【超初心者向け】TensorFlowのチュートリアルを読み解く。<その２>

 

本シリーズでは，ディープラーニングを実装する際に強力な手助けをしてくれる「TensorFlow」についてです。公式チュートリアルを，初心者に向けてかみ砕きながら翻訳していこうと思います。（公式ページはこちらより）

今回はNo.２で，「分類」編です。その他の記事は，こちらの「TensorFlowの公式チュートリアルを初心者向けに読み解く」をご覧ください。

基本的な流れ

TensolFlowでディープラーニングを実装する流れは，以下のようになります。

 

必要なモジュール等の準備

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

tensorflowとkerasをインポートしましょう。計算用にnumpy,可視化用にmatplotlib.pyplotもインポートします。

 

データセットの読み込み

fashion_mnist = keras.datasets.fashion_mnist
(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = fashion_mnist.load_data()

class_names = ['T-shirt/top', 'Trouser', 'Pullover', 'Dress', 'Coat',
               'Sandal', 'Shirt', 'Sneaker', 'Bag', 'Ankle boot']

mnistの中でも画像の分類テスクであるfashion_mnistをデータセットとして利用します。のちにラベルクラスの名前が必要になるため，手作業でラベルの名前を付けていきます。

データセットの概要を確認しましょう。

print(train_images.shape)
print(test_images.shape)
print(len(train_labels))
print(len(test_labels))

(60000, 28, 28)
(10000, 28, 28)
60000
10000

画像データは28×28のサイズで，訓練用に60000枚，テスト用に10000枚用意されています。ラベルは画像データの枚数と同じです。

一応，可視化して確認します。

plt.figure()
plt.imshow(train_images[0])
plt.colorbar()
plt.gca().grid(False)
plt.show()

 

画像データの各要素は[0,255]の値を取るので，[0,1]に変換します。こうすることで，ネットワークの中のパラメータが取る値が扱いやすくなります。

train_images = train_images / 255.0
test_images = test_images / 255.0

 

一応，可視化して確認します。

plt.figure(figsize=(10,10))
for i in range(25):
    plt.subplot(5,5,i+1)
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])
    plt.grid(False)
    plt.imshow(train_images[i], cmap=plt.cm.binary)
    plt.xlabel(class_names[train_labels[i]])
plt.show()

 

ネットワークの定義

model = keras.Sequential([
    keras.layers.Flatten(input_shape=(28, 28)),
    keras.layers.Dense(128, activation=tf.nn.relu),
    keras.layers.Dense(10, activation=tf.nn.softmax)])

一行目で，kerasのsequentialモデルのインスタンスを生成しています。sequentialモデルは深層学習の中でも最も基本的なモデルで，層を単純に重ねるだけのモデルを指しています。

二行目で，入力をフラットにしています。３行目以降で，作成したインスタンスに２つの層を追加しています。１層目はユニット数が128個で活性化関数がReLUです。2層目はユニット数が10個で活性化関数がsoftmax関数を利用しています。最後の活性化関数をsoftmaxにすることで，出力値は確率のようにみなすことができます。

 

最適化アルゴリズムの定義

model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(),
              loss='sparse_categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

モデルインスタンスのcompileメソッドによって，学習に利用する最適化アルゴリズムの詳細を設定できます。optimizer引数でAdamを指定しています。誤差関数はクロスエントロピー，評価関数はaccuracyを設定しています。

 

学習の実行

history = model.fit(train_images, train_labels, epochs=5,
                   verbose=1, validation_data=(test_images, test_labels))

modelインスタンスのfitメソッドで学習を実行しています。学習とは，ネットワークの重みを学習データに適合（fit）させることを指しています。epochsはバッチサイズの学習を何回繰り返すかを表しています。validation_dataは，評価に利用するデータセットの設定です。

historyという変数に代入することで，以下のように学習過程を視覚化することができます。

#Accuracy
plt.plot(history.history['acc'])
plt.plot(history.history['val_acc'])
plt.title('model accuracy')
plt.ylabel('accuracy')
plt.xlabel('epoch')
plt.legend(['train', 'test'], loc='upper left')
plt.show()

#loss
plt.plot(history.history['loss'])
plt.plot(history.history['val_loss'])
plt.title('model loss')
plt.ylabel('loss')
plt.xlabel('epoch')
plt.legend(['train', 'test'], loc='upper left')
plt.show()

 

ちなみに，以下のメソッドを利用すれば，作成したモデルの概要を知ることができます。

model.summary()

Model: "sequential"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
flatten (Flatten)            (None, 784)               0         
_________________________________________________________________
dense (Dense)                (None, 128)               100480    
_________________________________________________________________
dense_1 (Dense)              (None, 10)                1290      
=================================================================
Total params: 101,770
Trainable params: 101,770
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

 

評価の実行

score = model.evaluate(test_images, test_labels)
print('Test loss:', score[0])
print('Test accuracy:', score[1])

Test loss: 0.3513376784563065
Test accuracy: 0.874

上でも評価は行っていますが，改めてscoreに代入します。出力から最終的なlossとaccuracyを読み取れます。約87％の精度が出ました。

 

予測の実行

predictions = model.predict(test_images)
print(np.argmax(predictions[0]))

9

訓練に利用したデータに対する予測をしています。一つ目のテストデータは9番目のクラスラベルに属するという出力です。

予測した画像を「自信度の強さ付き」で表す関数を定義します。

def plot_image(i, predictions_array, true_label, img):
    predictions_array, true_label, img = predictions_array[i], true_label[i], img[i]
    plt.grid(False)
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])
    
    plt.imshow(img, cmap=plt.cm.binary)
    
    predicted_label = np.argmax(predictions_array)
    if predicted_label == true_label:
        color = 'blue'
    else:
        color = 'red'
    
    plt.xlabel("{} {:2.0f}% ({})".format(class_names[predicted_label],
                                    100*np.max(predictions_array),
                                    class_names[true_label]),
                                    color=color)

def plot_value_array(i, predictions_array, true_label):
    predictions_array, true_label = predictions_array[i], true_label[i]
    plt.grid(False)
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])
    thisplot = plt.bar(range(10), predictions_array, color="#777777")
    plt.ylim([0, 1])
    predicted_label = np.argmax(predictions_array)
    
    thisplot[predicted_label].set_color('red')
    thisplot[true_label].set_color('blue')

 

これらを，3×5のテストデータに関して試してみます。

num_rows = 5
num_cols = 3
num_images = num_rows*num_cols
plt.figure(figsize=(2*2*num_cols, 2*num_rows))
for i in range(num_images):
    plt.subplot(num_rows, 2*num_cols, 2*i+1)
    plot_image(i, predictions, test_labels, test_images)
    plt.subplot(num_rows, 2*num_cols, 2*i+2)
    plot_value_array(i, predictions, test_labels)
plt.show()