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13章 PyTorch LightningでMNIST手書き数字の分類タスクを訓練できない！！

ネイピア DS

はじめに

シリーズ「Python機械学習プログラミング」の紹介

本シリーズは書籍「Python機械学習プログラミング PyTorch & scikit-learn編」（初版第1刷）に関する記事を取り扱います。
この書籍のよいところは、Pythonのコードを動かしたり、アルゴリズムの説明を読み、ときに数式を確認して、包括的に機械学習を学ぶことができることです。
Pythonで機械学習を学びたい方におすすめです！
この記事では、この書籍のことを「テキスト」と呼びます。

記事の内容

この記事は「第13章 PyTorchのメカニズム」の「13.8.3 PyTorch LightningのTrainerクラスを使ってモデルを訓練する」のコード実行時に発生するエラーの対処方法を取り上げています。

13章のダイジェスト

13章はPyTorchメニューがてんこ盛りの贅沢な章です。
まず、PyTorchの計算グラフと自動微分を学び、torch.nnモジュールを使ってXOR分類問題に挑みます。
続いて、実用的な応用例として、Auto MPGデータセットを用いた車の燃費の予測（回帰タスク）、MNIST手書き数字データセットを用いた数字の分類（分類タスク）を実施します。
最後に、PyTorch LightningとTensorBoardの活用に進みます。
件の問題は、最後のPyTorch LigntningでMNIST手書き数字データセットを用いたモデルの訓練時に起きました。

PyTorch Lightningで手書き文字分類の訓練を実行できるようにする

エラー発生の概要

MNIST手書き数字データセットの分類タスクにおいて、テキストに記載された訓練コードの実行時にエラーが発生しました。
直接のエラー発生箇所は、MultiLayerPerceptronクラスのインスタンス化の部分です。

# エラー発生箇所
mnistclassifier = MultiLayerPerceptron()

エラー情報を読み解くと、MultiLayerPerceptronクラスの__init__コンストラクタの部分に問題があるような感じでした。

# エラー発生箇所
class MultiLayerPerceptron(pl.LightningModule):
    def __init__(self, image_shape=(1, 28,28), hidden_units=(32, 16)):
        super().__init__()
        # Lightningの新しい属性
        self.train_acc = Accuracy()　　　　# <--- この部分でエラーが発生

Accuracyクラスのインスタンス化の部分にエラーの原因がありそうです。
このAccuracyはtorchmetricsモジュールのクラスです。
ちなみに、Accuracyとは正解率のことです。

エラーメッセージは次の内容でした。

エラーメッセージ

TypeError: __new__() missing 1 required positional argument: 'task'
型エラー：__new__() に 1 つの必須の位置引数'task'がありません

エラー発生原因を探る

エラーメッセージの意味がよくわからなかったのでネットで調べてみましたが、直球の回答は得られませんでした。
どうやら task という引数が足りない、というところまではたどり着けました。
以下のサイトでヒントをいただきました。ありがとうございます！

続いて、Accuracyクラスの引数を調べるために、PyTorch Metricsのサイトを訪れて、パラメータの内容を確認することにしました。

Accuracyの引数には、たしかにtask引数がありました。

ACCURACYのモジュールインターフェース
（TorchMetricsサイトより）

エラー箇所の変更を実施

手書き数字の分類タスクは 'multiclass' に該当するので、task='multiclass'を指定してみます。

# コードの変更
class MultiLayerPerceptron(pl.LightningModule):
    def __init__(self, image_shape=(1, 28,28), hidden_units=(32, 16)):
        super().__init__()
        # Lightningの新しい属性
        self.train_acc = Accuracy(task='multiclass')　　# <--- この部分を変更
        self.valid_acc = Accuracy(task= 'multiclass')   # <--- この部分を変更
        self.test_acc = Accuracy(task= 'multiclass')    # <--- この部分を変更


またしてもエラーが、、、

コードの変更後に、訓練を実施したところ、またエラー発生です。。。

エラーメッセージ

AssertionError:
アサーション例外エラー

そっけないエラーメッセージです。。。
エラーメッセージの上部をみると、359行、360行にヒントが記載されていました。
task引数がmulticlassの場合に、アサーションチェックを実施していて、360行目の部分で num_classes 引数 の存在チェックをしているようです。

    358 if task == "multiclass": 
    359     assert isinstance(num_classes, int) 
--> 360     assert isinstance(top_k, int) 
    361     return MulticlassAccuracy(num_classes, top_k, average, **kwargs)

もう一度、Accuracyクラスの引数を確認してみます。

ACCURACYのモジュールインターフェース
（TorchMetricsサイトより）

引数に num_classes がありました。
おそらくこの引数は「クラスの数」でしょう、という見立てで進むことにします。

エラー箇所を変更して再実行！

MNIST手書き数字は、0～9までの「10個」の数字に分類するので、num_class=10 と設定してみましょう。

# コードの変更（２回目）
class MultiLayerPerceptron(pl.LightningModule):
    def __init__(self, image_shape=(1, 28,28), hidden_units=(32, 16)):
        super().__init__()
        # Lightningの新しい属性
        self.train_acc = Accuracy(task='multiclass', num_classes=10)　　# <--- この部分を変更
        self.valid_acc = Accuracy(task='multiclass', num_classes=10)   # <--- この部分を変更
        self.test_acc = Accuracy(task='multiclass', num_classes=10)    # <--- この部分を変更

この変更により、13.8.3 のコードを動かせるようになりました！
ひとまず動くようになったのですが、もっとスマートなコードの書き方があるかもしません。これは宿題にしておきます。

テキストのコードでモデルを訓練した結果が出ました！
性能指標の値がテキストと異なっていますが、ひとまず良しとします。

訓練データと検証データの損失値、検証データの正解率

しかし、なぜテキストは引数を指定しないコードを掲載しているのでしょう？

ちなみに、Accuracyを含む torchmetrics モジュールのバージョンは以下のとおりです。
- 自環境：0.11.0
- テキストの環境：0.6.2

まとめ

今回は、PyTorch MetricsのAccuracyクラスの引数に関して、エラーの解消に取り組みました。
世の中にはPyTorchをベースにした多種多様な周辺ライブラリが多くリリースされているそうです。
これらの周辺ライブラリに慣れるには、まだまだ時間がかかりそうです。日々進化するPyTorchに追随することの難しさを実感しました。

# 今日の一句
print('原書にとって正解率Accuracyの確からしさとは？')

楽しくPython機械学習プログラミングを学びましょう！

おまけ数式

noteでは数式記法を利用できます。
今回はディープラーニングの重みの初期化に用いられるXavier/Glorot初期化の一様分布の区間を紹介します。

$$
W \sim Uniform \left( - \cfrac{\sqrt6}{\sqrt{n_{in}+n_{out}}} \ ,\ \cfrac{\sqrt6}{\sqrt{n_{in}+n_{out}}} \right)
$$

$${n_{in}}$$は重みと掛け合わせる入力ニューロンの個数、$${n_{out}}$$は次の層に与える出力ニューロンの個数です。

おわりに

AI・機械学習の学習でおすすめの書籍を紹介いたします。
「最短コースでわかる ディープラーニングの数学」

機械学習やディープラーニングなどの手法を理解する際に、数学的な知識があると、いっそう深い理解につながると思います。
でも、難しい数式がびっしりと並んでいる書面を想像すると、なんだかゾッとします。
そんな数式にアレルギーのある方にとって、この「ディープラーニングの数学」は優しく寄り添ってくれて、「数学的」な見方を広げてくれるのではないでしょうか。
この書籍は、機械学習／深層学習の基礎的なテーマを、Pythonのコードを動かしながら、そして数学的な見解も実感しながら、楽しく学ぶことができると思います。
機械学習／深層学習の入門者にとって、次のようなトピックの理解を深くするチャンスとなるでしょう。

  • 損失関数とその微分

  • 活性化関数

  • 交差エントロピー関数

  • 誤差逆伝播

  • 勾配降下法（最急降下法）

ちなみに、私が初めて手にした機械学習／深層学習の書籍が、このディープラーニングと数学でした。思い出深い一冊です。
今もときどき、自分の理解を整理する際に、ページを捲ります。

最後まで読んでくださり、ありがとうございました。

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