Как создать нейронную сеть c библиотекой Keras на Python: пример

Keras — популярная библиотека глубокого обучения, которая внесла большой вклад в коммерциализацию глубокого обучения. Библиотека Keras проста в использовании и позволяет создавать нейронные сети с помощью лишь нескольких строк кода Python.

Из статьи вы узнаете, как с помощью Keras создать нейронную сеть, предсказывающую оценку продукта пользователями по их отзывам, классифицируя ее по двум категориям: положительная или отрицательная. Эта задача называется анализом настроений (сентимент-анализ), и мы решим ее с помощью сайта с кинорецензиями IMDb. Модель, которую мы построим, также может быть применена для решения других задач машинного обучения после незначительной модификации.

Обратите внимание, что мы не будем вдаваться в подробности Keras и глубокого обучения. Этот пост предназначен для того, чтобы предоставить схему нейронной сети в Keras и познакомить с ее реализацией.

Содержание:

• Что такое Keras?
• Что такое анализ настроений?
• Датасет IMDB
• Импорт зависимостей и получение данных
• Изучение данных
• Подготовка данных
• Создание и обучение модели

Что такое Keras?

Keras — это библиотека для Python с открытым исходным кодом, которая позволяет легко создавать нейронные сети. Библиотека совместима с TensorFlow, Microsoft Cognitive Toolkit, Theano и MXNet. Tensorflow и Theano являются наиболее часто используемыми численными платформами на Python для разработки алгоритмов глубокого обучения, но они довольно сложны в использовании.

Читайте: TensorFlow туториал. Часть 1: тензоры и векторы

Keras, наоборот, предоставляет простой и удобный способ создания моделей глубокого обучения. Ее создатель, Fran?ois Chollet, разработал ее для того, чтобы максимально ускорить и упростить процесс создания нейронных сетей. Он сосредоточил свое внимание на расширяемости, модульности, минимализме и поддержке Python. Keras можно использовать с GPU и CPU; она поддерживает как Python 2, так и Python 3. Keras компании Google внесла большой вклад в коммерциализацию глубокого обучения и искусственного интеллекта, поскольку она содержит cовременные алгоритмы глубокого обучения, которые ранее были не только недоступными, но и непригодными для использования.

Что такое анализ настроений (сентимент-анализ)?

С помощью анализа настроений можно определить отношение (например, настроение) человека к тексту, взаимодействию или событию. Поэтому сентимент-анализ относится к области обработки естественного языка, в которой смысл текста должен быть расшифрован для извлечения из него тональности и настроений.

Спектр настроений обычно подразделяется на положительные, отрицательные и нейтральные категории. С использованием анализа настроений можно, например, прогнозировать мнение клиентов и их отношение к продукту на основе написанных ими обзоров. Поэтому анализ настроений широко применяется к обзорам, опросам, текстам и многому другому.

Датасет IMDb

Датасет IMDb состоит из 50 000 обзоров фильмов от пользователей, помеченных как положительные (1) и отрицательные (0).

• Рецензии предварительно обрабатываются, и каждая из них кодируется последовательностью индексов слов в виде целых чисел.
• Слова в обзорах индексируются по их общей частоте появления в датасете. Например, целое число «2» кодирует второе наиболее частое используемое слово.
• 50 000 обзоров разделены на два набора: 25 000 для обучения и 25 000 для тестирования.

Датасет был создан исследователями Стэнфордского университета и представлен в статье 2011 года, в котором достигнутая точность предсказаний была равна 88,89%. Датасет также использовался в рамках конкурса сообщества Keggle «Bag of Words Meets Bags of Popcorn» в 2011 году.

Импорт зависимостей и получение данных

Начнем с импорта необходимых зависимостей для предварительной обработки данных и построения модели.

%matplotlib inline  import matplotlib  import matplotlib.pyplot as plt

import numpy as np  from keras.utils import to_categorical  from keras import models  from keras import layers

Загрузим датесет IMDb, который уже встроен в Keras. Поскольку мы не хотим иметь данные обучения и тестирования в пропорции 50/50, мы сразу же объединим эти данные после загрузки для последующего разделения в пропорции 80/20:

from keras.datasets import imdb  (training_data, training_targets), (testing_data, testing_targets) = imdb.load_data(num_words=10000)  data = np.concatenate((training_data, testing_data), axis=0)  targets = np.concatenate((training_targets, testing_targets), axis=0)

Изучение данных

Изучим наш датасет:

print("Categories:", np.unique(targets))  print("Number of unique words:", len(np.unique(np.hstack(data))))  

Categories: [0 1]  Number of unique words: 9998

length = [len(i) for i in data]  print("Average Review length:", np.mean(length))  print("Standard Deviation:", round(np.std(length)))  

Average Review length: 234.75892  Standard Deviation: 173.0

Можно видеть, что все данные относятся к двум категориям: 0 или 1, что представляет собой настроение обзора. Весь датасет содержит 9998 уникальных слов, средний размер обзора составляет 234 слова со стандартным отклонением 173.

Рассмотрим простой способ обучения:

print("Label:", targets[0])  

Label: 1

print(data[0])  

[1, 14, 22, 16, 43, 530, 973, 1622, 1385, 65, 458, 4468, 66, 3941, 4, 173, 36, 256, 5, 25, 100, 43, 838, 112, 50, 670, 2, 9, 35, 480, 284, 5, 150, 4, 172, 112, 167, 2, 336, 385, 39, 4, 172, 4536, 1111, 17, 546, 38, 13, 447, 4, 192, 50, 16, 6, 147, 2025, 19, 14, 22, 4, 1920, 4613, 469, 4, 22, 71, 87, 12, 16, 43, 530, 38, 76, 15, 13, 1247, 4, 22, 17, 515, 17, 12, 16, 626, 18, 2, 5, 62, 386, 12, 8, 316, 8, 106, 5, 4, 2223, 5244, 16, 480, 66, 3785, 33, 4, 130, 12, 16, 38, 619, 5, 25, 124, 51, 36, 135, 48, 25, 1415, 33, 6, 22, 12, 215, 28, 77, 52, 5, 14, 407, 16, 82, 2, 8, 4, 107, 117, 5952, 15, 256, 4, 2, 7, 3766, 5, 723, 36, 71, 43, 530, 476, 26, 400, 317, 46, 7, 4, 2, 1029, 13, 104, 88, 4, 381, 15, 297, 98, 32, 2071, 56, 26, 141, 6, 194, 7486, 18, 4, 226, 22, 21, 134, 476, 26, 480, 5, 144, 30, 5535, 18, 51, 36, 28, 224, 92, 25, 104, 4, 226, 65, 16, 38, 1334, 88, 12, 16, 283, 5, 16, 4472, 113, 103, 32, 15, 16, 5345, 19, 178, 32]

Здесь вы видите первый обзор из датасета, который помечен как положительный (1). Нижеследующий код производит обратное преобразование индексов в слова, чтобы мы могли их прочесть. В нем каждое неизвестное слово заменяется на «#». Это делается с помощью функции get_word_index ().

index = imdb.get_word_index()  reverse_index = dict([(value, key) for (key, value) in index.items()])   decoded = " ".join( [reverse_index.get(i - 3, "#") for i in data[0]] )  print(decoded)     

# this film was just brilliant casting location scenery story direction everyone's really suited the part they played and you could just imagine being there robert # is an amazing actor and now the same being director # father came from the same scottish island as myself so i loved the fact there was a real connection with this film the witty remarks throughout the film were great it was just brilliant so much that i bought the film as soon as it was released for # and would recommend it to everyone to watch and the fly fishing was amazing really cried at the end it was so sad and you know what they say if you cry at a film it must have been good and this definitely was also # to the two little boy's that played the # of norman and paul they were just brilliant children are often left out of the # list i think because the stars that play them all grown up are such a big profile for the whole film but these children are amazing and should be praised for what they have done don't you think the whole story was so lovely because it was true and was someone's life after all that was shared with us all

Подготовка данных

Пришло время подготовить данные. Нужно векторизовать каждый обзор и заполнить его нулями, чтобы вектор содержал ровно 10 000 чисел. Это означает, что каждый обзор, который короче 10 000 слов, мы заполняем нулями. Это делается потому, что самый большой обзор имеет почти такой же размер, а каждый элемент входных данных нашей нейронной сети должен иметь одинаковый размер. Также нужно выполнить преобразование переменных в тип float.

def vectorize(sequences, dimension = 10000):  results = np.zeros((len(sequences), dimension))  for i, sequence in enumerate(sequences):  results[i, sequence] = 1  return results     data = vectorize(data)  targets = np.array(targets).astype("float32")

Разделим датасет на обучающий и тестировочный наборы. Обучающий набор будет состоять из 40 000 обзоров, тестировочный — из 10 000.

test_x = data[:10000]  test_y = targets[:10000]

train_x = data[10000:]  train_y = targets[10000:]

Создание и обучение модели

Теперь можно создать простую нейронную сеть. Начнем с определения типа модели, которую мы хотим создать. В Keras доступны два типа моделей: последовательные и с функциональным API.

Затем нужно добавить входные, скрытые и выходные слои. Для предотвращения переобучения будем использовать между ними исключение («dropout»). Обратите внимание, что вы всегда должны использовать коэффициент исключения в диапазоне от 20% до 50%. На каждом слое используется функция «dense» для полного соединения слоев друг с другом. В скрытых слоях будем используем функцию активации «relu», потому это практически всегда приводит к удовлетворительным результатам. Не бойтесь экспериментировать с другими функциями активации. На выходном слое используем сигмоидную функцию, которая выполняет перенормировку значений в диапазоне от 0 до 1. Обратите внимание, что мы устанавливаем размер входных элементов датасета равным 10 000, потому что наши обзоры имеют размер до 10 000 целых чисел. Входной слой принимает элементы с размером 10 000, а выдает — с размером 50.

Наконец, пусть Keras выведет краткое описание модели, которую мы только что создали.

# Input - Layer  model.add(layers.Dense(50, activation = "relu", input_shape=(10000, )))

# Hidden - Layers  model.add(layers.Dropout(0.3, noise_shape=None, seed=None))  model.add(layers.Dense(50, activation = "relu")  model.add(layers.Dropout(0.2, noise_shape=None, seed=None))  model.add(layers.Dense(50, activation = "relu"))

# Output- Layer  model.add(layers.Dense(1, activation = "sigmoid"))model.summary()

model.summary()    

_________________________________________________________________  Layer (type)                 Output Shape              Param #     =================================================================  dense_1 (Dense)              (None, 50)                500050      _________________________________________________________________  dropout_1 (Dropout)          (None, 50)                0           _________________________________________________________________  dense_2 (Dense)              (None, 50)                2550        _________________________________________________________________  dropout_2 (Dropout)          (None, 50)                0           _________________________________________________________________  dense_3 (Dense)              (None, 50)                2550        _________________________________________________________________  dense_4 (Dense)              (None, 1)                 51          =================================================================  Total params: 505,201  Trainable params: 505,201  Non-trainable params: 0  _________________________________________________________________

Теперь нужно скомпилировать нашу модель, то есть, по существу, настроить ее для обучения. Будем использовать оптимизатор «adam». Оптимизатор — это алгоритм, который изменяет веса и смещения во время обучения. В качестве функции потерь используем бинарную кросс-энтропию (так как мы работаем с бинарной классификацией), в качестве метрики оценки — точность.

model.compile(   optimizer = "adam",   loss = "binary_crossentropy",   metrics = ["accuracy"]  )

Теперь можно обучить нашу модель. Мы будем делать это с размером партии 500 и только двумя эпохами, поскольку я выяснил, что модель начинает переобучаться, если тренировать ее дольше. Размер партии определяет количество элементов, которые будут распространяться по сети, а эпоха — это один проход всех элементов датасета. Обычно больший размер партии приводит к более быстрому обучению, но не всегда — к быстрой сходимости. Меньший размер партии обучает медленнее, но может быстрее сходиться. Выбор того или иного варианта определенно зависит от типа решаемой задачи, и лучше попробовать каждый из них. Если вы новичок в этом вопросе, я бы посоветовал вам сначала использовать размер партии 32, что является своего рода стандартом.

results = model.fit(   train_x, train_y,   epochs= 2,   batch_size = 500,   validation_data = (test_x, test_y)  )    

Train on 40000 samples, validate on 10000 samples  Epoch 1/2  40000/40000 [==============================] - 5s 129us/step - loss: 0.4051 - acc: 0.8212 - val_loss: 0.2635 - val_acc: 0.8945  Epoch 2/2  40000/40000 [==============================] - 4s 90us/step - loss: 0.2122 - acc: 0.9190 - val_loss: 0.2598 - val_acc: 0.8950

Проведем оценку работы модели:

print(np.mean(results.history["val_acc"]))  

0.894750000536

Отлично! Наша простая модель уже побила рекорд точности в статье 2011 года, упомянутой в начале поста. Смело экспериментируйте с параметрами сети и количеством слоев.

Полный код модели приведен ниже:

import numpy as np  from keras.utils import to_categorical  from keras import models  from keras import layers  from keras.datasets import imdb

(training_data, training_targets), (testing_data, testing_targets) = imdb.load_data(num_words=10000)

data = np.concatenate((training_data, testing_data), axis=0)

targets = np.concatenate((training_targets, testing_targets), axis=0)

def vectorize(sequences, dimension = 10000):   results = np.zeros((len(sequences), dimension))   for i, sequence in enumerate(sequences):    results[i, sequence] = 1   return results     data = vectorize(data)  targets = np.array(targets).astype("float32")

test_x = data[:10000]  test_y = targets[:10000]  train_x = data[10000:]  train_y = targets[10000:]

model = models.Sequential()  # Input - Layer  model.add(layers.Dense(50, activation = "relu", input_shape=(10000, )))  # Hidden - Layers  model.add(layers.Dropout(0.3, noise_shape=None, seed=None))  model.add(layers.Dense(50, activation = "relu"))  model.add(layers.Dropout(0.2, noise_shape=None, seed=None))  model.add(layers.Dense(50, activation = "relu"))  # Output- Layer  model.add(layers.Dense(1, activation = "sigmoid"))  model.summary()  # compiling the model  model.compile(   optimizer = "adam",   loss = "binary_crossentropy",   metrics = ["accuracy"]  )  results = model.fit(   train_x, train_y,   epochs= 2,   batch_size = 500,   validation_data = (test_x, test_y)  )  print("Test-Accuracy:", np.mean(results.history["val_acc"]))

Итоги

Вы узнали, что такое анализ настроений и почему Keras является одной из наиболее популярных библиотек глубокого обучения.

Мы создали простую нейронную сеть с шестью слоями, которая может вычислять настроение авторов кинорецензий с точностью 89%. Теперь вы можете использовать эту модель для анализа бинарных настроений в других источниках, но для этого вам придется сделать их размер равным 10 000 или изменить параметры входного слоя.

Эту модель (с небольшими изменениями) можно применить и для решения других задач машинного обучения.

Источник: neurohive.io

Комментарии: