엔지니어를 위한 Keras 소개

엔지니어를 위한 Keras 소개

저자: fchollet
생성일: 2023/07/10
최종편집일: 2023/07/10
설명: Keras 3와의 첫 만남.

소개

Keras 3는 TensorFlow, JAX 및 PyTorch와 상호 호환되는 딥러닝 프레임워크입니다. 이 노트북에서는 주요 Keras 3 워크플로우를 안내합니다.

셋업

여기서는 JAX 백엔드를 사용하지만, 아래 문자열을 "tensorflow" 또는 "torch"로 수정하고, “Restart runtime"을 누르면, 노트북 전체가 똑같이 실행됩니다! 이 전체 가이드는 백엔드에 구애받지 않습니다.

import numpy as np
import os

os.environ["KERAS_BACKEND"] = "jax"

# Keras는 백엔드가 구성된 후에 import 되어야 한다는 점에 유의하세요.
# 패키지를 import 한 후에는, 백엔드를 변경할 수 없습니다.
import keras

첫 번째 예시: MNIST 컨브넷

MNIST 숫자를 분류하기 위해 convnet을 트레이닝하는 ML의 Hello World부터 시작하겠습니다.

다음은 데이터입니다:

# 데이터를 로드하고 트레이닝 세트와 테스트 세트로 분할하기
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = keras.datasets.mnist.load_data()

# 이미지를 [0, 1] 범위로 조정하기
x_train = x_train.astype("float32") / 255
x_test = x_test.astype("float32") / 255
# 이미지가 (28, 28, 1) 모양이 되도록 합니다.
x_train = np.expand_dims(x_train, -1)
x_test = np.expand_dims(x_test, -1)
print("x_train shape:", x_train.shape)
print("y_train shape:", y_train.shape)
print(x_train.shape[0], "train samples")
print(x_test.shape[0], "test samples")
결과
x_train shape: (60000, 28, 28, 1)
y_train shape: (60000,)
60000 train samples
10000 test samples

이것이 우리의 모델입니다.

Keras에서 제공하는 다양한 모델 빌드 옵션은 다음과 같습니다:

# 모델 파라미터
num_classes = 10
input_shape = (28, 28, 1)

model = keras.Sequential(
    [
        keras.layers.Input(shape=input_shape),
        keras.layers.Conv2D(64, kernel_size=(3, 3), activation="relu"),
        keras.layers.Conv2D(64, kernel_size=(3, 3), activation="relu"),
        keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)),
        keras.layers.Conv2D(128, kernel_size=(3, 3), activation="relu"),
        keras.layers.Conv2D(128, kernel_size=(3, 3), activation="relu"),
        keras.layers.GlobalAveragePooling2D(),
        keras.layers.Dropout(0.5),
        keras.layers.Dense(num_classes, activation="softmax"),
    ]
)

이것이 우리 모델의 summary 입니다:

model.summary()
결과
Model: "sequential"
┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━┓
┃ Layer (type)                    ┃ Output Shape              ┃    Param # ┃
┡━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━┩
│ conv2d (Conv2D)                 │ (None, 26, 26, 64)        │        640 │
├─────────────────────────────────┼───────────────────────────┼────────────┤
│ conv2d_1 (Conv2D)               │ (None, 24, 24, 64)        │     36,928 │
├─────────────────────────────────┼───────────────────────────┼────────────┤
│ max_pooling2d (MaxPooling2D)    │ (None, 12, 12, 64)        │          0 │
├─────────────────────────────────┼───────────────────────────┼────────────┤
│ conv2d_2 (Conv2D)               │ (None, 10, 10, 128)       │     73,856 │
├─────────────────────────────────┼───────────────────────────┼────────────┤
│ conv2d_3 (Conv2D)               │ (None, 8, 8, 128)         │    147,584 │
├─────────────────────────────────┼───────────────────────────┼────────────┤
│ global_average_pooling2d        │ (None, 128)               │          0 │
│ (GlobalAveragePooling2D)        │                           │            │
├─────────────────────────────────┼───────────────────────────┼────────────┤
│ dropout (Dropout)               │ (None, 128)               │          0 │
├─────────────────────────────────┼───────────────────────────┼────────────┤
│ dense (Dense)                   │ (None, 10)                │      1,290 │
└─────────────────────────────────┴───────────────────────────┴────────────┘
 Total params: 260,298 (1016.79 KB)
 Trainable params: 260,298 (1016.79 KB)
 Non-trainable params: 0 (0.00 B)

compile() 메서드를 사용하여 옵티마이저, 손실 함수, 모니터링할 메트릭을 지정합니다. JAX 및 TensorFlow 백엔드에서는 기본적으로 XLA 컴파일이 켜져 있다는 점에 유의하세요.

model.compile(
    loss=keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(),
    optimizer=keras.optimizers.Adam(learning_rate=1e-3),
    metrics=[
        keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy(name="acc"),
    ],
)

모델을 트레이닝하고 평가해 보겠습니다. 보지 않은 데이터에 대한 일반화를 모니터링하기 위해, 트레이닝 중에 데이터의 15%에 해당하는 검증 분할을 따로 설정하겠습니다.

batch_size = 128
epochs = 20

callbacks = [
    keras.callbacks.ModelCheckpoint(filepath="model_at_epoch_{epoch}.keras"),
    keras.callbacks.EarlyStopping(monitor="val_loss", patience=2),
]

model.fit(
    x_train,
    y_train,
    batch_size=batch_size,
    epochs=epochs,
    validation_split=0.15,
    callbacks=callbacks,
)
score = model.evaluate(x_test, y_test, verbose=0)
결과
Epoch 1/20
 399/399 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 74s 184ms/step - acc: 0.4980 - loss: 1.3832 - val_acc: 0.9609 - val_loss: 0.1513
Epoch 2/20
 399/399 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 74s 186ms/step - acc: 0.9245 - loss: 0.2487 - val_acc: 0.9702 - val_loss: 0.0999
Epoch 3/20
 399/399 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 70s 175ms/step - acc: 0.9515 - loss: 0.1647 - val_acc: 0.9816 - val_loss: 0.0608
Epoch 4/20
 399/399 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 69s 174ms/step - acc: 0.9622 - loss: 0.1247 - val_acc: 0.9833 - val_loss: 0.0541
Epoch 5/20
 399/399 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 68s 171ms/step - acc: 0.9685 - loss: 0.1083 - val_acc: 0.9860 - val_loss: 0.0468
Epoch 6/20
 399/399 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 70s 176ms/step - acc: 0.9710 - loss: 0.0955 - val_acc: 0.9897 - val_loss: 0.0400
Epoch 7/20
 399/399 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 69s 172ms/step - acc: 0.9742 - loss: 0.0853 - val_acc: 0.9888 - val_loss: 0.0388
Epoch 8/20
 399/399 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 68s 169ms/step - acc: 0.9789 - loss: 0.0738 - val_acc: 0.9902 - val_loss: 0.0387
Epoch 9/20
 399/399 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 75s 187ms/step - acc: 0.9789 - loss: 0.0691 - val_acc: 0.9907 - val_loss: 0.0341
Epoch 10/20
 399/399 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 77s 194ms/step - acc: 0.9806 - loss: 0.0636 - val_acc: 0.9907 - val_loss: 0.0348
Epoch 11/20
 399/399 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 74s 186ms/step - acc: 0.9812 - loss: 0.0610 - val_acc: 0.9926 - val_loss: 0.0271
Epoch 12/20
 399/399 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 219s 550ms/step - acc: 0.9820 - loss: 0.0590 - val_acc: 0.9912 - val_loss: 0.0294
Epoch 13/20
 399/399 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 70s 176ms/step - acc: 0.9843 - loss: 0.0504 - val_acc: 0.9918 - val_loss: 0.0316

트레이닝 중에, 각 에포크가 끝날 때마다 모델을 저장했습니다. 아래처럼 모델을 최신 상태로 저장할 수도 있습니다:

model.save("final_model.keras")

그리고 이렇게 다시 로드합니다:

model = keras.saving.load_model("final_model.keras")

다음으로, predict()를 사용하여 클래스 확률 예측을 쿼리할 수 있습니다:

predictions = model.predict(x_test)
결과
 313/313 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 3s 9ms/step

이것이 기본 사항입니다!

크로스 프레임워크 커스텀 컴포넌트 작성

Keras를 사용하면 동일한 코드베이스로, TensorFlow, JAX, PyTorch에서 작동하는 커스텀 레이어, 모델, 메트릭, 손실 및 옵티마이저를 작성할 수 있습니다. 먼저 커스텀 레이어를 살펴보겠습니다.

keras.ops 네임스페이스에는 다음이 포함됩니다:

모든 백엔드에서 작동하는 커스텀 Dense 레이어를 만들어 보겠습니다:

class MyDense(keras.layers.Layer):
    def __init__(self, units, activation=None, name=None):
        super().__init__(name=name)
        self.units = units
        self.activation = keras.activations.get(activation)

    def build(self, input_shape):
        input_dim = input_shape[-1]
        self.w = self.add_weight(
            shape=(input_dim, self.units),
            initializer=keras.initializers.GlorotNormal(),
            name="kernel",
            trainable=True,
        )

        self.b = self.add_weight(
            shape=(self.units,),
            initializer=keras.initializers.Zeros(),
            name="bias",
            trainable=True,
        )

    def call(self, inputs):
        # Keras ops를 사용하여, 백엔드에 구애받지 않는 레이어/메트릭 등을 생성하세요.
        x = keras.ops.matmul(inputs, self.w) + self.b
        return self.activation(x)

다음으로, keras.random 네임스페이스에 의존하는 커스텀 Dropout 레이어를 만들어 보겠습니다:

class MyDropout(keras.layers.Layer):
    def __init__(self, rate, name=None):
        super().__init__(name=name)
        self.rate = rate
        # seed_generator를 사용하여 RNG 상태를 관리합니다.
        # 이는 상태 요소(state element)이며,
        # 시드 변수는 `layer.variables`의 일부로 추적됩니다.
        self.seed_generator = keras.random.SeedGenerator(1337)

    def call(self, inputs):
        # 랜덤 ops를 위해 `keras.random`을 사용합니다.
        return keras.random.dropout(inputs, self.rate, seed=self.seed_generator)

다음으로, 두 개의 커스텀 레이어를 사용하는 커스텀 서브클래스 모델을 작성해 보겠습니다:

class MyModel(keras.Model):
    def __init__(self, num_classes):
        super().__init__()
        self.conv_base = keras.Sequential(
            [
                keras.layers.Conv2D(64, kernel_size=(3, 3), activation="relu"),
                keras.layers.Conv2D(64, kernel_size=(3, 3), activation="relu"),
                keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)),
                keras.layers.Conv2D(128, kernel_size=(3, 3), activation="relu"),
                keras.layers.Conv2D(128, kernel_size=(3, 3), activation="relu"),
                keras.layers.GlobalAveragePooling2D(),
            ]
        )
        self.dp = MyDropout(0.5)
        self.dense = MyDense(num_classes, activation="softmax")

    def call(self, x):
        x = self.conv_base(x)
        x = self.dp(x)
        return self.dense(x)

컴파일하고, fit 해보겠습니다:

model = MyModel(num_classes=10)
model.compile(
    loss=keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(),
    optimizer=keras.optimizers.Adam(learning_rate=1e-3),
    metrics=[
        keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy(name="acc"),
    ],
)

model.fit(
    x_train,
    y_train,
    batch_size=batch_size,
    epochs=1,  # 여기에서는 더 빠르게 하기 위해, 에포크를 1로 지정합니다.
    validation_split=0.15,
)
결과
 399/399 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 70s 174ms/step - acc: 0.5104 - loss: 1.3473 - val_acc: 0.9256 - val_loss: 0.2484

<keras.src.callbacks.history.History at 0x105608670>

임의의 데이터 소스에 대해 모델 트레이닝

모든 Keras 모델은 사용 중인 백엔드와 관계없이 다양한 데이터 소스에 대해 트레이닝 및 평가할 수 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

  • NumPy 배열
  • Pandas 데이터 프레임
  • TensorFlow tf.data.Dataset 객체
  • PyTorch DataLoader 객체
  • Keras PyDataset 객체

이 예제는 TensorFlow, JAX 또는 PyTorch 중 어떤 것을 Keras 백엔드로 사용하든지 모두 작동합니다.

PyTorch DataLoaders를 사용해 보겠습니다:

import torch

# TensorDataset 생성
train_torch_dataset = torch.utils.data.TensorDataset(
    torch.from_numpy(x_train), torch.from_numpy(y_train)
)
val_torch_dataset = torch.utils.data.TensorDataset(
    torch.from_numpy(x_test), torch.from_numpy(y_test)
)

# DataLoader 생성
train_dataloader = torch.utils.data.DataLoader(
    train_torch_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True
)
val_dataloader = torch.utils.data.DataLoader(
    val_torch_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False
)

model = MyModel(num_classes=10)
model.compile(
    loss=keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(),
    optimizer=keras.optimizers.Adam(learning_rate=1e-3),
    metrics=[
        keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy(name="acc"),
    ],
)
model.fit(train_dataloader, epochs=1, validation_data=val_dataloader)
결과
 469/469 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 81s 172ms/step - acc: 0.5502 - loss: 1.2550 - val_acc: 0.9419 - val_loss: 0.1972

<keras.src.callbacks.history.History at 0x2b3385480>

이제 이것을 tf.data를 사용하여 시도해 보겠습니다:

import tensorflow as tf

train_dataset = (
    tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train))
    .batch(batch_size)
    .prefetch(tf.data.AUTOTUNE)
)
test_dataset = (
    tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test))
    .batch(batch_size)
    .prefetch(tf.data.AUTOTUNE)
)

model = MyModel(num_classes=10)
model.compile(
    loss=keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(),
    optimizer=keras.optimizers.Adam(learning_rate=1e-3),
    metrics=[
        keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy(name="acc"),
    ],
)
model.fit(train_dataset, epochs=1, validation_data=test_dataset)
결과
 469/469 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 81s 172ms/step - acc: 0.5771 - loss: 1.1948 - val_acc: 0.9229 - val_loss: 0.2502

<keras.src.callbacks.history.History at 0x2b33e7df0>

더 읽어보기

이것으로 Keras 3의 새로운 멀티 백엔드 기능에 대한 간략한 개요를 마쳤습니다. 이제, 다음 것들에 대해 알아볼 수 있습니다:

fit()에서 일어나는 일을 커스터마이즈하는 방법

비표준 트레이닝 알고리즘을 직접 구현하고 싶지만, fit()의 강력한 성능과 유용성을 활용하고 싶으신가요? 임의의 사용 사례를 지원하도록, fit()을 쉽게 커스터마이즈 할 수 있습니다:

커스텀 트레이닝 루프를 작성하는 방법

분산 트레이닝 하는 방법

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