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Dans les applications d'IA critiques pour la sécurité (par exemple, la prise de décision médicale et la conduite autonome) ou lorsque les données sont intrinsèquement bruyantes (par exemple, la compréhension du langage naturel), il est important qu'un classificateur profond quantifie de manière fiable son incertitude. Le classificateur profond doit être capable d'être conscient de ses propres limites et du moment où il doit céder le contrôle aux experts humains. Ce didacticiel montre comment améliorer la capacité d'un classificateur profond à quantifier l'incertitude à l'aide d'une technique appelée processus gaussien neuronal normalisé par spectre ( SNGP ) .
L'idée centrale de SNGP est d'améliorer la connaissance de la distance d'un classificateur profond en appliquant de simples modifications au réseau. La conscience de la distance d'un modèle est une mesure de la façon dont sa probabilité prédictive reflète la distance entre l'exemple de test et les données d'apprentissage. Il s'agit d'une propriété souhaitable qui est commune aux modèles probabilistes de référence (par exemple, le processus gaussien avec des noyaux RBF) mais qui fait défaut dans les modèles avec des réseaux de neurones profonds. SNGP fournit un moyen simple d'injecter ce comportement de processus gaussien dans un classificateur profond tout en conservant sa précision prédictive.
Ce didacticiel implémente un modèle SNGP basé sur un réseau résiduel profond (ResNet) sur l'ensemble de données des deux lunes et compare sa surface d'incertitude avec celle de deux autres approches d'incertitude populaires - l' abandon de Monte Carlo et l' ensemble profond ).
Ce tutoriel illustre le modèle SNGP sur un jeu de données 2D jouet. Pour un exemple d'application de SNGP à une tâche de compréhension du langage naturel dans le monde réel à l'aide de la base BERT, veuillez consulter le didacticiel SNGP-BERT . Pour des implémentations de haute qualité du modèle SNGP (et de nombreuses autres méthodes d'incertitude) sur une grande variété d'ensembles de données de référence (par exemple, CIFAR-100 , ImageNet , détection de toxicité Jigsaw , etc.), veuillez consulter la référence des lignes de base d'incertitude .
À propos du SNGP
Le processus gaussien neuronal normalisé spectralement (SNGP) est une approche simple pour améliorer la qualité d'incertitude d'un classificateur profond tout en maintenant un niveau similaire de précision et de latence. Étant donné un réseau résiduel profond, SNGP apporte deux modifications simples au modèle :
- Il applique une normalisation spectrale aux couches résiduelles cachées.
- Il remplace la couche de sortie dense par une couche de processus gaussienne.
Par rapport à d'autres approches d'incertitude (par exemple, abandon de Monte Carlo ou ensemble profond), SNGP présente plusieurs avantages :
- Il fonctionne pour un large éventail d'architectures résiduelles de pointe (par exemple, (Wide) ResNet, DenseNet, BERT, etc.).
- Il s'agit d'une méthode à modèle unique (c'est-à-dire qu'elle ne repose pas sur la moyenne d'ensemble). Par conséquent, SNGP a un niveau de latence similaire à celui d'un réseau déterministe unique et peut être facilement adapté à de grands ensembles de données comme ImageNet et Jigsaw Toxic Comments classification .
- Il a de fortes performances de détection hors domaine en raison de la propriété de sensibilité à la distance .
Les inconvénients de cette méthode sont :
L'incertitude prédictive d'un SNGP est calculée à l'aide de l' approximation de Laplace . Donc théoriquement, l'incertitude a posteriori de SNGP est différente de celle d'un processus gaussien exact.
La formation SNGP nécessite une étape de réinitialisation de la covariance au début d'une nouvelle époque. Cela peut ajouter une petite quantité de complexité supplémentaire à un pipeline de formation. Ce didacticiel montre un moyen simple d'implémenter cela à l'aide des rappels Keras.
Installer
pip install --use-deprecated=legacy-resolver tf-models-official
# refresh pkg_resources so it takes the changes into account.
import pkg_resources
import importlib
importlib.reload(pkg_resources)
<module 'pkg_resources' from '/tmpfs/src/tf_docs_env/lib/python3.7/site-packages/pkg_resources/__init__.py'>
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.colors as colors
import sklearn.datasets
import numpy as np
import tensorflow as tf
import official.nlp.modeling.layers as nlp_layers
Définir les macros de visualisation
plt.rcParams['figure.dpi'] = 140
DEFAULT_X_RANGE = (-3.5, 3.5)
DEFAULT_Y_RANGE = (-2.5, 2.5)
DEFAULT_CMAP = colors.ListedColormap(["#377eb8", "#ff7f00"])
DEFAULT_NORM = colors.Normalize(vmin=0, vmax=1,)
DEFAULT_N_GRID = 100
Le jeu de données des deux lunes
Créez les ensembles de données d'entraînement et d'évaluation à partir de l'ensemble de données des deux lunes .
def make_training_data(sample_size=500):
"""Create two moon training dataset."""
train_examples, train_labels = sklearn.datasets.make_moons(
n_samples=2 * sample_size, noise=0.1)
# Adjust data position slightly.
train_examples[train_labels == 0] += [-0.1, 0.2]
train_examples[train_labels == 1] += [0.1, -0.2]
return train_examples, train_labels
Évaluez le comportement prédictif du modèle sur l'ensemble de l'espace d'entrée 2D.
def make_testing_data(x_range=DEFAULT_X_RANGE, y_range=DEFAULT_Y_RANGE, n_grid=DEFAULT_N_GRID):
"""Create a mesh grid in 2D space."""
# testing data (mesh grid over data space)
x = np.linspace(x_range[0], x_range[1], n_grid)
y = np.linspace(y_range[0], y_range[1], n_grid)
xv, yv = np.meshgrid(x, y)
return np.stack([xv.flatten(), yv.flatten()], axis=-1)
Pour évaluer l'incertitude du modèle, ajoutez un ensemble de données hors domaine (OOD) qui appartient à une troisième classe. Le modèle ne voit jamais ces exemples OOD pendant la formation.
def make_ood_data(sample_size=500, means=(2.5, -1.75), vars=(0.01, 0.01)):
return np.random.multivariate_normal(
means, cov=np.diag(vars), size=sample_size)
# Load the train, test and OOD datasets.
train_examples, train_labels = make_training_data(
sample_size=500)
test_examples = make_testing_data()
ood_examples = make_ood_data(sample_size=500)
# Visualize
pos_examples = train_examples[train_labels == 0]
neg_examples = train_examples[train_labels == 1]
plt.figure(figsize=(7, 5.5))
plt.scatter(pos_examples[:, 0], pos_examples[:, 1], c="#377eb8", alpha=0.5)
plt.scatter(neg_examples[:, 0], neg_examples[:, 1], c="#ff7f00", alpha=0.5)
plt.scatter(ood_examples[:, 0], ood_examples[:, 1], c="red", alpha=0.1)
plt.legend(["Postive", "Negative", "Out-of-Domain"])
plt.ylim(DEFAULT_Y_RANGE)
plt.xlim(DEFAULT_X_RANGE)
plt.show()
Ici, le bleu et l'orange représentent les classes positives et négatives, et le rouge représente les données OOD. Un modèle qui quantifie bien l'incertitude devrait être confiant lorsqu'il est proche des données d'apprentissage (c'est-à-dire, \(p(x_{test})\) proche de 0 ou 1), et être incertain lorsqu'il est éloigné des régions de données d'apprentissage (c'est-à-dire, \(p(x_{test})\) proche de 0,5 ).
Le modèle déterministe
Définir le modèle
Partez du modèle déterministe (de base) : un réseau résiduel multicouche (ResNet) avec régularisation du décrochage.
class DeepResNet(tf.keras.Model):
"""Defines a multi-layer residual network."""
def __init__(self, num_classes, num_layers=3, num_hidden=128,
dropout_rate=0.1, **classifier_kwargs):
super().__init__()
# Defines class meta data.
self.num_hidden = num_hidden
self.num_layers = num_layers
self.dropout_rate = dropout_rate
self.classifier_kwargs = classifier_kwargs
# Defines the hidden layers.
self.input_layer = tf.keras.layers.Dense(self.num_hidden, trainable=False)
self.dense_layers = [self.make_dense_layer() for _ in range(num_layers)]
# Defines the output layer.
self.classifier = self.make_output_layer(num_classes)
def call(self, inputs):
# Projects the 2d input data to high dimension.
hidden = self.input_layer(inputs)
# Computes the resnet hidden representations.
for i in range(self.num_layers):
resid = self.dense_layers[i](hidden)
resid = tf.keras.layers.Dropout(self.dropout_rate)(resid)
hidden += resid
return self.classifier(hidden)
def make_dense_layer(self):
"""Uses the Dense layer as the hidden layer."""
return tf.keras.layers.Dense(self.num_hidden, activation="relu")
def make_output_layer(self, num_classes):
"""Uses the Dense layer as the output layer."""
return tf.keras.layers.Dense(
num_classes, **self.classifier_kwargs)
Ce didacticiel utilise un ResNet à 6 couches avec 128 unités cachées.
resnet_config = dict(num_classes=2, num_layers=6, num_hidden=128)
resnet_model = DeepResNet(**resnet_config)
resnet_model.build((None, 2))
resnet_model.summary()
Model: "deep_res_net"
_________________________________________________________________
Layer (type) Output Shape Param #
=================================================================
dense (Dense) multiple 384
dense_1 (Dense) multiple 16512
dense_2 (Dense) multiple 16512
dense_3 (Dense) multiple 16512
dense_4 (Dense) multiple 16512
dense_5 (Dense) multiple 16512
dense_6 (Dense) multiple 16512
dense_7 (Dense) multiple 258
=================================================================
Total params: 99,714
Trainable params: 99,330
Non-trainable params: 384
_________________________________________________________________
Modèle de train
Configurez les paramètres de formation pour utiliser SparseCategoricalCrossentropy comme fonction de perte et l'optimiseur Adam.
loss = tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True)
metrics = tf.keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy(),
optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=1e-4)
train_config = dict(loss=loss, metrics=metrics, optimizer=optimizer)
Entraînez le modèle pour 100 époques avec une taille de lot de 128.
fit_config = dict(batch_size=128, epochs=100)
resnet_model.compile(**train_config)
resnet_model.fit(train_examples, train_labels, **fit_config)
Epoch 1/100 8/8 [==============================] - 1s 4ms/step - loss: 1.1251 - sparse_categorical_accuracy: 0.5050 Epoch 2/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.5538 - sparse_categorical_accuracy: 0.6920 Epoch 3/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.2881 - sparse_categorical_accuracy: 0.9160 Epoch 4/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1923 - sparse_categorical_accuracy: 0.9370 Epoch 5/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1550 - sparse_categorical_accuracy: 0.9420 Epoch 6/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1403 - sparse_categorical_accuracy: 0.9450 Epoch 7/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1269 - sparse_categorical_accuracy: 0.9430 Epoch 8/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1208 - sparse_categorical_accuracy: 0.9460 Epoch 9/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1158 - sparse_categorical_accuracy: 0.9510 Epoch 10/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1103 - sparse_categorical_accuracy: 0.9490 Epoch 11/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1051 - sparse_categorical_accuracy: 0.9510 Epoch 12/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1053 - sparse_categorical_accuracy: 0.9510 Epoch 13/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.1013 - sparse_categorical_accuracy: 0.9450 Epoch 14/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0967 - sparse_categorical_accuracy: 0.9500 Epoch 15/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0991 - sparse_categorical_accuracy: 0.9530 Epoch 16/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0984 - sparse_categorical_accuracy: 0.9500 Epoch 17/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0982 - sparse_categorical_accuracy: 0.9480 Epoch 18/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0918 - sparse_categorical_accuracy: 0.9510 Epoch 19/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0903 - sparse_categorical_accuracy: 0.9500 Epoch 20/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0883 - sparse_categorical_accuracy: 0.9510 Epoch 21/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0870 - sparse_categorical_accuracy: 0.9530 Epoch 22/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0884 - sparse_categorical_accuracy: 0.9560 Epoch 23/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0850 - sparse_categorical_accuracy: 0.9540 Epoch 24/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0808 - sparse_categorical_accuracy: 0.9580 Epoch 25/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0773 - sparse_categorical_accuracy: 0.9560 Epoch 26/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0801 - sparse_categorical_accuracy: 0.9590 Epoch 27/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0779 - sparse_categorical_accuracy: 0.9580 Epoch 28/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0807 - sparse_categorical_accuracy: 0.9580 Epoch 29/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0820 - sparse_categorical_accuracy: 0.9570 Epoch 30/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0730 - sparse_categorical_accuracy: 0.9600 Epoch 31/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0782 - sparse_categorical_accuracy: 0.9590 Epoch 32/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0704 - sparse_categorical_accuracy: 0.9600 Epoch 33/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0709 - sparse_categorical_accuracy: 0.9610 Epoch 34/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0758 - sparse_categorical_accuracy: 0.9580 Epoch 35/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0702 - sparse_categorical_accuracy: 0.9610 Epoch 36/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0688 - sparse_categorical_accuracy: 0.9600 Epoch 37/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0675 - sparse_categorical_accuracy: 0.9630 Epoch 38/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0636 - sparse_categorical_accuracy: 0.9690 Epoch 39/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0677 - sparse_categorical_accuracy: 0.9610 Epoch 40/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0702 - sparse_categorical_accuracy: 0.9650 Epoch 41/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0614 - sparse_categorical_accuracy: 0.9690 Epoch 42/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0663 - sparse_categorical_accuracy: 0.9680 Epoch 43/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0626 - sparse_categorical_accuracy: 0.9740 Epoch 44/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0590 - sparse_categorical_accuracy: 0.9760 Epoch 45/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0573 - sparse_categorical_accuracy: 0.9780 Epoch 46/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0568 - sparse_categorical_accuracy: 0.9770 Epoch 47/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0595 - sparse_categorical_accuracy: 0.9780 Epoch 48/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0482 - sparse_categorical_accuracy: 0.9840 Epoch 49/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0515 - sparse_categorical_accuracy: 0.9820 Epoch 50/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0525 - sparse_categorical_accuracy: 0.9830 Epoch 51/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0507 - sparse_categorical_accuracy: 0.9790 Epoch 52/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0433 - sparse_categorical_accuracy: 0.9850 Epoch 53/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0511 - sparse_categorical_accuracy: 0.9820 Epoch 54/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0501 - sparse_categorical_accuracy: 0.9820 Epoch 55/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0440 - sparse_categorical_accuracy: 0.9890 Epoch 56/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0438 - sparse_categorical_accuracy: 0.9850 Epoch 57/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0438 - sparse_categorical_accuracy: 0.9880 Epoch 58/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0416 - sparse_categorical_accuracy: 0.9860 Epoch 59/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0479 - sparse_categorical_accuracy: 0.9860 Epoch 60/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0434 - sparse_categorical_accuracy: 0.9860 Epoch 61/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0414 - sparse_categorical_accuracy: 0.9880 Epoch 62/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0402 - sparse_categorical_accuracy: 0.9870 Epoch 63/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0376 - sparse_categorical_accuracy: 0.9890 Epoch 64/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0337 - sparse_categorical_accuracy: 0.9900 Epoch 65/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0309 - sparse_categorical_accuracy: 0.9910 Epoch 66/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0336 - sparse_categorical_accuracy: 0.9910 Epoch 67/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0389 - sparse_categorical_accuracy: 0.9870 Epoch 68/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0333 - sparse_categorical_accuracy: 0.9920 Epoch 69/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0331 - sparse_categorical_accuracy: 0.9890 Epoch 70/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0346 - sparse_categorical_accuracy: 0.9900 Epoch 71/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0367 - sparse_categorical_accuracy: 0.9880 Epoch 72/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0283 - sparse_categorical_accuracy: 0.9920 Epoch 73/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0315 - sparse_categorical_accuracy: 0.9930 Epoch 74/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0271 - sparse_categorical_accuracy: 0.9900 Epoch 75/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0257 - sparse_categorical_accuracy: 0.9920 Epoch 76/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0289 - sparse_categorical_accuracy: 0.9900 Epoch 77/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0264 - sparse_categorical_accuracy: 0.9900 Epoch 78/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0272 - sparse_categorical_accuracy: 0.9910 Epoch 79/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0336 - sparse_categorical_accuracy: 0.9880 Epoch 80/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0249 - sparse_categorical_accuracy: 0.9900 Epoch 81/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0216 - sparse_categorical_accuracy: 0.9930 Epoch 82/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0279 - sparse_categorical_accuracy: 0.9890 Epoch 83/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0261 - sparse_categorical_accuracy: 0.9920 Epoch 84/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0235 - sparse_categorical_accuracy: 0.9920 Epoch 85/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0236 - sparse_categorical_accuracy: 0.9930 Epoch 86/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0219 - sparse_categorical_accuracy: 0.9920 Epoch 87/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0196 - sparse_categorical_accuracy: 0.9920 Epoch 88/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0215 - sparse_categorical_accuracy: 0.9900 Epoch 89/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0223 - sparse_categorical_accuracy: 0.9900 Epoch 90/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0200 - sparse_categorical_accuracy: 0.9950 Epoch 91/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0250 - sparse_categorical_accuracy: 0.9900 Epoch 92/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0160 - sparse_categorical_accuracy: 0.9940 Epoch 93/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0203 - sparse_categorical_accuracy: 0.9930 Epoch 94/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0203 - sparse_categorical_accuracy: 0.9930 Epoch 95/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0172 - sparse_categorical_accuracy: 0.9960 Epoch 96/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0209 - sparse_categorical_accuracy: 0.9940 Epoch 97/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0179 - sparse_categorical_accuracy: 0.9920 Epoch 98/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0195 - sparse_categorical_accuracy: 0.9940 Epoch 99/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0165 - sparse_categorical_accuracy: 0.9930 Epoch 100/100 8/8 [==============================] - 0s 3ms/step - loss: 0.0170 - sparse_categorical_accuracy: 0.9950 <keras.callbacks.History at 0x7ff7ac5c8fd0>
Visualisez l'incertitude
def plot_uncertainty_surface(test_uncertainty, ax, cmap=None):
"""Visualizes the 2D uncertainty surface.
For simplicity, assume these objects already exist in the memory:
test_examples: Array of test examples, shape (num_test, 2).
train_labels: Array of train labels, shape (num_train, ).
train_examples: Array of train examples, shape (num_train, 2).
Arguments:
test_uncertainty: Array of uncertainty scores, shape (num_test,).
ax: A matplotlib Axes object that specifies a matplotlib figure.
cmap: A matplotlib colormap object specifying the palette of the
predictive surface.
Returns:
pcm: A matplotlib PathCollection object that contains the palette
information of the uncertainty plot.
"""
# Normalize uncertainty for better visualization.
test_uncertainty = test_uncertainty / np.max(test_uncertainty)
# Set view limits.
ax.set_ylim(DEFAULT_Y_RANGE)
ax.set_xlim(DEFAULT_X_RANGE)
# Plot normalized uncertainty surface.
pcm = ax.imshow(
np.reshape(test_uncertainty, [DEFAULT_N_GRID, DEFAULT_N_GRID]),
cmap=cmap,
origin="lower",
extent=DEFAULT_X_RANGE + DEFAULT_Y_RANGE,
vmin=DEFAULT_NORM.vmin,
vmax=DEFAULT_NORM.vmax,
interpolation='bicubic',
aspect='auto')
# Plot training data.
ax.scatter(train_examples[:, 0], train_examples[:, 1],
c=train_labels, cmap=DEFAULT_CMAP, alpha=0.5)
ax.scatter(ood_examples[:, 0], ood_examples[:, 1], c="red", alpha=0.1)
return pcm
Visualisez maintenant les prédictions du modèle déterministe. Tracez d'abord la probabilité de classe :
\[p(x) = softmax(logit(x))\]
resnet_logits = resnet_model(test_examples)
resnet_probs = tf.nn.softmax(resnet_logits, axis=-1)[:, 0] # Take the probability for class 0.
_, ax = plt.subplots(figsize=(7, 5.5))
pcm = plot_uncertainty_surface(resnet_probs, ax=ax)
plt.colorbar(pcm, ax=ax)
plt.title("Class Probability, Deterministic Model")
plt.show()
Dans ce graphique, le jaune et le violet sont les probabilités prédictives pour les deux classes. Le modèle déterministe a fait du bon travail en classant les deux classes connues (bleu et orange) avec une frontière de décision non linéaire. Cependant, il n'est pas sensible à la distance et a classé avec confiance les exemples rouges hors domaine (OOD) jamais vus dans la classe orange.
Visualisez l'incertitude du modèle en calculant la variance prédictive :
\[var(x) = p(x) * (1 - p(x))\]
resnet_uncertainty = resnet_probs * (1 - resnet_probs)
_, ax = plt.subplots(figsize=(7, 5.5))
pcm = plot_uncertainty_surface(resnet_uncertainty, ax=ax)
plt.colorbar(pcm, ax=ax)
plt.title("Predictive Uncertainty, Deterministic Model")
plt.show()
Dans ce graphique, le jaune indique une incertitude élevée et le violet indique une faible incertitude. L'incertitude d'un ResNet déterministe dépend uniquement de la distance des exemples de test par rapport à la frontière de décision. Cela conduit le modèle à être trop confiant lorsqu'il est hors du domaine d'entraînement. La section suivante montre comment SNGP se comporte différemment sur cet ensemble de données.
Le modèle SNGP
Définir le modèle SNGP
Implémentons maintenant le modèle SNGP. Les deux composants SNGP, SpectralNormalization et RandomFeatureGaussianProcess , sont disponibles dans les couches intégrées du tensorflow_model .
Examinons ces deux composants plus en détail. (Vous pouvez également accéder à la section Le modèle SNGP pour voir comment le modèle complet est implémenté.)
Enveloppe de normalisation spectrale
SpectralNormalization est un wrapper de couche Keras. Il peut être appliqué à un calque Dense existant comme ceci :
dense = tf.keras.layers.Dense(units=10)
dense = nlp_layers.SpectralNormalization(dense, norm_multiplier=0.9)
La normalisation spectrale régularise le poids caché \(W\) en guidant progressivement sa norme spectrale (c'est-à-dire la plus grande valeur propre de \(W\)) vers la valeur cible norm_multiplier .
La couche de processus gaussien (GP)
RandomFeatureGaussianProcess implémente une approximation basée sur des caractéristiques aléatoires d'un modèle de processus gaussien qui peut être formé de bout en bout avec un réseau neuronal profond. Sous le capot, la couche de processus gaussien implémente un réseau à deux couches :
\[logits(x) = \Phi(x) \beta, \quad \Phi(x)=\sqrt{\frac{2}{M} } * cos(Wx + b)\]
Ici, \(x\) est l'entrée, et \(W\) et \(b\) sont des poids figés initialisés aléatoirement à partir de distributions gaussiennes et uniformes, respectivement. (Par conséquent \(\Phi(x)\) sont appelés "éléments aléatoires".) \(\beta\) est le poids du noyau apprenable similaire à celui d'une couche dense.
batch_size = 32
input_dim = 1024
num_classes = 10
gp_layer = nlp_layers.RandomFeatureGaussianProcess(units=num_classes,
num_inducing=1024,
normalize_input=False,
scale_random_features=True,
gp_cov_momentum=-1)
Les principaux paramètres des couches GP sont :
-
units: La dimension des logits de sortie. -
num_inducing: La dimension \(M\) du poids caché \(W\). 1024 par défaut. -
normalize_input: s'il faut appliquer la normalisation de couche à l'entrée \(x\). -
scale_random_features: s'il faut appliquer l'échelle \(\sqrt{2/M}\) à la sortie masquée.
-
gp_cov_momentumcontrôle la façon dont la covariance du modèle est calculée. Si elle est définie sur une valeur positive (par exemple, 0,999), la matrice de covariance est calculée à l'aide de la mise à jour de la moyenne mobile basée sur le moment (similaire à la normalisation par lots). Si défini sur -1, la matrice de covariance est mise à jour sans momentum.
Étant donné une entrée par lots avec shape (batch_size, input_dim) , la couche GP renvoie un tenseur logits (shape (batch_size, num_classes) ) pour la prédiction, ainsi que le tenseur covmat (shape (batch_size, batch_size) ) qui est la matrice de covariance postérieure de la logs de lot.
embedding = tf.random.normal(shape=(batch_size, input_dim))
logits, covmat = gp_layer(embedding)
Théoriquement, il est possible d'étendre l'algorithme pour calculer différentes valeurs de variance pour différentes classes (comme introduit dans l' article original du SNGP ). Cependant, cela est difficile à adapter aux problèmes avec de grands espaces de sortie (par exemple, ImageNet ou la modélisation de langage).
Le modèle SNGP complet
Compte tenu de la classe de base DeepResNet , le modèle SNGP peut être implémenté facilement en modifiant les couches cachées et de sortie du réseau résiduel. Pour la compatibilité avec l'API Keras model.fit() , modifiez également la méthode call() du modèle afin qu'elle ne produise que des logits pendant l'entraînement.
class DeepResNetSNGP(DeepResNet):
def __init__(self, spec_norm_bound=0.9, **kwargs):
self.spec_norm_bound = spec_norm_bound
super().__init__(**kwargs)
def make_dense_layer(self):
"""Applies spectral normalization to the hidden layer."""
dense_layer = super().make_dense_layer()
return nlp_layers.SpectralNormalization(
dense_layer, norm_multiplier=self.spec_norm_bound)
def make_output_layer(self, num_classes):
"""Uses Gaussian process as the output layer."""
return nlp_layers.RandomFeatureGaussianProcess(
num_classes,
gp_cov_momentum=-1,
**self.classifier_kwargs)
def call(self, inputs, training=False, return_covmat=False):
# Gets logits and covariance matrix from GP layer.
logits, covmat = super().call(inputs)
# Returns only logits during training.
if not training and return_covmat:
return logits, covmat
return logits
Utilisez la même architecture que le modèle déterministe.
resnet_config
{'num_classes': 2, 'num_layers': 6, 'num_hidden': 128}
sngp_model = DeepResNetSNGP(**resnet_config)
sngp_model.build((None, 2))
sngp_model.summary()
Model: "deep_res_net_sngp"
_________________________________________________________________
Layer (type) Output Shape Param #
=================================================================
dense_9 (Dense) multiple 384
spectral_normalization_1 (S multiple 16768
pectralNormalization)
spectral_normalization_2 (S multiple 16768
pectralNormalization)
spectral_normalization_3 (S multiple 16768
pectralNormalization)
spectral_normalization_4 (S multiple 16768
pectralNormalization)
spectral_normalization_5 (S multiple 16768
pectralNormalization)
spectral_normalization_6 (S multiple 16768
pectralNormalization)
random_feature_gaussian_pro multiple 1182722
cess (RandomFeatureGaussian
Process)
=================================================================
Total params: 1,283,714
Trainable params: 101,120
Non-trainable params: 1,182,594
_________________________________________________________________
Implémentez un rappel Keras pour réinitialiser la matrice de covariance au début d'une nouvelle époque.
class ResetCovarianceCallback(tf.keras.callbacks.Callback):
def on_epoch_begin(self, epoch, logs=None):
"""Resets covariance matrix at the begining of the epoch."""
if epoch > 0:
self.model.classifier.reset_covariance_matrix()
Ajoutez ce rappel à la classe de modèle DeepResNetSNGP .
class DeepResNetSNGPWithCovReset(DeepResNetSNGP):
def fit(self, *args, **kwargs):
"""Adds ResetCovarianceCallback to model callbacks."""
kwargs["callbacks"] = list(kwargs.get("callbacks", []))
kwargs["callbacks"].append(ResetCovarianceCallback())
return super().fit(*args, **kwargs)
Modèle de train
Utilisez tf.keras.model.fit pour entraîner le modèle.
sngp_model = DeepResNetSNGPWithCovReset(**resnet_config)
sngp_model.compile(**train_config)
sngp_model.fit(train_examples, train_labels, **fit_config)
Epoch 1/100 8/8 [==============================] - 2s 5ms/step - loss: 0.6223 - sparse_categorical_accuracy: 0.9570 Epoch 2/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.5310 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 3/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.4766 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 4/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.4346 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 5/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.4015 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 6/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.3757 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 7/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.3525 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 8/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.3305 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 9/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.3144 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 10/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.2975 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 11/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.2832 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 12/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.2707 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 13/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.2568 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 14/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.2470 - sparse_categorical_accuracy: 0.9970 Epoch 15/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.2361 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 16/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.2271 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 17/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.2182 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 18/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.2097 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 19/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.2018 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 20/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1940 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 21/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1892 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 22/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1821 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 23/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1768 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 24/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1702 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 25/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1664 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 26/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1604 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 27/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1565 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 28/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1517 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 29/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1469 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 30/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1431 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 31/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1385 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 32/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1351 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 33/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.1312 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 34/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1289 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 35/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1254 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 36/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1223 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 37/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1180 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 38/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1167 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 39/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1132 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 40/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1110 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 41/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1075 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 42/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1067 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 43/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1034 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 44/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.1006 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 45/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0991 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 46/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0963 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 47/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0943 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 48/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0925 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 49/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0905 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 50/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0889 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 51/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0863 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 52/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0847 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 53/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0831 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 54/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0818 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 55/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0799 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 56/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0780 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 57/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0768 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 58/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0751 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 59/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0748 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 60/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0723 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 61/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0712 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 62/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0701 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 63/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0701 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 64/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0683 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 65/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0665 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 66/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0661 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 67/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0636 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 68/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0631 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 69/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0620 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 70/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0606 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 71/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0601 - sparse_categorical_accuracy: 0.9980 Epoch 72/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0590 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 73/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0586 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 74/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0574 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 75/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0565 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 76/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0559 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 77/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0549 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 78/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0534 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 79/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0532 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 80/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0519 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 81/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0511 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 82/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0508 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 83/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0499 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 84/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0490 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 85/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0490 - sparse_categorical_accuracy: 0.9990 Epoch 86/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0470 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 87/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0468 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 88/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0468 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 89/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0453 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 90/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0448 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 91/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0441 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 92/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0434 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 93/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0431 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 94/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0424 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 95/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0420 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 96/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0415 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 97/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0409 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 98/100 8/8 [==============================] - 0s 4ms/step - loss: 0.0401 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 99/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0396 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 Epoch 100/100 8/8 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.0392 - sparse_categorical_accuracy: 1.0000 <keras.callbacks.History at 0x7ff7ac0f83d0>
Visualisez l'incertitude
Calculez d'abord les logits prédictifs et les variances.
sngp_logits, sngp_covmat = sngp_model(test_examples, return_covmat=True)
sngp_variance = tf.linalg.diag_part(sngp_covmat)[:, None]
Calculez maintenant la probabilité prédictive a posteriori. La méthode classique pour calculer la probabilité prédictive d'un modèle probabiliste consiste à utiliser l'échantillonnage de Monte Carlo, c'est-à-dire
\[E(p(x)) = \frac{1}{M} \sum_{m=1}^M logit_m(x), \]
où \(M\) est la taille de l'échantillon et \(logit_m(x)\) sont des échantillons aléatoires du SNGP postérieur \(MultivariateNormal\)( sngp_logits , sngp_covmat ). Cependant, cette approche peut être lente pour les applications sensibles à la latence telles que la conduite autonome ou les enchères en temps réel. Au lieu de cela, peut approximer \(E(p(x))\) en utilisant la méthode du champ moyen :
\[E(p(x)) \approx softmax(\frac{logit(x)}{\sqrt{1+ \lambda * \sigma^2(x)} })\]
où \(\sigma^2(x)\) est la variance SNGP, et \(\lambda\) est souvent choisi comme \(\pi/8\) ou \(3/\pi^2\).
sngp_logits_adjusted = sngp_logits / tf.sqrt(1. + (np.pi / 8.) * sngp_variance)
sngp_probs = tf.nn.softmax(sngp_logits_adjusted, axis=-1)[:, 0]
Cette méthode de champ moyen est implémentée en tant que fonction layers.gaussian_process.mean_field_logits :
def compute_posterior_mean_probability(logits, covmat, lambda_param=np.pi / 8.):
# Computes uncertainty-adjusted logits using the built-in method.
logits_adjusted = nlp_layers.gaussian_process.mean_field_logits(
logits, covmat, mean_field_factor=lambda_param)
return tf.nn.softmax(logits_adjusted, axis=-1)[:, 0]
sngp_logits, sngp_covmat = sngp_model(test_examples, return_covmat=True)
sngp_probs = compute_posterior_mean_probability(sngp_logits, sngp_covmat)
Résumé SNGP
def plot_predictions(pred_probs, model_name=""):
"""Plot normalized class probabilities and predictive uncertainties."""
# Compute predictive uncertainty.
uncertainty = pred_probs * (1. - pred_probs)
# Initialize the plot axes.
fig, axs = plt.subplots(1, 2, figsize=(14, 5))
# Plots the class probability.
pcm_0 = plot_uncertainty_surface(pred_probs, ax=axs[0])
# Plots the predictive uncertainty.
pcm_1 = plot_uncertainty_surface(uncertainty, ax=axs[1])
# Adds color bars and titles.
fig.colorbar(pcm_0, ax=axs[0])
fig.colorbar(pcm_1, ax=axs[1])
axs[0].set_title(f"Class Probability, {model_name}")
axs[1].set_title(f"(Normalized) Predictive Uncertainty, {model_name}")
plt.show()
Mettez tout ensemble. L'ensemble de la procédure (formation, évaluation et calcul de l'incertitude) peut se faire en seulement cinq lignes :
def train_and_test_sngp(train_examples, test_examples):
sngp_model = DeepResNetSNGPWithCovReset(**resnet_config)
sngp_model.compile(**train_config)
sngp_model.fit(train_examples, train_labels, verbose=0, **fit_config)
sngp_logits, sngp_covmat = sngp_model(test_examples, return_covmat=True)
sngp_probs = compute_posterior_mean_probability(sngp_logits, sngp_covmat)
return sngp_probs
sngp_probs = train_and_test_sngp(train_examples, test_examples)
Visualisez la probabilité de classe (à gauche) et l'incertitude prédictive (à droite) du modèle SNGP.
plot_predictions(sngp_probs, model_name="SNGP")
N'oubliez pas que dans le diagramme de probabilité de classe (à gauche), le jaune et le violet sont des probabilités de classe. Lorsqu'il est proche du domaine des données d'apprentissage, le SNGP classe correctement les exemples avec une grande confiance (c'est-à-dire en attribuant une probabilité proche de 0 ou 1). Lorsqu'il est éloigné des données d'entraînement, le SNGP devient progressivement moins confiant et sa probabilité prédictive devient proche de 0,5 tandis que l'incertitude (normalisée) du modèle monte à 1.
Comparez cela à la surface d'incertitude du modèle déterministe :
plot_predictions(resnet_probs, model_name="Deterministic")
Comme mentionné précédemment, un modèle déterministe n'est pas conscient de la distance . Son incertitude est définie par la distance de l'exemple de test à la frontière de décision. Cela conduit le modèle à produire des prédictions trop sûres pour les exemples hors domaine (rouge).
Comparaison avec d'autres approches d'incertitude
Cette section compare l'incertitude du SNGP avec le décrochage de Monte Carlo et l' ensemble profond .
Ces deux méthodes sont basées sur la moyenne de Monte Carlo de plusieurs passages vers l'avant de modèles déterministes. Définissez d'abord la taille de l'ensemble \(M\).
num_ensemble = 10
Abandon de Monte-Carlo
Étant donné un réseau de neurones formé avec des couches d'abandon, l' abandon de Monte Carlo calcule la probabilité prédictive moyenne
\[E(p(x)) = \frac{1}{M}\sum_{m=1}^M softmax(logit_m(x))\]
en calculant la moyenne sur plusieurs passes vers l'avant activées par Dropout \(\{logit_m(x)\}_{m=1}^M\).
def mc_dropout_sampling(test_examples):
# Enable dropout during inference.
return resnet_model(test_examples, training=True)
# Monte Carlo dropout inference.
dropout_logit_samples = [mc_dropout_sampling(test_examples) for _ in range(num_ensemble)]
dropout_prob_samples = [tf.nn.softmax(dropout_logits, axis=-1)[:, 0] for dropout_logits in dropout_logit_samples]
dropout_probs = tf.reduce_mean(dropout_prob_samples, axis=0)
dropout_probs = tf.reduce_mean(dropout_prob_samples, axis=0)
plot_predictions(dropout_probs, model_name="MC Dropout")
Ensemble profond
L'ensemble profond est une méthode de pointe (mais coûteuse) pour l'apprentissage en profondeur de l'incertitude. Pour former un ensemble Deep, formez d'abord les membres de l'ensemble \(M\) .
# Deep ensemble training
resnet_ensemble = []
for _ in range(num_ensemble):
resnet_model = DeepResNet(**resnet_config)
resnet_model.compile(optimizer=optimizer, loss=loss, metrics=metrics)
resnet_model.fit(train_examples, train_labels, verbose=0, **fit_config)
resnet_ensemble.append(resnet_model)
Collectez les logits et calculez la probabilité prédictive moyenne \(E(p(x)) = \frac{1}{M}\sum_{m=1}^M softmax(logit_m(x))\).
# Deep ensemble inference
ensemble_logit_samples = [model(test_examples) for model in resnet_ensemble]
ensemble_prob_samples = [tf.nn.softmax(logits, axis=-1)[:, 0] for logits in ensemble_logit_samples]
ensemble_probs = tf.reduce_mean(ensemble_prob_samples, axis=0)
plot_predictions(ensemble_probs, model_name="Deep ensemble")
MC Dropout et Deep ensemble améliorent la capacité d'incertitude d'un modèle en rendant la limite de décision moins certaine. Cependant, ils héritent tous les deux de la limitation du réseau profond déterministe en ce qu'il manque de conscience de la distance.
Résumé
Dans ce tutoriel, vous avez :
- Implémentation d'un modèle SNGP sur un classifieur profond pour améliorer sa connaissance de la distance.
- Formation du modèle SNGP de bout en bout à l'aide de l'API Keras
model.fit(). - Visualisation du comportement d'incertitude de SNGP.
- Comparaison du comportement d'incertitude entre le SNGP, le décrochage de Monte Carlo et les modèles d'ensemble profond.
Ressources et lectures complémentaires
- Voir le didacticiel SNGP-BERT pour un exemple d'application de SNGP sur un modèle BERT pour une compréhension du langage naturel sensible à l'incertitude.
- Voir Lignes de base d'incertitude pour la mise en œuvre du modèle SNGP (et de nombreuses autres méthodes d'incertitude) sur une grande variété d'ensembles de données de référence (par exemple, CIFAR , ImageNet , détection de toxicité Jigsaw , etc.).
- Pour une compréhension plus approfondie de la méthode SNGP, consultez l'article Estimation d'incertitude simple et basée sur des principes avec apprentissage profond déterministe via la sensibilisation à distance .