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Panoramica
Questo notebook dimostrerà come utilizzare il livello di normalizzazione del peso e come può migliorare la convergenza.
Normalizzazione del peso
Una semplice riparametrizzazione per accelerare l'addestramento delle reti neurali profonde:
Tim Salimans, Diederik P. Kingma (2016)
Riparametrizzando i pesi in questo modo si migliora il condizionamento del problema di ottimizzazione e si accelera la convergenza della discesa del gradiente stocastico. La nostra riparametrizzazione si ispira alla normalizzazione batch ma non introduce alcuna dipendenza tra gli esempi in un minibatch. Ciò significa che il nostro metodo può essere applicato con successo anche a modelli ricorrenti come gli LSTM e ad applicazioni sensibili al rumore come l'apprendimento per rinforzo profondo oi modelli generativi, per i quali la normalizzazione batch è meno adatta. Sebbene il nostro metodo sia molto più semplice, fornisce comunque gran parte dell'accelerazione della normalizzazione batch completa. Inoltre, l'overhead computazionale del nostro metodo è inferiore, consentendo di eseguire più passaggi di ottimizzazione nello stesso lasso di tempo.
Impostare
pip install -q -U tensorflow-addons
import tensorflow as tf
import tensorflow_addons as tfa
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
# Hyper Parameters
batch_size = 32
epochs = 10
num_classes=10
Costruisci modelli
# Standard ConvNet
reg_model = tf.keras.Sequential([
tf.keras.layers.Conv2D(6, 5, activation='relu'),
tf.keras.layers.MaxPooling2D(2, 2),
tf.keras.layers.Conv2D(16, 5, activation='relu'),
tf.keras.layers.MaxPooling2D(2, 2),
tf.keras.layers.Flatten(),
tf.keras.layers.Dense(120, activation='relu'),
tf.keras.layers.Dense(84, activation='relu'),
tf.keras.layers.Dense(num_classes, activation='softmax'),
])
# WeightNorm ConvNet
wn_model = tf.keras.Sequential([
tfa.layers.WeightNormalization(tf.keras.layers.Conv2D(6, 5, activation='relu')),
tf.keras.layers.MaxPooling2D(2, 2),
tfa.layers.WeightNormalization(tf.keras.layers.Conv2D(16, 5, activation='relu')),
tf.keras.layers.MaxPooling2D(2, 2),
tf.keras.layers.Flatten(),
tfa.layers.WeightNormalization(tf.keras.layers.Dense(120, activation='relu')),
tfa.layers.WeightNormalization(tf.keras.layers.Dense(84, activation='relu')),
tfa.layers.WeightNormalization(tf.keras.layers.Dense(num_classes, activation='softmax')),
])
Caricare dati
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = tf.keras.datasets.cifar10.load_data()
# Convert class vectors to binary class matrices.
y_train = tf.keras.utils.to_categorical(y_train, num_classes)
y_test = tf.keras.utils.to_categorical(y_test, num_classes)
x_train = x_train.astype('float32')
x_test = x_test.astype('float32')
x_train /= 255
x_test /= 255
Downloading data from https://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar-10-python.tar.gz 170500096/170498071 [==============================] - 11s 0us/step
Modelli di treno
reg_model.compile(optimizer='adam',
loss='categorical_crossentropy',
metrics=['accuracy'])
reg_history = reg_model.fit(x_train, y_train,
batch_size=batch_size,
epochs=epochs,
validation_data=(x_test, y_test),
shuffle=True)
Epoch 1/10 1563/1563 [==============================] - 9s 4ms/step - loss: 1.8336 - accuracy: 0.3253 - val_loss: 1.4039 - val_accuracy: 0.4957 Epoch 2/10 1563/1563 [==============================] - 5s 3ms/step - loss: 1.3773 - accuracy: 0.5039 - val_loss: 1.3419 - val_accuracy: 0.5309 Epoch 3/10 1563/1563 [==============================] - 5s 3ms/step - loss: 1.2510 - accuracy: 0.5497 - val_loss: 1.2108 - val_accuracy: 0.5710 Epoch 4/10 1563/1563 [==============================] - 5s 3ms/step - loss: 1.1606 - accuracy: 0.5858 - val_loss: 1.2134 - val_accuracy: 0.5687 Epoch 5/10 1563/1563 [==============================] - 5s 3ms/step - loss: 1.0971 - accuracy: 0.6100 - val_loss: 1.1534 - val_accuracy: 0.5880 Epoch 6/10 1563/1563 [==============================] - 5s 3ms/step - loss: 1.0420 - accuracy: 0.6296 - val_loss: 1.1944 - val_accuracy: 0.5865 Epoch 7/10 1563/1563 [==============================] - 5s 3ms/step - loss: 1.0014 - accuracy: 0.6445 - val_loss: 1.1386 - val_accuracy: 0.6012 Epoch 8/10 1563/1563 [==============================] - 5s 3ms/step - loss: 0.9550 - accuracy: 0.6623 - val_loss: 1.1659 - val_accuracy: 0.6020 Epoch 9/10 1563/1563 [==============================] - 5s 3ms/step - loss: 0.9196 - accuracy: 0.6737 - val_loss: 1.1539 - val_accuracy: 0.6027 Epoch 10/10 1563/1563 [==============================] - 5s 3ms/step - loss: 0.8768 - accuracy: 0.6889 - val_loss: 1.1509 - val_accuracy: 0.6029
wn_model.compile(optimizer='adam',
loss='categorical_crossentropy',
metrics=['accuracy'])
wn_history = wn_model.fit(x_train, y_train,
batch_size=batch_size,
epochs=epochs,
validation_data=(x_test, y_test),
shuffle=True)
Epoch 1/10 1563/1563 [==============================] - 14s 8ms/step - loss: 1.8195 - accuracy: 0.3319 - val_loss: 1.4563 - val_accuracy: 0.4721 Epoch 2/10 1563/1563 [==============================] - 10s 7ms/step - loss: 1.4049 - accuracy: 0.4937 - val_loss: 1.3051 - val_accuracy: 0.5301 Epoch 3/10 1563/1563 [==============================] - 10s 6ms/step - loss: 1.2669 - accuracy: 0.5461 - val_loss: 1.2858 - val_accuracy: 0.5425 Epoch 4/10 1563/1563 [==============================] - 10s 6ms/step - loss: 1.1622 - accuracy: 0.5868 - val_loss: 1.2278 - val_accuracy: 0.5587 Epoch 5/10 1563/1563 [==============================] - 10s 6ms/step - loss: 1.0782 - accuracy: 0.6175 - val_loss: 1.1755 - val_accuracy: 0.5825 Epoch 6/10 1563/1563 [==============================] - 10s 6ms/step - loss: 1.0280 - accuracy: 0.6383 - val_loss: 1.1772 - val_accuracy: 0.5827 Epoch 7/10 1563/1563 [==============================] - 10s 6ms/step - loss: 0.9705 - accuracy: 0.6527 - val_loss: 1.1542 - val_accuracy: 0.5895 Epoch 8/10 1563/1563 [==============================] - 10s 6ms/step - loss: 0.9291 - accuracy: 0.6695 - val_loss: 1.1680 - val_accuracy: 0.5924 Epoch 9/10 1563/1563 [==============================] - 10s 6ms/step - loss: 0.8837 - accuracy: 0.6884 - val_loss: 1.1302 - val_accuracy: 0.6039 Epoch 10/10 1563/1563 [==============================] - 10s 6ms/step - loss: 0.8437 - accuracy: 0.7029 - val_loss: 1.1593 - val_accuracy: 0.6018
reg_accuracy = reg_history.history['accuracy']
wn_accuracy = wn_history.history['accuracy']
plt.plot(np.linspace(0, epochs, epochs), reg_accuracy,
color='red', label='Regular ConvNet')
plt.plot(np.linspace(0, epochs, epochs), wn_accuracy,
color='blue', label='WeightNorm ConvNet')
plt.title('WeightNorm Accuracy Comparison')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.show()
