습 시간이 많이 소요되는 benchmark를 선정해 수행하고 수행시간을 비교해 보고자 합니다.

이상입니다.


P.S. 마지막으로 설치된 텐서플로우의 버전이 궁금해서 확인할 방법을 찾았으나 마땅히 검색되는 것이 없더군요. 흥미로운 점은 python 텐서플로우 모듈의 버전을 출력해 보면 0.8.0 기준으로 설치한 docker image와 Cloud Datalab 모두 0.7.1 로 출력됩니다.

갑자기 텐서플로우의 버전 관리 (versioning) 가 제대로 이뤄지고 있는지 의구심이 들었습니다. :-(

  


  1. 1466359586 2016.06.20 03:06 신고

    좋은글 감사

  2. 1466388505 2016.06.20 11:08 신고

    잘보고가요~

안녕하세요.

TensorFlow docker image 를 윈도우즈에 설치하기

지난 포스트에서  docker의 마법을 활용해 (심지어 윈도우즈에다TensorFlow를 한 방에 설치해서 바로 활용하는 법을 정리한 바 있습니다.

이번에는 생성한 컨테이너를 다시 실행하거나 업데이트 하는 방법을 소개하고자 합니다. 이번 내용은 다음 도커 가이드에서 발췌하여 적용한 사례에 관한 부분입니다.


Docker 기본 사용법


앞서 docker에 대한 개념은 이해할 필요가 있는데 상위 링크에 자세한 설명이 있으니 참고하시기 바랍니다.


1. 컨테이너 시작


가상 머신을 수행하는 기기가 종료되면 (당연히) 여기서 (몰래) 돌고 있던 jupyter with TensorFlow server 역시 종료되게 됩니다. 따라서 Docker Quickstart Terminal를 다시 수행해야 합니다.


이때 설치된 컨테이너를 확인하기 위해 다음 명령을 수행합니다.


$ docker ps -a


상기 명령의 결과로 출력된 컨테이너 리스트 중에서 STATUS 항목으로 현재 수행 여부를 NAMES 에서 지정된 이름을 알 수 있습니다. 컨테이너가 수행 중이지 않다면 아래 명령과 더불어 NAMES 에 지정된 이름으로 해당 컨테이너를 실행시킬 수 있습니다.


$ docker start {컨테이너 이름}


 

2. 컨테이너 업데이트 하기


기본 사용법에 따르면 docker attach {컨테이터 이름} 을 통해 컨테이너에 접속할 수 있으나 활용 중인 TensorFlow container는 접속 시 console 없이 jupyter log 메시지만 출력하고 있는 관계로 아무런 명령을 수행할 수 없습니다. 따라서, 다음과 같이 외부에서 컨테이너에 명령을 수행할 수 있는 인터페이스를 활용하고자합니다.


docker exec {컨테이너 이름} {명령어 ... }


명령어는 bash shell에서 동작하는 대부분이 전달되는 것으로 보입니다. 

확인 차원에서 jupyter 의 확장 기능인 IPython Clusters 를 설치해 보았습니다.

자세한 설치 방법은 ipyparallel github guide를 참조했습니다.


$ docker ps

CONTAINER ID        IMAGE                            COMMAND             CREATED
             STATUS              PORTS                              NAMES
8eb60a8f3211        b.gcr.io/tensorflow/tensorflow   "/run_jupyter.sh"   5 weeks
 ago         Up 29 minutes       6006/tcp, 0.0.0.0:8888->8888/tcp   focused_yonath
$ docker exec focused_yonath pip ipyparallel


이와 같은 방식으로 컨테이너 외부에서도 추가 모듈을 설치하거나 업데이트할 수 있습니다.


안녕하세요.  생각의 웹입니다.


홍콩과기대 김성훈 교수님의 텐서플로우 강의 중 Softmax classifier를 이용해 classification 하는 강의를 듣고 실습한 과정을 정리합니다.


https://www.youtube.com/watch?v=FiPpqSqR_1c

여기서 문제는 어떤 학생의 수업 시간과 공부 시간을 입력 값으로 해서 학점을 예측해 보는 것입니다. 데이터셋은 6개의 행으로 나눠져 있는데 x1과 x2를 각각, 학생의 수업 참여 시간과 공부 시간으로 볼 경우, A, B, C 중 하나의 학점을 얻게 되는 것을 0, 1로 기록하고 있습니다.  데이터의 내용은 첨부된 파일을 참고하시기 바랍니다.


그럼 본격적으로 코딩에 들어가보도록 하겠습니다. 처음은 텐서플로우를 사용하기 위해서 tensorflow 모듈과 csv 파일 처리 및 가공 편의성을 위해 numpy 모듈을 불러들입니다.


입력:

import tensorflow as tf

import numpy as np



이제 데이터 파일을 읽어들여 입력 값과 출력 값으로 분리하는데 이때 데이터를 처리하기 쉽도록 전치 행렬(transposed matrix)로 바꿉니다.  


입력:

xy = np.loadtxt('train.csv', unpack=True, dtype='float32')

x_data = np.transpose(xy[0:3])

y_data = np.transpose(xy[3:])

print x_data

print y_data 


결과:


[[ 1.  2.  1.]
 [ 1.  3.  2.]
 [ 1.  3.  4.]
 [ 1.  5.  5.]
 [ 1.  7.  5.]
 [ 1.  2.  5.]
 [ 1.  6.  6.]
 [ 1.  7.  7.]]
[[ 0.  0.  1.]
 [ 0.  0.  1.]
 [ 0.  0.  1.]
 [ 0.  1.  0.]
 [ 0.  1.  0.]
 [ 0.  1.  0.]
 [ 1.  0.  0.]
 [ 1.  0.  0.]]


  

데이터를 불러들이는 것을 마쳤으니 데이터를 가공할 영역을 만듭니다. 텐서플로우는 placeholder라는 생성함수를 통해 데이터의 type과 갯수등을 지정할 수 있습니다.


입력:

X = tf.placeholder("float", [None, 3])

Y = tf.placeholder("float", [None, 3])

이제 본격적으로 모델을 만들고 gradient descent 방식으로 최적 해를 찾아가는 것을 구현합니다. 여기서 가설은 Y = WX 인데 찾고자하는 값이 변수인 W이기 때문에 Variable 생성함수로 선언합니다. 행렬 곱 함수인 matmul() 에서 순서가 바뀐 부분을 주의해서 볼 필요가 있습니다. 텐서플로우 구현 상의 trick인데 강의를 보면 그 이유에 대해 간략히 설명하고 있습니다. cost 함수는 예측 치와 실제 값의 차이를 최소화 하도록 차이가 커지면 무한대로, 작아지면 0에 수렴하도록 만들어 gradient descent 방식으로 최적 해를 찾는 데 활용됩니다.  


입력:

W = tf.Variable(tf.zeros([3, 3]))

hypothesis = tf.nn.softmax(tf.matmul(X, W))

learning_rate = 0.001

cost = tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(Y*tf.log(hypothesis), reduction_indices=1)) 
optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(cost)

텐서플로우는 코드를 선언한다고 해서 수행되는 것이 아니라 Session 인스턴스에 전달해야 수행됩니다. 또한 먼저 모든 값을 초기화 해주어야 합니다. 아래 코드는 초기화 수행 후 2000번의 반복을 통해 최적 해를 찾아가는 과정을 구현했는데 매 200번마다 진행상황을 출력하게 됩니다. 출력은 이 과정을 통해 cost 함수 값이 감소하는 것을 보여줍니다. 

마지막으로 코드는 11시간의 수업시간과 7시간의 공부 시간을 투입했을 때 어떤 학점을 맞게될지에 대해 예측하고 있습니다. 이를 통해 약 46%의 확률로 A 학점을, 35% 확률로 B 학점을, 18% 확률로 C 학점을 맡게 됨을 알 수 있습니다.


입력:

init = tf.initialize_all_variables()


with tf.Session() as sess:

    sess.run(init)

    

    for step in xrange(2001):

        sess.run(optimizer, feed_dict={X:x_data, Y:y_data})

        if step % 200 == 0:

            print step, sess.run(cost, feed_dict={X:x_data, Y:y_data}), sess.run(W)

   

# prediction

    a = sess.run(hypothesis, feed_dict={X:[[1, 11, 7]]})

    print a, sess.run(tf.arg_max(a, 1)) 

출력:

0 1.09774 [[ -8.33333252e-05   4.16666626e-05   4.16666480e-05]
 [  1.66666694e-04   2.91666773e-04  -4.58333408e-04]
 [  1.66666636e-04   4.16666706e-04  -5.83333429e-04]]
200 1.05962 [[-0.02051384 -0.00103983  0.02155367]
 [ 0.01406439  0.01097753 -0.0250419 ]
 [ 0.01431208  0.03574874 -0.05006079]]
400 1.04985 [[-0.04282598 -0.00625899  0.04908497]
 [ 0.01747187  0.00156368 -0.01903554]
 [ 0.01831204  0.04954104 -0.06785305]]
600 1.0407 [[-0.06517859 -0.01176361  0.07694223]
 [ 0.01943521 -0.00848972 -0.01094547]
 [ 0.0211558   0.06118308 -0.0823388 ]]
800 1.03194 [[-0.08734013 -0.01729389  0.10463406]
 [ 0.0211172  -0.01796171 -0.00315547]
 [ 0.02396628  0.07198346 -0.09594975]]
1000 1.02354 [[-0.10928574 -0.02282182  0.13210759]
 [ 0.02266255 -0.02678035  0.00411784]
 [ 0.02685851  0.08210357 -0.10896213]]
1200 1.01547 [[-0.13101467 -0.02834093  0.15935563]
 [ 0.02409704 -0.03497621  0.01087924]
 [ 0.02983199  0.091598   -0.12143002]]
1400 1.0077 [[-0.15252906 -0.03384716  0.1863762 ]
 [ 0.02543302 -0.04258838  0.01715543]
 [ 0.03287464  0.10050804 -0.13338274]]
1600 1.00021 [[-0.1738314  -0.03933693  0.21316831]
 [ 0.02668083 -0.04965464  0.02297391]
 [ 0.03597423  0.10887134 -0.14484566]]
1800 0.992979 [[-0.19492455 -0.04480689  0.23973146]
 [ 0.02784995 -0.05621057  0.02836075]
 [ 0.0391195   0.11672312 -0.15584266]]
2000 0.985988 [[-0.21581143 -0.05025397  0.26606542]
 [ 0.02894918 -0.06228961  0.03334056]
 [ 0.04230016  0.12409624 -0.16639641]]
[[ 0.46272627  0.35483009  0.18244369]] [0]
지금까지 발견한 텐서플로우의 코딩 패턴은 다음과 같습니다.


  • 데이터가 달라지더라도 데이터를 담는 그릇(placeholder)를 통해 대응
  • 데이터의 형식을 생성함수로 지정
  • cost 함수, 모델 변경 시, 손 쉽게 대응할 수 있는 구조
  • Session에 전달해서 수행해야 실행이 이뤄짐.


Happy Coding!



안녕하세요. "생각의 웹"입니다.


Facebook TensorFlow KR 그룹에서 본 학습자료 중 제가 보고 있는 자료들의 일부를 정리 차원에서 기재합니다.

출처: https://www.facebook.com/groups/TensorFlowKR/?fref=nf







안녕하세요. "생각의웹"입니다.


docker를 활용해 윈도우즈에서 TensorFlow가 설치된 iPython Jupiter를 설치해 활용하는 법 정리합니다.


먼저 원문은 다음과 같습니다: 

http://www.netinstructions.com/how-to-install-and-run-tensorflow-on-a-windows-pc/



원문을 따라서 수행하다보면 다음과 같은 문제점들이 발생합니다.

1) 계정 정보가 한글 ID인 경우, 경로 이상 문제 발생

2) TensorFlow docker image 설치 후 python 이 아닌 ipython server가 수행되고 shell이 뜨지 않음


이 현상들을 해결하고 다음과 같이 설치 및 활용 절차를 재정리합니다.


  1. Docker toolbox for Windows 설치: docker toolbox 설치 후 바탕화면에 등장하는 Docker Quickstart Terminal 을 실행합니다.
  2. default docker machine이 자동으로 생성됩니다. 다음 명령어로 생성된 docker machine을 확인합니다
    docker-machine ls
  3. TensorFlow가 preset 되어 있는 docker image를 cloning 하고 port forwarding 해서 수행합니다. 이때 8888 포트는 jupyter를 위해 6006 포트는 tensorboard를 위해 사용됩니다.
  4. docker run -p 8888:8888 -p 6006:6006 -it b.gcr.io/tensorflow/tensorflow
  5. 정상적으로 동작하면 다음과 같은 메세지가 표시됩니다.

  6. ...
    The Jupyter Notebook is running at : http:..[all ip addresses on your system]:8888/
    
  7. tensorboard를 사용하기 위해 다음과 같이 tensorboard를 활성화합니다.
     
  8. docker machine의 IP address를 확인합니다. 여기의 적힌 IP address가 접근 가능한 서버 주소가 됩니다.
  9. docker-machine ip default
  10. 만일 ip address가 192.168.99.100 이라면 browser를 열어 다음과 같이 tensorflow가 설치된 jupyter server에 접근할 수 있습니다.

  11. 192.168.99.100:8888

참고로 여기에 설치되어 있는 TensorFlow는 non-GPU 버전에 0.8입니다. 

GPU 사용 버전을 활용하시려면 github 가이드를 확인하시기 바랍니다.



이상입니다.

이제부터 tensorflow 공부를 제대로 해봐야 겠네요. 


  1. 생각의 웹 WebofThink 2016.05.03 21:24 신고

    ㅎㅎㅎ 간만에 포스팅했더니 비슷한 행동을 하고 있었나보군요. 부디 즐텐플하길!

  2. 파이팅건맨 2016.05.04 11:28 신고

    앗, 저도 시도했다가 iPython 서버가 뜨는 문제 때문에 찾아낸 우회 방법입니다. 제것보다 이곳의 방법이 더 나아 보이기도 하고...ㅋ
    여튼, 참고 부탁드립니다~

    http://airpage.org/xe/language_data/20725

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