Keras 多クラス分類 Iris

環境

• Tensorflow 2.3.0
• Google Colaboratory

イントロダクション

• (注意) 重きは、多クラス分類の内容ではなく、tf.kerasを使用した事への内容です
• Tensorflow kerasにより多層パーセプトロン(MLP)を作成
• 簡単なtf.kerasの使い方とモデルの保存、保存したモデルの読込を行う
• kaggleをやっている際、必要にかられ、kerasコードの読み方を今一度確認しました

データセット

• scikit-learnに付属のアヤメ品種データ(Iris plants dataset)を用いて検証
• Irisデータセットには(setosa, versicolor, virginica)の3種の情報が格納されている為、多クラス分類に使える

ソースコード全体

import numpy as np
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from tensorflow.keras.utils import to_categorical
import tensorflow as tf
import matplotlib.pyplot as plt

# irisデータセット読込
iris = load_iris()


# データセットを訓練データ, テストデータに分割
data_X = iris.data
data_y = to_categorical(iris.target) # one-hotエンコーディング

train_X, test_X, train_y, test_y = train_test_split(data_X, data_y, test_size=0.3, random_state=0)


# モデルの構築
model = tf.keras.models.Sequential([
    tf.keras.layers.Input(4),
    tf.keras.layers.Dense(100, activation='relu'),
    tf.keras.layers.Dense(3, activation='softmax')
])
# モデルのコンパイル
model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.01),
              loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

# モデルの学習
result = model.fit(train_X, train_y, batch_size=32, epochs=50, validation_data=(test_X, test_y), verbose=1)


# Accuracyのプロット
plt.figure()
plt.title('Accuracy')
plt.xlabel('epoch')
plt.ylabel('accuracy')
plt.plot(result.history['accuracy'], label='train')
plt.plot(result.history['val_accuracy'], label='test')
plt.legend()

# Lossのプロット
plt.figure()
plt.title('categorical_crossentropy Loss')
plt.xlabel('epoch')
plt.ylabel('loss')
plt.plot(result.history['loss'], label='train')
plt.plot(result.history['val_loss'], label='test')
plt.legend()
plt.show()



# model.evaluateを使用し、学習を終えたモデルの誤差と精度を呼び出し
train_score = model.evaluate(train_X, train_y)
test_score = model.evaluate(test_X, test_y)
print('Train loss:', train_score[0])
print('Train accuracy:', train_score[1])
print('Test loss:', test_score[0])
print('Test accuracy:', test_score[1])



# 結果の確認(predict)
pred_train = model.predict(train_X)
pred_test = model.predict(test_X)
pred_train = np.argmax(pred_train, axis=1)
pred_test = np.argmax(pred_test, axis=1)

print(pred_train)
print(np.argmax(train_y, axis=1))
print(pred_test)
print(np.argmax(test_y, axis=1))

データロード

• scikit-learnを使いirisデータのロードを行う

from sklearn.datasets import load_iris
# irisデータセット読込
iris = load_iris()

# サイズを確認
(iris.data.shape), (iris.target.shape)
# ((150, 4), (150,))

print(iris.feature_names) # ラベルの確認
print(iris.data) # 説明変数
print(iris.target_names) # ラベルの確認
print(iris.target) # 目的変数

# データセットのタイプを確認
type(iris.data) 
type(iris.target)
# numpy.ndarray

• 説明変数

['sepal length (cm)', 'sepal width (cm)', 'petal length (cm)', 'petal width (cm)']

[[5.1 3.5 1.4 0.2]
 [4.9 3.  1.4 0.2]
 [4.7 3.2 1.3 0.2]
 [4.6 3.1 1.5 0.2]
 [5.  3.6 1.4 0.2]...

• 目的変数

['setosa' 'versicolor' 'virginica']

array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
       0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
       0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
       1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
       1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,
       2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,
       2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2])

データ処理

• irisの目的変数をニューラルネットワークで扱いやすいone-hotエンコーディングへ変換

from tensorflow.keras.utils import to_categorical

# one-hotエンコーディング
data_y = to_categorical(iris.target)
# 0 => [1, 0, 0]
# 1 => [0, 1, 0]
# 2 => [0, 0, 1]

• 以下の様にも記載可能

# 例: クラスベクトル（整数）をバイナリクラス行列に変換
to_categorical(iris.target,
               num_classes=None,
               dtype='float32')

• 詳細は以下参照
  https://www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/keras/utils/to_categorical

• 続いてデータセットを訓練データ, テストデータへ分割

# データセットを訓練データ, テストデータへ分割
from sklearn.model_selection import train_test_split

data_X = iris.data
data_y = to_categorical(iris.target) # one-hotエンコーディング

train_X, test_X, train_y, test_y = train_test_split(data_X, data_y, test_size=0.3, random_state=0)

• test_size=0.3
• 学習データ7割, テストデータ3割へ分割
• random_state ランダムシードを設定

ネットワークアーキテクチャ

• 入力層 4変数
• 中間層 100変数
• 出力層 3変数
• 活性化関数 relu
• 損失関数 categorical_crossentropy
• 最適化関数Adam

import tensorflow as tf

# モデルの構築
model = tf.keras.models.Sequential([
    tf.keras.layers.Input(4),
    tf.keras.layers.Dense(100, activation='relu'),
    tf.keras.layers.Dense(3, activation='softmax')
])
# モデルのコンパイル
model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.01),
              loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

# モデルの学習
result = model.fit(train_X, train_y, batch_size=32, epochs=50, validation_data=(test_X, test_y), verbose=1)

Epoch 1/50
4/4 [==============================] - 0s 36ms/step - loss: 1.0097 - accuracy: 0.5810 - val_loss: 0.7336 - val_accuracy: 0.6222
Epoch 2/50
4/4 [==============================] - 0s 6ms/step - loss: 0.7082 - accuracy: 0.7048 - val_loss: 0.6553 - val_accuracy: 0.6000
Epoch 3/50
4/4 [==============================] - 0s 5ms/step - loss: 0.5494 - accuracy: 0.7905 - val_loss: 0.4738 - val_accuracy: 0.9111

• model.fitのverbose=0を設定する事により途中結果の出力をしない

モデル評価

# model.evaluateを使用し、学習を終えたモデルの誤差と精度を呼び出し
train_score = model.evaluate(train_X, train_y)
test_score = model.evaluate(test_X, test_y)
print('Train loss:', train_score[0])
print('Train accuracy:', train_score[1])
print('Test loss:', test_score[0])
print('Test accuracy:', test_score[1])

4/4 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.0649 - accuracy: 0.9714
2/2 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.1223 - accuracy: 0.9778
Train loss: 0.06492960453033447
Train accuracy: 0.9714285731315613
Test loss: 0.12225695699453354
Test accuracy: 0.9777777791023254

# 結果の確認(predict)
pred_train = model.predict(train_X)
pred_test = model.predict(test_X)
pred_train = np.argmax(pred_train, axis=1)
pred_test = np.argmax(pred_test, axis=1)

print(pred_train)
print(np.argmax(train_y, axis=1))
print(pred_test)
print(np.argmax(test_y, axis=1))

[1 2 2 2 2 1 2 1 1 2 1 2 2 1 2 1 0 2 1 1 1 1 2 0 0 2 1 0 0 1 0 2 1 0 1 2 1
 0 2 2 2 2 0 0 2 2 0 2 0 2 2 0 0 1 0 0 0 1 2 2 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 1 2 1 0
 2 0 2 0 0 2 0 2 1 1 1 2 2 1 1 0 1 2 2 0 1 1 1 1 0 0 0 2 1 2 0]
[1 2 2 2 2 1 2 1 1 2 2 2 2 1 2 1 0 2 1 1 1 1 2 0 0 2 1 0 0 1 0 2 1 0 1 2 1
 0 2 2 2 2 0 0 2 2 0 2 0 2 2 0 0 2 0 0 0 1 2 2 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 1 2 1 0
 2 0 2 0 0 2 0 2 1 1 1 2 2 1 1 0 1 2 2 0 1 1 1 1 0 0 0 2 1 2 0]
[2 1 0 2 0 2 0 1 1 1 2 1 1 1 1 0 1 1 0 0 2 1 0 0 2 0 0 1 1 0 2 1 0 2 2 1 0
 2 1 1 2 0 2 0 0]
[2 1 0 2 0 2 0 1 1 1 2 1 1 1 1 0 1 1 0 0 2 1 0 0 2 0 0 1 1 0 2 1 0 2 2 1 0
 1 1 1 2 0 2 0 0]

モデルの保存

# jsonファイルでモデルを保存
# 重みをhdf5で保存

config = model.to_json()

with open('model.json','w') as file:
    file.write(config)

model.save_weights('weights.hdf5')

モデルの読込

with open('model.json','r') as file:
    model_json = file.read()
    model = tf.keras.models.model_from_json(model_json)

model.load_weights('weights.hdf5')

model.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.01),
              loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

train_score = model.evaluate(train_X, train_y)
test_score = model.evaluate(test_X, test_y)
print('Train loss:', train_score[0])
print('Train accuracy:', train_score[1])
print('Test loss:', test_score[0])
print('Test accuracy:', test_score[1])

4/4 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.0649 - accuracy: 0.9714
2/2 [==============================] - 0s 2ms/step - loss: 0.1223 - accuracy: 0.9778
Train loss: 0.06492960453033447
Train accuracy: 0.9714285731315613
Test loss: 0.12225695699453354
Test accuracy: 0.9777777791023254

• tf.keras.models.model_from_jsonについての詳細は以下参照

https://www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/keras/models/model_from_json

参考文献

• https://snova301.hatenablog.com/entry/2018/10/29/175028
• https://aidiary.hatenablog.com/entry/20161108/1478609028

おわり (データの中身を把握するには)

• pandasを使ってみる
• seabornを使ってみる

import pandas as pd
import seaborn as sns

df = pd.DataFrame(iris.data, columns=iris.feature_names)
df['target'] = iris.target
df.loc[df['target'] == 0, 'target'] = "setosa"
df.loc[df['target'] == 1, 'target'] = "versicolor"
df.loc[df['target'] == 2, 'target'] = "virginica"

df.head(2)

sepal length (cm)	sepal width (cm)	petal length (cm)	petal width (cm)	target
5.1	3.5	1.4	0.2	setosa
4.9	3.0	1.4	0.2	setosa

sns.pairplot(df, hue="target")