Caffe2-creating-your-own-network

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Caffe2-独自のネットワークの作成

このレッスンでは、Caffe2で*シングルレイヤーニューラルネットワーク（NN）を定義し、ランダムに生成されたデータセットで実行する方法を学習します。 ネットワークアーキテクチャ、印刷入力、出力、重み、およびバイアス値をグラフィカルに描写するコードを作成します。 このレッスンを理解するには、*ニューラルネットワークアーキテクチャ、それらで使用される*用語*および*数学*に精通している必要があります。

ネットワークアーキテクチャ

次の図に示すように、単一層NNを構築したいと考えてみましょう-

ネットワークアーキテクチャ

数学的には、このネットワークは次のPythonコードで表されます- 

Y = X * W^T + b

ここで、 X、W、b はテンソル、 Y は出力です。 3つのテンソルすべてにランダムデータを入力し、ネットワークを実行して Y 出力を調べます。 ネットワークとテンソルを定義するために、Caffe2はいくつかの*演算子*関数を提供します。

Caffe2オペレーター

Caffe2では、 Operator は計算の基本単位です。 Caffe2 *演算子*は次のように表されます。

Caffe2オペレーター

Caffe2は、オペレーターの包括的なリストを提供します。 現在設計しているネットワークでは、FCと呼ばれる演算子を使用します。これは、入力ベクトル X を2次元の重み行列 W と1次元のバイアスで完全に接続されたネットワークに渡す結果を計算しますベクトル b 。 つまり、次の数式を計算します 

Y = X * W^T + b
*X* の寸法は*（M x k）、W *の寸法は*（n x k）*、 *b* は*（1 x n）*です。 出力 *Y* の次元は*（M x n）*です。ここで、 *M* はバッチサイズです。

ベクトル X および W の場合、 GaussianFill 演算子を使用してランダムデータを作成します。 バイアス値 b を生成するには、 ConstantFill 演算子を使用します。

次に、ネットワークの定義に進みます。

ネットワークを作成する

まず、必要なパッケージをインポートします- 

from caffe2.python import core, workspace

次に、次のように core.Net を呼び出してネットワークを定義します- 

net = core.Net("SingleLayerFC")

ネットワークの名前は SingleLayerFC として指定されます。 この時点で、netというネットワークオブジェクトが作成されます。 これまでのところ、レイヤーは含まれていません。

テンソルの作成

ここで、ネットワークに必要な3つのベクトルを作成します。 まず、次のように GaussianFill 演算子を呼び出してXテンソルを作成します- 

X = net.GaussianFill([], ["X"], mean=0.0, std=1.0, shape=[2, 3], run_once=0)
*X* ベクトルの次元は *2 x 3* で、平均データ値は0,0、標準偏差は *1.0* です。

同様に、次のように W テンソルを作成します- 

W = net.GaussianFill([], ["W"], mean=0.0, std=1.0, shape=[5, 3], run_once=0)
*W* ベクトルのサイズは *5 x 3* です。

最後に、サイズ5のバイアス b 行列を作成します。 

b = net.ConstantFill([], ["b"], shape=[5,], value=1.0, run_once=0)

さて、コードの最も重要な部分が来て、それはネットワーク自体を定義しています。

ネットワークの定義

私たちは次のPythonステートメントでネットワークを定義します- 

Y = X.FC([W, b], ["Y"])

入力データ X で FC 演算子を呼び出します。 重みは W で指定され、バイアスはbで指定されます。 出力は Y です。 または、次のPythonステートメントを使用してネットワークを作成することもできますが、これはより冗長です。 

Y = net.FC([X, W, b], ["Y"])

この時点で、ネットワークは単純に作成されます。 ネットワークを少なくとも1回実行するまで、データは含まれません。 ネットワークを実行する前に、そのアーキテクチャを調べます。

印刷ネットワークアーキテクチャ

Caffe2は、作成された net オブジェクトでProtoメソッドを呼び出すことで確認できるJSONファイルでネットワークアーキテクチャを定義します。 

print (net.Proto())

これは、次の出力を生成します- 

name: "SingleLayerFC"
op {
   output: "X"
   name: ""
   type: "GaussianFill"
   arg {
      name: "mean"
      f: 0.0
   }
   arg {
      name: "std"
      f: 1.0
   }
   arg {
      name: "shape"
      ints: 2
      ints: 3
   }
   arg {
      name: "run_once"
      i: 0
   }
}
op {
   output: "W"
   name: ""
   type: "GaussianFill"
   arg {
      name: "mean"
      f: 0.0
   }
   arg {
      name: "std"
      f: 1.0
   }
   arg {
      name: "shape"
      ints: 5
      ints: 3
   }
   arg {
      name: "run_once"
      i: 0
   }
}
op {
   output: "b"
   name: ""
   type: "ConstantFill"
   arg {
      name: "shape"
      ints: 5
   }
   arg {
      name: "value"
      f: 1.0
   }
   arg {
      name: "run_once"
      i: 0
   }
}
op {
   input: "X"
   input: "W"
   input: "b"
   output: "Y"
   name: ""
   type: "FC"
}

上記のリストでわかるように、最初に演算子 X、W および b を定義します。 例として W の定義を調べてみましょう。 W のタイプは GausianFill として指定されます。 平均*はフロート *0.0 として定義され、標準偏差はフロート 1.0 として定義され、形状*は *5 x 3 です。 

op {
   output: "W"
   name: "" type: "GaussianFill"
   arg {
      name: "mean"
       f: 0.0
   }
   arg {
      name: "std"
      f: 1.0
   }
   arg {
      name: "shape"
      ints: 5
      ints: 3
   }
   ...
}

あなた自身の理解のために X と b の定義を調べてください。 最後に、ここで再現されている単一層ネットワークの定義を見てみましょう。 

op {
   input: "X"
   input: "W"
   input: "b"
   output: "Y"
   name: ""
   type: "FC"
}

ここでは、ネットワークタイプは FC （完全接続）で、入力として X、W、b 、 Y が出力です。 このネットワーク定義は冗長すぎるため、大規模なネットワークの場合、その内容を調べるのは退屈になります。 幸いなことに、Caffe2は作成されたネットワークのグラフィカルな表現を提供します。

ネットワークのグラフィカル表現

ネットワークのグラフィカルな表現を取得するには、次のコードスニペットを実行します。これは基本的にPythonコードの2行のみです。 

from caffe2.python import net_drawer
from IPython import display
graph = net_drawer.GetPydotGraph(net, rankdir="LR")
display.Image(graph.create_png(), width=800)

あなたがコードを実行すると、次の出力が表示されます-

グラフィック表現

大規模なネットワークの場合、グラフィック表示はネットワーク定義エラーの視覚化とデバッグに非常に役立ちます。

最後に、ネットワークを実行します。

ランニングネットワーク

*workspace* オブジェクトで *RunNetOnce* メソッドを呼び出してネットワークを実行します-
workspace.RunNetOnce(net)

ネットワークが1回実行されると、ランダムに生成されるすべてのデータが作成され、ネットワークに供給されて出力が作成されます。 ネットワークの実行後に作成されるテンソルは、Caffe2では blobs と呼ばれます。 ワークスペースは、作成してメモリに保存する blobs で構成されます。 これはMatlabに非常に似ています。

ネットワークを実行した後、次の print コマンドを使用して、ワークスペースに含まれる blobs を調べることができます。 

print("Blobs in the workspace: {}".format(workspace.Blobs()))

次の出力が表示されます- 

Blobs in the workspace: ['W', 'X', 'Y', 'b']

ワークスペースは、 X、W 、 b の3つの入力BLOBで構成されていることに注意してください。 また、 Y という出力BLOBが含まれています。 これらのブロブの内容を調べてみましょう。 

for name in workspace.Blobs():
   print("{}:\n{}".format(name, workspace.FetchBlob(name)))

次の出力が表示されます- 

W:
[[X:
[[e+00 1.5279824e+00 1.1889904e+00]
[ 6.7048723e-01 -9.7490678e-04 2.5114202e-01]]
Y:
[[b:
[1. 1. 1. 1. 1.]

すべての入力がランダムに作成されるため、マシン上のデータまたは実際にはネットワークの実行ごとのデータは異なることに注意してください。 これで、ネットワークが正常に定義され、コンピューターで実行されました。

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