🤖 Интерактивные эксперименты с машинным обучением на TensorFlow

Если вкратце

Я создал новый проект 🤖 Интерактивные эксперименты с машинным обучением на GitHub. Каждый эксперимент состоит из 🏋️ Jupyter/Colab ноутбука, показывающего как модель тренировалась, и 🎨 Демо странички, показывающей модель в действии прямо в вашем браузере.

Несмотря на то, что машинные модели в репозитории могут быть немного «туповатенькими» (помните, это всего-лишь эксперименты, а не вылизанный код, готовый к «заливке на продакшн» и дальнейшему управлению новыми Tesla), они будут стараться как могут чтобы:

• 🖌 Распознать цифры и прочие эскизы, которые вы нарисуете в браузере
• 📸 Определить и распознать объекты на видео из вашей камеры
• 🌅 Классифицировать изображения, загруженные вами
• 📝 Написать с вами поэму в стиле Шекспира
• ✊🖐✌️И даже поиграть с вами в камень-ножницы-бумагу
• и пр.

Я тренировал модели на Python с использованием TensorFlow 2 с поддержкой Keras. Для демо-приложения я использовал React и JavaScript версию Tensorflow.

Производительность моделей

⚠️ Для начала, давайте определимся с нашими ожиданиями.️ Репозиторий содержит эксперименты с машинным обучением, а не готовые к «заливке на продакшн», оптимизированные и тонко настроенные модели. Этот проект скорее похож на песочницу, в которой можно учиться и тренироваться работе с алгоритмами машинного обучения и разными наборами данных. Обученные модели могут быть недостаточно точными (например, иметь 60% точности вместо ожидаемых, пускай, 97%), а также могу быть переученными и недоученными (overfitting vs underfitting).

Поэтому иногда вы можете увидеть что-то вроде:

Но будьте терпеливы, иногда эта же модель может выдавать что-то более «умное» 🤓:

Предыстория

Я инженер-программист и последние несколько лет занимаюсь в основном full-stack программированием (веб-проекты). В свободное от работы время, в качестве хобби, я решил углубиться в тему машинного обучения, чтобы в первую очередь для себя-же сделать эту тему менее магической и более математической.

1. 🗓 Поскольку Python мог быть хорошим выбором для того, чтобы начать экспериментировать с машинным обучением я решил изучить его базовый синтаксис. В результате появился проект 🐍 Playground and Cheatsheet for Learning Python . Он был создан с одной стороны для того, чтобы практиковаться в написании кода на Python, а также в качестве «шпаргалки» с базовым синтаксисом, чтобы в нужный момент можно было быстро подсмотреть вещи наподобие dict_via_comprehension = {x: x**2 for x in (2, 4, 6)}.

2. 🗓 После ознакомления с Python-ом я хотел чуть больше углубиться в математическую часть машинного обучения. В итоге после прохождения замечательного курса от Andrew Ng на Coursera я создал проект 🤖 Homemade Machine Learning . Это была очередная «шпаргалка для себя-же» с базовыми алгоритмами машинного обучения, такими как линейная регрессия, логистическая регрессия, алгоритм k-средних, многослойный перцептрон (или персептрон? 🤔) и прочие.

3. 🗓 Моей следующей попыткой «поиграться в машинное обучение» стал 🤖 NanoNeuron. Это были 7 простых JavaScript функций, которые должны были дать понимание читателю о том, как же машина все-таки может «учиться».

4. 🗓 После окончания очередного прекрасного курса по Deep Learning от все того-же Andrew Ng на Coursera я решил больше попрактиковаться с многослойными перцептронами (multilayer perceptrons), сверточными и рекуррентными нейронными сетями (convolutional and recurrent neural networks). На этот раз, вместо того, чтобы реализовывать их с нуля я решил воспользоваться уже готовым фреймворком. В итоге я начал с TensorFlow 2 с поддержкой Keras. Я так же не хотел фокусироваться на математике (позволив фреймворку сделать свое дело), вместо этого хотелось написать что-то более практичное и интерактивное, что-то, что можно было бы протестировать прямо в браузере телефона. В результате появился новый проект 🤖 Interactive Machine Learning Experiments , на котором я и хочу остановиться более детально в этой статье.

Технологический стек

Тренировка моделей

• 🏋🏻 Для тренировки моделей я использовал Keras, как часть TensorFlow 2. Поскольку до этого у меня не было опыта с фреймворками для машинного обучения мне нужно было с какого-то из них начать. Один из ключевых факторов, который мне понравился в TensorFlow было наличие сразу двух его версий: версии на Python и версии на JavaScript, у которых был схожий API. В итоге я использовал Python версия для тренировки, а JavaScript версию библиотека для демо-приложения.

• 🏋🏻 Я тренировал модели на Python внутри Jupyter ноутбуков локально. Иногда использовал Colab, чтобы воспользоваться GPU и тем самым ускорить тренировку.

• 💻 Большинство моделей были натренированы на CPU старого доброго MacBook Pro (2,9 GHz Dual-Core Intel Core i5).

• 🔢 И конечно же было никак не обойтись без NumPy для матричных (тензорных) операций.

Демонстрация моделей

• 🏋🏻 Я использовал TensorFlow.js для того, чтобы воспользоваться в браузере заранее натренированными на предыдущем шаге (в Jupyter ноутбуке) моделями.

• ♻️ Для конвертирования моделей из формата HDF5 в формат TensorFlow.js Layers я использовал TensorFlow.js converter. Это конечно же может быть неэффективно загружать всю модель в браузер целиком (речь ведь идет о мегабайтах данных) вместо того, чтобы делать предсказания вызывая модель удаленно через HTTP запросы, но, снова-таки, вспомним, что речь идет об экспериментах, а не о зрелой и оптимизированной архитектуре, которую можно брать и сразу же использовать для «продакшна». С точки зрения простоты подхода я также хотел избежать развертывания отдельного сервера с HTTP API для предсказаний моделей.

• 👨🏻 🎨 Демонстрационное приложение было создано на React с использованием create-react-app стартера с поддержкой Flow по умолчания для проверки типов.

• 💅🏻 Для стайлинга я воспользовался библиотекой Material UI. Я хотел, как говориться, «убить двух зайцев сразу» и заодно попробовать новый для себя фреймворк для пользовательских интерфейсов (прости, Bootstrap 🤷🏻 ).

Эксперименты

Демо-страничка с экспериментами, а также Jupyter ноутбуки с деталями тренировки доступны по следующим ссылкам:

• 🎨Запустить Демо с машинными экспериментами
• 🏋️Просмотреть детали тренировки каждой из моделей

Эксперименты с многослойным перцептроном (Multilayer Perceptron, MLP)

Распознавание цифр

Вы рисуете цифру, а модель пытается ее распознать.

• 🎨Демо
• 🏋️Тренировка модели в Jupyter
• 🏋️Тренировка модели в Colab

Распознавание эскизов

Вы рисуете эскиз, а модель пытается его распознать.

• 🎨Демо
• 🏋️Тренировка модели в Jupyter
• 🏋️Тренировка модели в Colab

Эксперименты со сверточными нейронными сетями (Convolutional Neural Network, CNN)

Распознавание цифр (CNN)

Вы рисуете цифру, а модель пытается ее распознать. Этот эксперимент похож на предыдущий из раздела MLP, но на этот раз модель использует CNN.

• 🎨Демо
• 🏋️Тренировка модели в Jupyter
• 🏋️Тренировка модели в Colab

Распознавание эскизов (CNN)

Вы рисуете эскиз, а модель пытается его распознать. Этот эксперимент похож на предыдущий из раздела MLP, но на этот раз модель использует CNN.

• 🎨Демо
• 🏋️Тренировка модели в Jupyter
• 🏋️Тренировка модели в Colab

Камень-Ножницы-Бумага (CNN)

Вы играете в камень-ножницы-бумагу с моделью. Этот эксперимент использует CNN, натренированную с нуля.

• 🎨Демо
• 🏋️Тренировка модели в Jupyter
• 🏋️Тренировка модели в Colab

Rock Paper Scissors (MobilenetV2)

Вы играете в камень-ножницы-бумагу с моделью. Эта модель использует трансферное обучение, основанное на сети MobilenetV2.

• 🎨Демо
• 🏋️ Тренировка модели в Jupyter
• 🏋️ Тренировка модели в Colab

Распознавание объектов (MobileNetV2)

Вы показываете модели ваше окружение (используя камеру ноутбука или телефона), а модель пытается определить предметы на видео и распознать их. Эта модель использует сеть MobilenetV2.

• 🎨Демо
• 🏋️ Тренировка модели в Jupyter
• 🏋️ Тренировка модели в Colab

Классификация изображений (MobileNetV2)

Вы загружаете изображение, а модель пытается его классифицировать в зависимости от того, что она «видит» на картинке. Модель использует сеть MobilenetV2.

• 🎨Демо
• 🏋️ Тренировка модели в Jupyter
• 🏋️ Тренировка модели в Colab

Эксперименты с рекуррентными нейронными сетями (Recurrent Neural Networks, RNN)

Суммирование чисел

Вы набираете выражение (например, 17+38) и модель предсказывает результат (например 55). Интересность этой модели заключается в том, что она воспринимает выражение на входе, как последовательность символов (как текст). Модель учится «переводить» последовательность 1 → 17 → 17+ → 17+3 → 17+38 на входе в другую текстовую последовательность 55 на выходе. Считайте, что модель скорее делает перевод испанского Hola в английское Hello, чем оперирует математическими сущностями.

• 🎨Демо
• 🏋️Тренировка модели в Jupyter
• 🏋️Тренировка модели в Colab

Генерация текста в стиле Шекспира

Вы начинаете поэму как Шекспир, а модель пытается ее продолжить как Шекспир. Ключевое слово «пытается» 😀.

• 🎨Демо
• 🏋️Тренировка модели в Jupyter
• 🏋️ Тренировка модели в Colab

Генерация текста в стиле Wikipedia

Вы начинаете печатать Wiki статью, а модель продолжает.

• 🎨Демо
• 🏋️Тренировка модели в Jupyter
• 🏋️Тренировка модели в Colab

Планы

Как я упомянул выше, главная задача репозитория — быть тренировочной площадкой, песочницей для обучения машинному обучению (привет, каламбур 🙌🏻). Поэтому в планах — продолжать учиться и экспериментировать с различными задачами в области Deep Learning. Такими интересным задачами могут быть:

• Определение эмоций
• Перенос стиля
• Машинный перевод
• Генерация изображения (например тех-же написанных цифр)
• и пр.

Другой интересной возможностью является более тонкая настройка уже имеющихся моделей, чтобы сделать их более точными. Мне кажется это может дать более глубокое понимание того, как преодолевать переученность/недоученность моделей и как поступать в случаях, когда точность модели застревает на 60% для тренировочных и валидационных данных и не хочет больше улучшаться 🤔.

В любом случае, я надеюсь, что вы найдете что-то полезное и интересное в репозитории в контексте обучения машинных моделей, ну или по крайней мере обыграете компьютер в камень-ножницы-бумагу 😀

Успешного обучения! 🤖