Exponenta Banner
exponenta event banner

dlnetwork

Нейронная сеть для глубокого обучения для пользовательских учебных циклов

расширьте все на странице

Описание

dlnetwork объект включает поддержку пользовательских учебных циклов с помощью автоматического дифференцирования.

Совет

Для большинства задач глубокого обучения можно использовать предварительно обученную сеть и адаптировать ее к собственным данным. Для примера, показывающего, как использовать передачу обучения, чтобы переобучить сверточную нейронную сеть, чтобы классифицировать новый набор изображений, смотрите, Обучают Нейронную сеть для глубокого обучения Классифицировать Новые Изображения. В качестве альтернативы можно создать и обучить нейронные сети с нуля с помощью layerGraph объекты с trainNetwork и trainingOptions функции.

Если trainingOptions функция не обеспечивает опции обучения, в которых вы нуждаетесь для своей задачи, затем можно создать пользовательский учебный цикл с помощью автоматического дифференцирования. Чтобы узнать больше, смотрите, Задают Пользовательские Учебные Циклы.

Создание

Синтаксис

dlnet = dlnetwork(lgraph)

Описание

пример

dlnet = dlnetwork(lgraph) преобразует график слоев в dlnetwork объект, представляющий глубокую нейронную сеть для пользовательских учебных циклов.

Входные параметры

развернуть все

Сетевая архитектура в виде графика слоев.

График слоев не должен содержать выходные слои. При обучении сети вычислите потерю отдельно.

Для списка слоев, поддержанных dlnetwork, смотрите Поддерживаемые Слои.

Свойства

развернуть все

Слоя сети в виде Layer массив.

Связи слоя в виде таблицы с двумя столбцами.

Каждая строка таблицы представляет связь в графике слоев. Первый столбец, Source, задает источник каждой связи. Второй столбец, Destination, задает место назначения каждой связи. Источники связи и места назначения являются или именами слоя или имеют форму 'layerName/IOName', где 'IOName' имя ввода или вывода слоя.

Типы данных: table

Сетевые настраиваемые параметры в виде таблицы с тремя столбцами:

  • Layer – Имя слоя в виде строкового скаляра.

  • Parameter – Название параметра в виде строкового скаляра.

  • Value – Значение параметра в виде dlarray.

Сетевые настраиваемые параметры содержат функции, изученные сетью. Например, веса свертки и полносвязных слоев.

Типы данных: table

Сетевое состояние в виде таблицы.

Сетевое состояние является таблицей с тремя столбцами:

  • Layer – Имя слоя в виде строкового скаляра.

  • Parameter – Название параметра в виде строкового скаляра.

  • Value – Значение параметра в виде объекта числового массива.

Сетевое состояние содержит информацию, которую помнит сеть между итерациями. Например, состояние LSTM и слоев нормализации партии.

Во время обучения или вывода, можно обновить сетевое состояние с помощью выхода forward и predict функции.

Типы данных: table

Сетевой входной слой называет в виде массива ячеек из символьных векторов.

Типы данных: cell

Сетевой выходной слой называет в виде массива ячеек из символьных векторов. Это свойство включает все слои с разъединенными выходными параметрами. Если слой имеет несколько выходных параметров, то разъединенные выходные параметры заданы как 'layerName/outputName'.

Типы данных: cell

Функции объекта

forwardВычислите нейронную сеть для глубокого обучения выход для обучения
predictВычислите нейронную сеть для глубокого обучения выход для вывода
layerGraphГрафик слоев сети для глубокого обучения

Примеры

свернуть все

Этот пример использует:

Скрипт Open Live Script

Чтобы реализовать пользовательский учебный цикл для вашей сети, сначала преобразуйте его в dlnetwork объект. Не включайте выходные слои в dlnetwork объект. Вместо этого необходимо задать функцию потерь в пользовательском учебном цикле.

Загрузите предварительно обученную модель GoogLeNet с помощью googlenet функция. Эта функция требует Модели Deep Learning Toolbox™ для пакета Сетевой поддержки GoogLeNet. Если этот пакет поддержки не установлен, то функция обеспечивает ссылку на загрузку.

net = googlenet;

Преобразуйте сеть в график слоев и удалите слои, используемые в классификации с помощью removeLayers.

lgraph = layerGraph(net);
lgraph = removeLayers(lgraph,["prob" "output"]);

Преобразуйте сеть в dlnetwork объект.

dlnet = dlnetwork(lgraph)
dlnet = 
  dlnetwork with properties:

         Layers: [142x1 nnet.cnn.layer.Layer]
    Connections: [168x2 table]
     Learnables: [116x3 table]
          State: [0x3 table]
     InputNames: {'data'}
    OutputNames: {'loss3-classifier'}
Скрипт Open Live Script

В этом примере показано, как обучить сеть, которая классифицирует рукописные цифры с пользовательским расписанием скорости обучения.

Если trainingOptions не предоставляет возможности, в которых вы нуждаетесь (например, пользовательское расписание скорости обучения), затем можно задать собственный учебный цикл с помощью автоматического дифференцирования.

Этот пример обучает сеть, чтобы классифицировать рукописные цифры с основанным на времени расписанием скорости обучения затухания: для каждой итерации решатель использует скорость обучения, данную ρt=ρ01+k t, где t является номером итерации, ρ0 начальная скорость обучения, и k является затуханием.

Загрузите обучающие данные

Загрузите данные о цифрах.

[XTrain,YTrain] = digitTrain4DArrayData;
classes = categories(YTrain);
numClasses = numel(classes);

Сеть Define

Задайте сеть и задайте среднее изображение с помощью 'Mean' опция в изображении ввела слой.

layers = [
    imageInputLayer([28 28 1], 'Name', 'input', 'Mean', mean(XTrain,4))
    convolution2dLayer(5, 20, 'Name', 'conv1')
    batchNormalizationLayer('Name','bn1')
    reluLayer('Name', 'relu1')
    convolution2dLayer(3, 20, 'Padding', 1, 'Name', 'conv2')
    batchNormalizationLayer('Name','bn2')
    reluLayer('Name', 'relu2')
    convolution2dLayer(3, 20, 'Padding', 1, 'Name', 'conv3')
    batchNormalizationLayer('Name','bn3')
    reluLayer('Name', 'relu3')
    fullyConnectedLayer(numClasses, 'Name', 'fc')
    softmaxLayer('Name','softmax')];
lgraph = layerGraph(layers);

Создайте dlnetwork объект от графика слоев.

dlnet = dlnetwork(lgraph)
dlnet = 
  dlnetwork with properties:

         Layers: [12×1 nnet.cnn.layer.Layer]
    Connections: [11×2 table]
     Learnables: [14×3 table]
          State: [6×3 table]
     InputNames: {'input'}
    OutputNames: {'softmax'}

Функция градиентов модели Define

Создайте функциональный modelGradients, перечисленный в конце примера, который берет dlnetwork объект dlnet, мини-пакет входных данных dlX с соответствием маркирует Y и возвращает градиенты потери относительно настраиваемых параметров в dlnet и соответствующая потеря.

Задайте опции обучения

Обучайтесь с мини-пакетным размером 128 в течение 5 эпох.

numEpochs = 5;
miniBatchSize = 128;

Задайте опции для оптимизации SGDM. Укажите, что начальная буква изучает уровень 0,01 с затуханием 0,01, и импульс 0.9.

initialLearnRate = 0.01;
decay = 0.01;
momentum = 0.9;

Визуализируйте процесс обучения в графике.

plots = "training-progress";

Обучайтесь на графическом процессоре, если вы доступны. Используя графический процессор требует Parallel Computing Toolbox™, и CUDA® включил NVIDIA®, графический процессор с вычисляет возможность 3.0 или выше.

executionEnvironment = "auto";

Обучите модель

Обучите модель с помощью пользовательского учебного цикла.

В течение каждой эпохи переставьте данные и цикл по мини-пакетам данных. В конце каждой эпохи отобразите прогресс обучения.

Для каждого мини-пакета:

  • Преобразуйте метки в фиктивные переменные.

  • Преобразуйте данные в dlarray объекты с базовым одним типом и указывают, что размерность маркирует 'SSCB' (пространственный, пространственный, канал, пакет).

  • Для обучения графического процессора преобразуйте в gpuArray объекты.

  • Оцените градиенты модели, состояние и потерю с помощью dlfeval и modelGradients функционируйте и обновите сетевое состояние.

  • Определите скорость обучения для основанного на времени расписания скорости обучения затухания.

  • Обновите сетевые параметры с помощью sgdmupdate функция.

Инициализируйте график процесса обучения.

if plots == "training-progress"
    figure
    lineLossTrain = animatedline('Color',[0.85 0.325 0.098]);
    ylim([0 inf])
    xlabel("Iteration")
    ylabel("Loss")
    grid on
end

Инициализируйте скоростной параметр для решателя SGDM.

velocity = [];

Обучите сеть.

numObservations = numel(YTrain);
numIterationsPerEpoch = floor(numObservations./miniBatchSize);

iteration = 0;
start = tic;

% Loop over epochs.
for epoch = 1:numEpochs
    % Shuffle data.
    idx = randperm(numel(YTrain));
    XTrain = XTrain(:,:,:,idx);
    YTrain = YTrain(idx);
    
    % Loop over mini-batches.
    for i = 1:numIterationsPerEpoch
        iteration = iteration + 1;
        
        % Read mini-batch of data and convert the labels to dummy
        % variables.
        idx = (i-1)*miniBatchSize+1:i*miniBatchSize;
        X = XTrain(:,:,:,idx);
        
        Y = zeros(numClasses, miniBatchSize, 'single');
        for c = 1:numClasses
            Y(c,YTrain(idx)==classes(c)) = 1;
        end
        
        % Convert mini-batch of data to dlarray.
        dlX = dlarray(single(X),'SSCB');
        
        % If training on a GPU, then convert data to gpuArray.
        if (executionEnvironment == "auto" && canUseGPU) || executionEnvironment == "gpu"
            dlX = gpuArray(dlX);
        end
        
        % Evaluate the model gradients, state, and loss using dlfeval and the
        % modelGradients function and update the network state.
        [gradients,state,loss] = dlfeval(@modelGradients,dlnet,dlX,Y);
        dlnet.State = state;
        
        % Determine learning rate for time-based decay learning rate schedule.
        learnRate = initialLearnRate/(1 + decay*iteration);
        
        % Update the network parameters using the SGDM optimizer.
        [dlnet, velocity] = sgdmupdate(dlnet, gradients, velocity, learnRate, momentum);
        
        % Display the training progress.
        if plots == "training-progress"
            D = duration(0,0,toc(start),'Format','hh:mm:ss');
            addpoints(lineLossTrain,iteration,double(gather(extractdata(loss))))
            title("Epoch: " + epoch + ", Elapsed: " + string(D))
            drawnow
        end
    end
end

Тестовая модель

Протестируйте точность классификации модели путем сравнения предсказаний на наборе тестов с истинными метками.

[XTest, YTest] = digitTest4DArrayData;

Преобразуйте данные в dlarray объект с форматом размерности 'SSCB'. Для предсказания графического процессора также преобразуйте данные в gpuArray.

dlXTest = dlarray(XTest,'SSCB');
if (executionEnvironment == "auto" && canUseGPU) || executionEnvironment == "gpu"
    dlXTest = gpuArray(dlXTest);
end

Классифицируйте изображения с помощью modelPredictions функция, перечисленная в конце примера и, находит классы с самыми высокими баллами.

dlYPred = modelPredictions(dlnet,dlXTest,miniBatchSize);
[~,idx] = max(extractdata(dlYPred),[],1);
YPred = classes(idx);

Оцените точность классификации.

accuracy = mean(YPred == YTest)
accuracy = 0.9910

Функция градиентов модели

modelGradients функционируйте берет dlnetwork объект dlnet, мини-пакет входных данных dlX с соответствием маркирует Y и возвращает градиенты потери относительно настраиваемых параметров в dlnet, сетевое состояние и потеря. Чтобы вычислить градиенты автоматически, используйте dlgradient функция.

function [gradients,state,loss] = modelGradients(dlnet,dlX,Y)

[dlYPred,state] = forward(dlnet,dlX);

loss = crossentropy(dlYPred,Y);
gradients = dlgradient(loss,dlnet.Learnables);

end

Функция предсказаний модели

modelPredictions функционируйте берет dlnetwork объект dlnet, массив входных данных dlX, и мини-пакетный размер и выходные параметры предсказания модели путем итерации по мини-пакетам заданного размера.

function dlYPred = modelPredictions(dlnet,dlX,miniBatchSize)

numObservations = size(dlX,4);
numIterations = ceil(numObservations / miniBatchSize);

numClasses = dlnet.Layers(11).OutputSize;
dlYPred = zeros(numClasses,numObservations,'like',dlX);

for i = 1:numIterations
    idx = (i-1)*miniBatchSize+1:min(i*miniBatchSize,numObservations);
    
    dlYPred(:,idx) = predict(dlnet,dlX(:,:,:,idx));
end

end

Больше о

развернуть все

Смотрите также

| | | | |

Темы

Введенный в R2019b

Документация Deep Learning Toolbox
Поддержка