TensorFlow Tutorial

구글의 텐서플로우 공개가 중요한 4가지 이유

설치

# six 업그레이드 
$ sudo easy_install -U six

# python 설치 
$ brew install python

# pip 업그레이드
$ sudo pip install --upgrade pip

# TensorFlow 설치
$ sudo pip install --upgrade https://storage.googleapis.com/tensorflow/mac/tensorflow-0.8.0-py2-none-any.whl

소개

텐서플로우(TensorFlow)는 기계 학습과 딥러닝을 위해 구글에서 만든 오픈소스 라이브러리입니다. 데이터 플로우 그래프(Data Flow Graph) 방식을 사용하였습니다.

데이터 플로우 그래프

데이터 플로우 그래프는 수학 계산과 데이터의 흐름을 노드(Node)와 엣지(Edge)를 사용한 방향 그래프(Directed Graph)로 표현합니다.

노드는 수학적 계산, 데이터 입/출력, 그리고 데이터의 읽기/저장 등의 작업을 수행합니다. 엣지는 노드들 간 데이터의 입출력 관계를 나타냅니다.

엣지는 동적 사이즈의 다차원 데이터 배열(=텐서)을 실어나르는데, 여기에서 텐서플로우라는 이름이 지어졌습니다.

텐서(Tensor)는 과학과 공학 등 다양한 분야에서 이전부터 쓰이던 개념입니다. 수학에서는 임의의 기하 구조를 좌표 독립적으로 표현하기 위한 표기법으로 알려져 있지만, 분야마다 조금씩 다른 의미로 사용됩니다. 여기에서는 학습 데이터가 저장되는 다차원 배열 정도로 이해하시면 되겠습니다.

특징

텐서플로우는 다음과 같은 특징을 가집니다:

• 데이터 플로우 그래프를 통한 풍부한 표현력
• 코드 수정 없이 CPU/GPU 모드로 동작
• 아이디어 테스트에서 서비스 단계까지 이용 가능
• 계산 구조와 목표 함수만 정의하면 자동으로 미분 계산을 처리
• Python/C++를 지원하며, SWIG를 통해 다양한 언어 지원 가능

이후의 설명은 Python을 중심으로 진행하겠습니다. (pip를 통한 Python3설치는 개발 중으로, Python2 기반으로 하겠습니다.)

“구글이 텐서플로우를 오픈소스로 한 것은, 기계 학습이 앞으로 제품과 기술을 혁신하는데 가장 필수적인 요소라고 믿기 때문입니다.” - Google Brain Team

설치

텐서플로우는 설치가 비교적 쉬운 편입니다만, 다음과 같은 제약이 있습니다:

• Unix계열 OS(Linux/Mac OSX)만 지원합니다.
• GPU 버전은 Linux만 지원합니다.

Linux / Mac OSX

Unix 계열 OS를 사용하시는 분들은 공식 페이지의 설치 문서를 참고하시면 쉽게 설치할 수 있습니다.

윈도우

윈도우 사용자 분들은 가상 머신을 이용하거나, 도커 툴박스 설치 후 진행하시기 바랍니다.

이미지를 받고 컨테이너 실행

텐서플로우의 도커 이미지는 소스코드, 예제, 툴도 포함되어 있기에 풀 버전을 받는 것을 권합니다.

Linux / Mac OSX

Unix 계열 OS에서는 아래의 명령을 실행하면 이미지를 받고 컨테이너가 실행됩니다. 컨테이너 실행 후 자동으로 컨테이너 안의 쉘 환경으로 들어가게 됩니다.

docker run -it b.gcr.io/tensorflow/tensorflow-full

컨테이너 안의 /tensorflow 폴더에 소스가 설치되어 있습니다. (주의: 이 폴더에서 모듈을 import 하시면 에러가 발생합니다. )

윈도우

윈도우의 경우 Docker QuickStart Terminal 실행 후(이때 고래 그림 아래의 IP를 기억해 둡니다) 아래와 같이 실행하시기 바랍니다.

winpty docker run -it -p 8888:8888 b.gcr.io/tensorflow/tensorflow-full

이미지를 받은 후 컨테이너가 실행되면, Jupyter 노트북 서버가 자동으로 시작된 상태입니다. 웹브라우저에서 ‘위의IP:8888’을 입력하면 Jupyter Notebook 환경에 접속됩니다. 여기에서 tensorflow를 사용하실 수 있습니다.

동작 확인

설치가 잘 되었는지 다음의 코드로 확인해봅니다.

$ python

>>> import tensorflow as tf
>>> hello = tf.constant('Hello, TensorFlow!')
>>> sess = tf.Session()
>>> print sess.run(hello)
Hello, TensorFlow!
>>> a = tf.constant(10)
>>> b = tf.constant(32)
>>> print sess.run(a+b)
42
>>>

기본 개념 익히기

일단 기본 용어부터 살펴보겠습니다.

용어

오퍼레이션(Operation)

그래프 상의 노드는 오퍼레이션(줄임말 op)으로 불립니다. 오퍼레이션은 하나 이상의 텐서를 받을 수 있습니다. 오퍼레이션은 계산을 수행하고, 결과를 하나 이상의 텐서로 반환할 수 있습니다.

텐서(Tensor)

내부적으로 모든 데이터는 텐서를 통해 표현됩니다. 텐서는 일종의 다차원 배열인데, 그래프 내의 오퍼레이션 간에는 텐서만이 전달됩니다. (Caffe의 Blob과 유사합니다.)

세션(Session)

그래프를 실행하기 위해서는 세션 객체가 필요합니다. 세션은 오퍼레이션의 실행 환경을 캡슐화한 것입니다.

변수(Variables)

변수는 그래프의 실행시, 패러미터를 저장하고 갱신하는데 사용됩니다. 메모리 상에서 텐서를 저장하는 버퍼 역할을 합니다.

예제

간단한 예제를 통해 기본 개념을 확인하겠습니다.

import tensorflow as tf

# 변수를 0으로 초기화
state = tf.Variable(0, name="counter")

# state에 1을 더할 오퍼레이션 생성
one = tf.constant(1)
new_value = tf.add(state, one)
update = tf.assign(state, new_value)

# 그래프는 처음에 변수를 초기화해야 합니다. 아래 함수를 통해 init 오퍼레이션을 만듭니다.   
init_op = tf.initialize_all_variables()

# 그래프를 띄우고 오퍼레이션들을 실행
with tf.Session() as sess:
  # 초기화 오퍼레이션 실행
  sess.run(init_op)
  # state의 초기 값을 출력
  print(sess.run(state))
  # state를 갱신하는 오퍼레이션을 실행하고, state를 출력
  for _ in range(3):
    sess.run(update)
    print(sess.run(state))

결과

0
1
2
3

문제 풀이

이제 본격적으로 텐서플로우를 사용해 보겠습니다.

경사 하강법(Gradient Descent)으로 인자 찾아내기

아래의 예제는 가중치 행렬W와 바이어스b를 경사하강법을 통해서 찾아내는 것을 보여줍니다. 목표값은 간단한 식으로 산출되도록 합니다.

import tensorflow as tf
import numpy as np

# Numpy 랜덤으로 100개의 가짜 데이터 채우기. (float64 -> float32로 변환)
x_data = np.float32(np.random.rand(2, 100))
# 학습 레이블(목표값)은 아래의 식으로 산출. (W = [0.1, 0.2], b = 0.3)
y_data = np.dot([0.100, 0.200], x_data) + 0.300

입력 데이터와 W, b를 사용해 선형 모델을 정의합니다.

# b는 0,
b = tf.Variable(tf.zeros([1]))
# W는 1x2 형태의 웨이트 변수 (균등 랜덤값으로 초기화)
W = tf.Variable(tf.random_uniform([1, 2], -1.0, 1.0))
y = tf.matmul(W, x_data) + b

이제 손실과 학습 함수를 정의 합니다. 평균 제곱 오차가 최소화 되는 지점을 경사하강법으로 구하게 됩니다.

# 손실 함수 정의
loss = tf.reduce_mean(tf.square(y - y_data))
# 경사하강법으로 손실 함수를 최소화 (0.5는 학습 비율)
optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.5)
# 학습 오퍼레이션 정의
train = optimizer.minimize(loss)

학습 세션을 시작합니다.

# 모든 변수를 초기화.
init = tf.initialize_all_variables()

# 세션 시작
sess = tf.Session()
sess.run(init)

# 200번 학습.
for step in xrange(0, 201):
    sess.run(train)
    if step % 20 == 0:
        print step, sess.run(W), sess.run(b)

결과는 다음과 같습니다.

0 [[ 0.8228116   0.25179306]] [-0.21591029]
20 [[ 0.31065419  0.22789511]] [ 0.17903577]
40 [[ 0.15808699  0.20829338]] [ 0.26633102]
60 [[ 0.11601268  0.20247138]] [ 0.29062203]
80 [[ 0.10441278  0.20073807]] [ 0.2973859]
100 [[ 0.10121564  0.20022091]] [ 0.29927069]
120 [[ 0.10033476  0.20006624]] [ 0.29979634]
140 [[ 0.10009213  0.20001991]] [ 0.29994306]
160 [[ 0.10002533  0.20000601]] [ 0.29998407]
180 [[ 0.10000696  0.20000178]] [ 0.29999554]
200 [[ 0.10000192  0.20000054]] [ 0.29999873]    

처음에 설정한 W와 b를 훌륭히 찾아냈습니다. 어떠신가요? 개인적인 느낌은 코드가 깔끔한 것 같습니다. 텐서플로우는 기존에 나와있는 딥러닝 프레임워크에 비해 단순하면서도 표현력이 풍부합니다.

텐서플로에 대해 좀 더 자세히 살펴보기 위해 MNIST 예제를 보겠습니다. (자세한 설명은 MNIST 예제 페이지를 참고하세요.)

MNIST

MNIST는 아래와 같이 손으로 쓴 숫자의 이미지 데이터베이스입니다. 이 데이터를 학습하여 분류기를 만드는 예제입니다.

먼저 필요한 데이터를 받아주는 input_data모듈을 설치합니다.

$ wget https://gist.githubusercontent.com/haje01/14b0e5d8bd5428df781e/raw/5b6d04c55f30191a0e32d0ae627716413c808c1c/input_data.py

Python을 실행하고 아래와 같이 데이터를 가져옵니다.

# MNIST 데이터 가져옴
import input_data
mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data/", one_hot=True)

MNIST의 레이블은 0~9의 값이지만, 이것은 연속된 숫자가 아닌 카테고리 값입니다. 따라서 One-Hot Encoding이 필요합니다. 5는 [0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0], 0은 [1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0] 식으로 됩니다.

MNIST에는 55,000개의 학습용 이미지 + 10,000개의 테스트 이미지 + 5,000개의 검증 이미지가 있습니다. 각 이미지는 28x28 크기를 가집니다. 이것을 펼치면 784 차원의 벡터가 됩니다.

read_data_sets에서 반환되는 값은 mnist.train.image 타입의 [55000, 784] 크기의 텐서입니다.

펼쳐지면서 2D 이미지의 구조적 정보는 사라지지만, 우리가 사용할 간단한 메소드(=Softmax)에서는 문제가 되지 않습니다.

import tensorflow as tf

# 이미지 데이터 플레이스홀더
x = tf.placeholder("float", [None, 784])

x는 2D 텐서를 위한 플레이스 홀더(Placeholder)인데, 이곳에 데이터가 채워지게 됩니다. None은 행의 수가 한정되지 않는다는 뜻입니다.

가중치와 바이어스 변수는 기본값 0으로 채웁니다. 이 변수들에 학습의 결과가 저장됩니다. W는 [784, 10]의 행태를 가지는데, 이것은 784차원의 이미지 벡터를 곱해, 10차원(인코딩된 0~9)의 결과를 내기 위한 것입니다. b는 결과에 더하기 위해 10차원이 됩니다.

# 웨이트와 바이어스 변수
W = tf.Variable(tf.zeros([784,10]))
b = tf.Variable(tf.zeros([10]))

모델은 한 줄로 간단히 정의됩니다. 액티베이션 함수는 소프트맥스(Softmax)를 사용합니다. x와 W의 위치가 바뀐 것은 x를 확장 가능한 입력을 가지는 2D텐서로 하기 위해서입니다. (행렬 곱의 순서가 바뀐 부분이 걸리는데, 이 상태로 학습이 진행되어 도출될 행렬이기에 문제가 없다고 생각됩니다.)

# 모델 구현
y = tf.nn.softmax(tf.matmul(x,W) + b)

# 정답 레이블용 플레이스 홀더
y_ = tf.placeholder("float", [None,10])

y_에 학습용 정답이 채워집니다. 손실 함수는 정보 이론의 크로스 엔트로피(Cross-Entropy) 방식으로 정의합니다.

# Loss 함수
cross_entropy = -tf.reduce_sum(y_*tf.log(y))

이 함수는 하나의 예측에 대한 것이 아니라 한 배치(Batch)내 모든 예측의 로스를 더한 것입니다.

이제 텐서플로우는 우리 모델이 어떤 동작을 해야하는지 알기에, 역전파 방법(Backpropagation)을 통해 변수를 결정할 수 있습니다. 경사하강법에 0.01의 학습률로 최적화기(Optimizer)를 만들고, 그것을 통해 손실을 최소화하도록 학습 오퍼레이션을 정의합니다.

# 학습 오퍼레이션
train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.01).minimize(cross_entropy)

세션 시작 전에 변수를 초기화 하고,

# 모든 변수 초기화
init = tf.initialize_all_variables()

sess = tf.Session()
sess.run(init)

스텝 당 100개 단위로 샘플링하여 1000번 진행합니다.

# 임의로 100개 샘플링
for i in range(1000):
  batch_xs, batch_ys = mnist.train.next_batch(100)
  sess.run(train_step, feed_dict={x: batch_xs, y_: batch_ys})

샘플링된 데이터는 feed_dict 인자를 참고해서 플레이스 홀더에 공급됩니다. 이렇게 랜덤한 작은 배치로 학습 하는 것을 스토캐스틱 학습(Stochastic Training)이라고 합니다. 비용이 싸고 결과는 비슷합니다.

이제 계산된 레이블들 중 가장 점수가 높은 것을 선택합니다. 아래에 나오는 tf.argmax함수는 텐서 내의 지정된 축에서 가장 높은 값의 인덱스를 반환합니다.

tf.equal에서는 예측 값과 정답이 같으면 True 아니면 False 값이 반환되는데, 이것을 float형으로 바꾸고 평균을 계산해 정확도를 구합니다. 정확도는 학습 데이터가 아닌 테스트 데이터를 사용해야합니다.

# 정답율
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(y,1), tf.argmax(y_,1))
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, "float"))

print sess.run(accuracy, feed_dict={x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels})

출력

0.9155

돌려보면 91% 정도의 정확도가 나옵니다. 좀 더 개선이 필요하겠지만, 이렇게 짧은 코드로 MNIST 학습을 구현한 것은 놀랍습니다.

마무리

Tensor Board

텐서플로우를 사용해서 딥뉴럴 넷 같은 복잡한 계산을 할 때는 학습 과정이 복잡하고 이해하기 힘들 때가 있습니다. 이럴 때는 텐서 보드를 사용하면 복잡한 학습 과정을 시각화하여 볼 수 있습니다.