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Try in Colab

 機械学習の実験管理、データセットバージョン管理、およびプロジェクトコラボレーションに Weights & Biases を使用します。
この Colabノートブックでは、WandbEvalCallback を紹介します。これは抽象的なコールバックで、モデル予測の可視化とデータセットの可視化に役立つコールバックを構築するために継承されます。

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セットアップとインストール

まず、最新バージョンの Weights and Biases をインストールしましょう。その後、この Colab インスタンスを認証して W&B を利用できるようにします。 
pip install -qq -U wandb

import os
import numpy as np
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import layers
from tensorflow.keras import models
import tensorflow_datasets as tfds

# Weights and Biases に関連するインポート
import wandb
from wandb.integration.keras import WandbMetricsLogger
from wandb.integration.keras import WandbModelCheckpoint
from wandb.integration.keras import WandbEvalCallback
もしこれが初めての W&B の使用であるかまだログインしていない場合、wandb.login() を実行した後に表示されるリンクがサインアップ/ログインページに誘導します。無料アカウントへのサインアップは、数クリックで簡単です。 
wandb.login()

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ハイパーパラメーター

適切なコンフィグシステムの使用は、再現可能な機械学習のための推奨ベストプラクティスです。W&B を使用して、各実験のハイパーパラメーターを管理することができます。この Colab では、シンプルな Python の dict をコンフィグシステムとして使用します。 
configs = dict(
    num_classes=10,
    shuffle_buffer=1024,
    batch_size=64,
    image_size=28,
    image_channels=1,
    earlystopping_patience=3,
    learning_rate=1e-3,
    epochs=10,
)

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データセット

この Colab では、TensorFlow データセットカタログから CIFAR100 データセットを使用します。TensorFlow/Keras を使用して、シンプルな画像分類 パイプラインを構築することを目指します。 
train_ds, valid_ds = tfds.load("fashion_mnist", split=["train", "test"])

AUTOTUNE = tf.data.AUTOTUNE

def parse_data(example):
    # 画像を取得
    image = example["image"]
    # image = tf.image.convert_image_dtype(image, dtype=tf.float32)

    # ラベルを取得
    label = example["label"]
    label = tf.one_hot(label, depth=configs["num_classes"])

    return image, label

def get_dataloader(ds, configs, dataloader_type="train"):
    dataloader = ds.map(parse_data, num_parallel_calls=AUTOTUNE)

    if dataloader_type=="train":
        dataloader = dataloader.shuffle(configs["shuffle_buffer"])
      
    dataloader = (
        dataloader
        .batch(configs["batch_size"])
        .prefetch(AUTOTUNE)
    )

    return dataloader

trainloader = get_dataloader(train_ds, configs)
validloader = get_dataloader(valid_ds, configs, dataloader_type="valid")

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モデル

def get_model(configs):
    backbone = tf.keras.applications.mobilenet_v2.MobileNetV2(
        weights="imagenet", include_top=False
    )
    backbone.trainable = False

    inputs = layers.Input(
        shape=(configs["image_size"], configs["image_size"], configs["image_channels"])
    )
    resize = layers.Resizing(32, 32)(inputs)
    neck = layers.Conv2D(3, (3, 3), padding="same")(resize)
    preprocess_input = tf.keras.applications.mobilenet.preprocess_input(neck)
    x = backbone(preprocess_input)
    x = layers.GlobalAveragePooling2D()(x)
    outputs = layers.Dense(configs["num_classes"], activation="softmax")(x)

    return models.Model(inputs=inputs, outputs=outputs)

tf.keras.backend.clear_session()
model = get_model(configs)
model.summary()

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モデルのコンパイル

model.compile(
    optimizer="adam",
    loss="categorical_crossentropy",
    metrics=[
        "accuracy",
        tf.keras.metrics.TopKCategoricalAccuracy(k=5, name="top@5_accuracy"),
    ],
)

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WandbEvalCallback

WandbEvalCallback は主にモデル予測の可視化、そして二次的にはデータセットの可視化のための Keras コールバックを構築するための抽象基底クラスです。 これはデータセットやタスクに依存しない抽象コールバックです。これを使用するには、この基底コールバッククラスから継承し、add_ground_truth と add_model_prediction メソッドを実装します。 WandbEvalCallback は以下のような便利なメソッドを提供するユーティリティクラスです：
  • データと予測の wandb.Table インスタンスを作成、
  • wandb.Artifact としてデータと予測テーブルをログ、
  • on_train_begin にデータテーブルをログ、
  • on_epoch_end に予測テーブルをログ。
例として、画像分類タスクのために WandbClfEvalCallback を以下に実装しました。この例では:
  • W&B にバリデーションデータ (data_table) をログ、
  • 推論を行い、各エポックの終わりに W&B に予測 (pred_table) をログします。

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メモリ使用量が削減される仕組み

on_train_begin メソッドが呼び出される時に data_table を W&B にログします。一度 W&B のアーティファクトとしてアップロードされると、このテーブルへの参照を取得できます。それはクラス変数 data_table_ref を使用してアクセスできます。data_table_ref は 2D リストで、self.data_table_ref[idx][n] のようにインデックス付けできます。ここで idx は行番号、n は列番号です。以下の例で使用方法を見てみましょう。 
class WandbClfEvalCallback(WandbEvalCallback):
    def __init__(
        self, validloader, data_table_columns, pred_table_columns, num_samples=100
    ):
        super().__init__(data_table_columns, pred_table_columns)

        self.val_data = validloader.unbatch().take(num_samples)

    def add_ground_truth(self, logs=None):
        for idx, (image, label) in enumerate(self.val_data):
            self.data_table.add_data(idx, wandb.Image(image), np.argmax(label, axis=-1))

    def add_model_predictions(self, epoch, logs=None):
        # 予測を得る
        preds = self._inference()
        table_idxs = self.data_table_ref.get_index()

        for idx in table_idxs:
            pred = preds[idx]
            self.pred_table.add_data(
                epoch,
                self.data_table_ref.data[idx][0],
                self.data_table_ref.data[idx][1],
                self.data_table_ref.data[idx][2],
                pred,
            )

    def _inference(self):
        preds = []
        for image, label in self.val_data:
            pred = self.model(tf.expand_dims(image, axis=0))
            argmax_pred = tf.argmax(pred, axis=-1).numpy()[0]
            preds.append(argmax_pred)

        return preds

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トレーニング

# W&B の run を初期化
run = wandb.init(project="intro-keras", config=configs)

# モデルをトレーニング
model.fit(
    trainloader,
    epochs=configs["epochs"],
    validation_data=validloader,
    callbacks=[
        WandbMetricsLogger(log_freq=10),
        WandbClfEvalCallback(
            validloader,
            data_table_columns=["idx", "image", "ground_truth"],
            pred_table_columns=["epoch", "idx", "image", "ground_truth", "prediction"],
        ),  # ここで WandbEvalCallback を使用
    ],
)

# W&B の run を終了
run.finish()
⌘I