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畳み込みニューラルネットワーク (Convolutional Neural Networks)

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このチュートリアルでは、MNIST の数の分類をするための、シンプルな畳み込みニューラルネットワーク (CNN: Convolutional Neural Network) の学習について説明します。このシンプルなネットワークは MNIST テストセットにおいて、99%以上の精度を達成します。このチュートリアルでは、Keras Sequential APIを使用するため、ほんの数行のコードでモデルの作成と学習を行うことができます。

Note: GPU を使うことで CNN をより早く学習させることができます。もし、このノートブックを Colab で実行しているならば、編集 -> ノートブックの設定 -> ハードウェアアクセラレータ -> GPU から無料のGPUを有効にすることができます。

TensorFlowのインポート



In [ ]:

    
!pip install tensorflow-gpu==2.0.0-rc1
import tensorflow as tf

from tensorflow.keras import datasets, layers, models

MNISTデータセットのダウンロードと準備



In [ ]:

    
(train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = datasets.mnist.load_data()

train_images = train_images.reshape((60000, 28, 28, 1))
test_images = test_images.reshape((10000, 28, 28, 1))

# ピクセルの値を 0~1 の間に正規化
train_images, test_images = train_images / 255.0, test_images / 255.0

畳み込みの基礎部分の作成

下記の6行のコードは、一般的なパターンで畳み込みの基礎部分を定義しています: Conv2D と MaxPooling2D レイヤーのスタック。

入力として、CNN はバッチサイズを無視して、shape (image_height, image_width, color_channels) のテンソルをとります。color channels について、MNIST は1つ (画像がグレースケールのため) の color channels がありますが、カラー画像には3つ (R, G, B) があります。この例では、MNIST 画像のフォーマットである shape (28, 28, 1) の入力を処理するように CNN を構成します。これを行うには、引数 input_shape を最初のレイヤーに渡します。



In [ ]:

    
model = models.Sequential()
model.add(layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(28, 28, 1)))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))

ここまでのモデルのアーキテクチャを表示してみましょう。



In [ ]:

    
model.summary()

上記より、すべての Conv2D と MaxPooling2D レイヤーの出力は shape (height, width, channels) の 3D テンソルであることがわかります。width と height の寸法は、ネットワークが深くなるにつれて縮小する傾向があります。各 Conv2D レイヤーの出力チャネルの数は、第一引数 (例: 32 または 64) によって制御されます。通常、width とheight が縮小すると、各 Conv2D レイヤーにさらに出力チャネルを追加する余裕が (計算上) できます。

上に Dense レイヤーを追加

モデルを完成するために、(shape (3, 3, 64) の) 畳み込みの基礎部分からの最後の出力テンソルを、1つ以上の Dense レイヤーに入れて分類を実行します。現在の出力は 3D テンソルですが、Dense レイヤーは入力としてベクトル (1D) を取ります。まず、3D 出力を 1D に平滑化 (または展開) してから、最上部に1つ以上の Dense レイヤーを追加します。MNIST は 10 個の出力クラスを持ちます。そのため、我々は最後の Dense レイヤーの出力を 10 にし、softmax関数を使用します。



In [ ]:

    
model.add(layers.Flatten())
model.add(layers.Dense(64, activation='relu'))
model.add(layers.Dense(10, activation='softmax'))

これが私たちのモデルの完全なアーキテクチャです。



In [ ]:

    
model.summary()

ご覧のとおり、2 つの Dense レイヤーを通過する前に、(3, 3, 64) の出力は shape (576) のベクターに平滑化されました。

モデルのコンパイルと学習



In [ ]:

    
model.compile(optimizer='adam',
              loss='sparse_categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

model.fit(train_images, train_labels, epochs=5)

モデルの評価



In [ ]:

    
test_loss, test_acc = model.evaluate(test_images,  test_labels, verbose=2)



In [ ]:

    
print(test_acc)

ご覧のとおり、我々のシンプルな CNN は 99% 以上のテスト精度を達成しています。数行のコードにしては悪くありません！違うスタイルでの CNN の書き方 (Keras Subclassing API や GradientTape を使ったもの) についてはここを参照してください。