오토인코더를 이용한 비정상 거래 검출 모델의 구현 #2 - MNIST 오토 인코더 샘플

오토인코더를 이용한 비정상 거래 검출 모델의 구현 #2

MNIST 오토인코더 샘플

조대협 (http://bcho.tistory.com)

신용카드 이상 거래 감지 시스템 구현에 앞서서, 먼저 오토인코더에 대한 이해를 하기 위해서 오토 인코더를 구현해보자. 오토 인코더 샘플 구현은 MNIST 데이타를 이용하여 학습하고 복원하는 코드를 만들어 보겠다.

이 코드의 원본은 Etsuji Nakai 님의 https://github.com/enakai00/autoencoder_example 코드를 사용하였다.

데이타 전처리

이 예제에서는 텐서플로우에 포함된 MNIST 데이타 tensorflow.contrib.learn.python.learn.datasets  를  tfrecord 로 변경해서 사용한다.TFRecord에 대한 설명은 http://bcho.tistory.com/1190 를 참고하기 바란다.

MNIST 데이타를 TFRecord로 변경하는 코드는 https://github.com/bwcho75/tensorflowML/blob/master/LAB5-Create-MNIST-TFRecord-Data.ipynb 에 있다. 이 코드를 실행하면, ./data/train.tfrecord ./data/test.tfrecords 에 학습 및 테스트 데이타 파일이 생성된다. 이 파일들을 아래서 만들 모델이 들어가 있는 디렉토리 아래 /data 디렉토리로 옮겨놓자.

학습 코드 구현

학습에 사용되는 모델은 텐서플로우 하이레벨 API인 tf.layers와 Estimator를 이용해서 구현한다.

하이레벨 API를 사용하는 이유는 http://bcho.tistory.com/1195 http://bcho.tistory.com/1196 에서도 설명했듯이 구현이 상대적으로 쉬울뿐더러, 분산 학습이 가능하기 때문이다.

전체 코드는 hhttps://github.com/bwcho75/tensorflowML/blob/master/LAB5-Autoencoder-MNIST-Estimator.ipynb 에 공유되어 있다.

데이타 입력부

데이타 입력 부분은 tfrecord 파일을 읽어서, 파일 큐를 생성해서 input_fn 을 생성하는 부분이다. 이렇게 생성된 input_fn 함수는 Estimator 를 통해서, 학습과 테스트(검증) 데이타로 피딩되게 된다.

데이타 입력 부분은 read_and_decode함수와 input_fn 함수로 구현되어 있는데, 각각을 살펴보자

def read_and_decode(filename_queue):
   reader = tf.TFRecordReader()
   _,serialized_example = reader.read(filename_queue)
   
   features = tf.parse_single_example(
       serialized_example,
       features={
           'image_raw':tf.FixedLenFeature([],tf.string),
           'label':tf.FixedLenFeature([],tf.int64),
       })
   
   image = tf.decode_raw(features['image_raw'],tf.uint8)
   image.set_shape([784]) #image shape is (784,)
   image = tf.cast(image,tf.float32)*(1.0/255)
   label = tf.cast(features['label'],tf.int32)
   
   return image,label

read_and_decode 함수는 filename_queue에서, 파일을 읽어서 순서대로 TFRecoderReader를 읽어서 파싱한후에, image_raw이름으로 된 피쳐와,  label로 된 피쳐를 읽어서 각각 image와 label 이라는 텐서에 저장한다.

image는 차원을 맞추기 위해서 set_shape를 이용하여 1차원으로 784의 길이를 가진 텐서로 변환하고, 학습에 적절하도록 데이타를 regulization 을 하기 위해서, 1.0/255 를 곱해줘서 1~255값의 칼라값을 0~1사이의 값으로 변환한다.

그리고 label값은 0~9를 나타내는 숫자 라벨이기 때문에, tf.int32로 형 변환을 한다.

변환이 끝난 image와 label 텐서를 리턴한다.

def input_fn(filename,batch_size=100):
   filename_queue = tf.train.string_input_producer([filename])
   
   image,label = read_and_decode(filename_queue)
   images,labels = tf.train.batch(
       [image,label],batch_size=batch_size,
       capacity=1000+3*batch_size)
   #images : (100,784), labels : (100,1)
   
   return {'inputs':images},labels

Input_fn 함수는 실제로 Estimator에 값을 피딩하는 함수로, 입력 받은 filename으로 파일이름 큐를 만들어서 read_and_decode 함수에 전달 한 후, image와 label 값을 리턴받는다.

리턴 받은 값을 바로 리턴하지 않고 배치 학습을 위해서 tf.train.batch를 이용하여 배치 사이즈(batch_size)만큼 묶어서 리턴한다.

모델 구현부

데이타 입력 부분이 완성되었으면, 데이타를 읽어서 학습 하는 부분을 살펴보자.

모델 구현

아래는 모델을 구현한 autoecndoer_model_fn 함수이다.

Custom Estimator를 구현하기 위해서 사용한 구조이다.

def autoencoder_model_fn(features,labels,mode):
   input_layer = features['inputs']
   dense1 = tf.layers.dense(inputs=input_layer,units=256,activation=tf.nn.relu)
   dense2 = tf.layers.dense(inputs=dense1,units=128,activation=tf.nn.relu)
   dense3 = tf.layers.dense(inputs=dense2,units=16,activation=tf.nn.relu)
   dense4 = tf.layers.dense(inputs=dense3,units=128,activation=tf.nn.relu)
   dense5 = tf.layers.dense(inputs=dense4,units=256,activation=tf.nn.relu)
   output_layer = tf.layers.dense(inputs=dense5,units=784,activation=tf.nn.sigmoid)
   
   #training and evaluation mode
   if mode in (Modes.TRAIN,Modes.EVAL):
       global_step = tf.contrib.framework.get_or_create_global_step()
       label_indices = tf.cast(labels,tf.int32)
       loss = tf.reduce_sum(tf.square(output_layer - input_layer))
       tf.summary.scalar('OptimizeLoss',loss)

       if mode == Modes.TRAIN:
           optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=0.001)
           train_op = optimizer.minimize(loss,global_step=global_step)
           return tf.estimator.EstimatorSpec(mode,loss = loss, train_op = train_op)
       if mode == Modes.EVAL:
           eval_metric_ops = None
           return tf.estimator.EstimatorSpec(
               mode,loss=loss,eval_metric_ops = eval_metric_ops)
       
   # prediction mode
   if mode == Modes.PREDICT:
       predictions={
           'outputs':output_layer
       }
       export_outputs={
           'outputs':tf.estimator.export.PredictOutput(predictions)
       }
       return tf.estimator.EstimatorSpec(
           mode,predictions=predictions,export_outputs=export_outputs) #이부분 코드 상세 조사할것

오토인코더 네트워크를 구현하기 위한 코드는 다음 부분으로 복잡하지 않다

   input_layer = features['inputs']
   dense1 = tf.layers.dense(inputs=input_layer,units=256,activation=tf.nn.relu)
   dense2 = tf.layers.dense(inputs=dense1,units=128,activation=tf.nn.relu)
   dense3 = tf.layers.dense(inputs=dense2,units=16,activation=tf.nn.relu)
   dense4 = tf.layers.dense(inputs=dense3,units=128,activation=tf.nn.relu)
   dense5 = tf.layers.dense(inputs=dense4,units=256,activation=tf.nn.relu)
   output_layer = tf.layers.dense(inputs=dense5,units=784,activation=tf.nn.sigmoid)

input_fn에서 피딩 받은 데이타를 input_layer로 받아서, 각 256,128,16,128,,256의 노드로 되어 있는  5개의 네트워크를 통과한 후에, 최종적으로 784의 아웃풋과  sigmoid 함수를 활성화(activation function)으로 가지는 output layer를 거쳐서 나온다.

다음 모델의 모드 즉 학습, 평가, 그리고 예측 모드에 따라서 loss 함수나 train_op 등이 다르게 정해진다.

  #training and evaluation mode
   if mode in (Modes.TRAIN,Modes.EVAL):
       global_step = tf.contrib.framework.get_or_create_global_step()
       label_indices = tf.cast(labels,tf.int32)
       loss = tf.reduce_sum(tf.square(output_layer - input_layer))
       tf.summary.scalar('OptimizeLoss',loss)

학습과 테스트 모드일 경우, global_step을 정하고, loss 함수를 정의한다.

학습 모드일 경우에는 아래와 같이 옵티마이저를 정하고,이 옵티마이저를 이용하여 loss 값을 최적화 하도록 하는 train_op를 정의해서 EstimatorSpec을 만들어서 리턴하였다.

      if mode == Modes.TRAIN:
           optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=0.001)
           train_op = optimizer.minimize(loss,global_step=global_step)
           return tf.estimator.EstimatorSpec(mode,loss = loss, train_op = train_op)

테스트 모드 일 경우에는 옵티마이즈할 필요가 없기 때문에, 옵티마이져를 정의하지 않고 loss 값을 리턴하고, 평가를 위한 Evalutaion metrics를 정해서 리턴한다. 아래 코드는 별도로 evaluation metrics 를 정의하지 않고, 디폴트 메트릭스를 사용하였다.

      if mode == Modes.EVAL:
           eval_metric_ops = None
           return tf.estimator.EstimatorSpec(
               mode,loss=loss,eval_metric_ops = eval_metric_ops)

예측 모드일 경우에는 loss 값이나 optimizer 등의 정의가 필요 없고, output값을 어떤 값을 내보낼지만 정의하면 되고, 예측 모델 (prediction model)을 프로토콜 버퍼 포맷으로 export 할때의 구조를 정의하기 위해서 export_outpus 부분만 아래와 같이 정의해주면 된다.

  # prediction mode
   if mode == Modes.PREDICT:
       predictions={
           'outputs':output_layer
       }
       export_outputs={
           'outputs':tf.estimator.export.PredictOutput(predictions)
       }
       return tf.estimator.EstimatorSpec(
           mode,predictions=predictions,export_outputs=export_outputs)

Estimator 생성

모델에 대한 정의가 끝났으면, Estimator를 생성하는데, Estimator 정의는 아래와 같이 앞에서 정의한 모델인 autoencoder_model_fn을 정의해주고

def build_estimator(model_dir):
   return tf.estimator.Estimator(
       model_fn = autoencoder_model_fn,
       model_dir = model_dir,
       config=tf.contrib.learn.RunConfig(save_checkpoints_secs=180))

실험 (Experiment) 구현

앞에서 구현된 Estimator를 이용하여, 학습과 테스트를 진행할 수 있는데, 직접 Estimator를 불러사용하는 방법 이외에 Experiment 라는 클래스를 사용하면, 이 부분을 단순화 할 수 있다.

Experiment에는 사용하고자 하는  Estimator와 학습과 테스트용 데이타 셋, 그리고 export 전략 및, 학습,테스트 스탭을 넣어주면 자동으로 Estimator를 이용하여 학습과 테스트를 진행해준다.

아래는 Experiment 를 구현한 예이다.

def generate_experiment_fn(data_dir,
                         train_batch_size = 100,
                         eval_batch_size = 100,
                         train_steps = 1000,
                         eval_steps = 1,
                         **experiment_args):
   def _experiment_fn(output_dir):
       return Experiment(
           build_estimator(output_dir),
           train_input_fn=get_input_fn('./data/train.tfrecords',batch_size=train_batch_size),
           eval_input_fn=get_input_fn('./data/test.tfrecords',batch_size=eval_batch_size),
           export_strategies = [saved_model_export_utils.make_export_strategy(
               serving_input_fn,
               default_output_alternative_key=None,
               exports_to_keep=1)
           ],
           train_steps = train_steps,
           eval_steps = eval_steps,
           **experiment_args
       )
   return _experiment_fn

learn_runner.run(
   generate_experiment_fn(
       data_dir='./data/',
       train_steps=2000),
   OUTDIR)

대략 50,000 스탭까지 학습을 진행하면 loss 값 500 정도로 수렴 되는 것을 확인할 수 있다.

검증 코드 구현

검증 코드는 MNIST 데이타에서 테스트용 데이타를 로딩하여 테스트 이미지를 앞에서 학습된 이미지로 인코딩했다가 디코딩 하는 예제이다. 입력 이미지와 출력 이미지가 비슷할 수 록 제대로 학습된것이라고 볼수 있다.

Export 된 모듈 로딩

아래 코드는 앞의 학습과정에서 Export 된 학습된 모델을 로딩하여 새롭게 그래프를 로딩 하는 코드이다.

#reset graph
tf.reset_default_graph()

export_dir = OUTDIR+'/export/Servo/'
timestamp = os.listdir(export_dir)[0]
export_dir = export_dir + timestamp
print(export_dir)

sess = tf.Session()
meta_graph = tf.saved_model.loader.load(sess,[tf.saved_model.tag_constants.SERVING],export_dir)
model_signature = meta_graph.signature_def['serving_default']
input_signature = model_signature.inputs
output_signature = model_signature.outputs

print(input_signature.keys())
print(output_signature.keys())

tf.reset_default_graph()를 이용하여, 그래프를 리셋 한후, tf.save_model.loader.load()를 이용하여 export_dir에서 Export 된 파일을 읽어서 로딩한다.

다음 입력값과 출력값의 텐서 이름을 알기 위해서 model_signature.input과 output 시그니쳐를 읽어낸후 각각 keys()를 이용하여 입력과 출력 텐서 이름을 출력하였다.

이 텐서 이름은 로딩된 그래프에 입력을 넣고 출력 값을 뽑을 때 사용하게 된다.

테스트 코드 구현

학습된 모델이 로딩 되었으면 로딩된 모델을 이용하여 MNIST 테스트 데이타를 오토 인코더에 넣어서 예측을 진행 해본다.

from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data

mnist = input_data.read_data_sets("/tmp/data/", one_hot=True)
images, labels = mnist.test.images, mnist.test.labels

feed_dict = {sess.graph.get_tensor_by_name(input_signature['inputs'].name): mnist.test.images[:10]}
output = sess.graph.get_tensor_by_name(output_signature['outputs'].name)
results = sess.run(output, feed_dict=feed_dict)

fig = plt.figure(figsize=(4,15))
for i in range(10):
       subplot = fig.add_subplot(10,2,i*2+1)
       subplot.set_xticks([])
       subplot.set_yticks([])
       subplot.imshow(images[i].reshape((28,28)), vmin=0, vmax=1,
                      cmap=plt.cm.gray_r, interpolation="nearest")
       
       subplot = fig.add_subplot(10,2,i*2+2)
       subplot.set_xticks([])
       subplot.set_yticks([])
       subplot.imshow(results[i].reshape((28,28)), vmin=0, vmax=1,
                      cmap=plt.cm.gray_r, interpolation="nearest")

plt.show()

feed_dict = {sess.graph.get_tensor_by_name(input_signature['inputs'].name): mnist.test.images[:10]} 부분은 입력 데이타를 정의하는 부분으로, 앞에 모델 로딩시 사용했던 것과 같이 입력 텐서의 이름을 얻기 위해서 input_signature의 이름을 얻은 후, 그래프에서 그 이름으로 텐서를 가지고 온다. 그 이후, 가져온 텐서에 mnist 테스트 데이타셋에서 이미지 부분을 0~9 개를 피딩한다.

출력 값도 마찬가지로 output_signature에서 output 텐서 이름을 가지고 온후에, get_tensor_by_name 으로 해당 텐서를 가지고 온후에, output 변수에 저장한다.

마지막으로 sess.run을 통해서 feed_dict 값을 피딩하고, output 텐서를 리턴하여, 결과를 results로 리턴한다.

나머지는 리턴된 10개의 prediction result를 matplotlib를 이용하여 시각화 한 결과이다.

아래 결과와 같이 입력값과 출력값이 거의 유사하게 복원되었음을 확인할 수 있다.

테스트 코드를 웹으로 구현

테스트를 위해서 MNIST 데이타를 입력하는 것 말고, HTML 화면을 이용하여 직접 마우스로 숫자를 그래서 입력할 수 있도록 해보자

코드 구조 자체는 위의 예제와 같기 때문에 별도로 설명하지 않는다.

위의 그림과 같이 HTML 입력 박스에 마우스로 그림을 그리면 아래 그림과 같이 입력값과 함께 복원된 이미지를 보여 준다.

웹을 이용하여 숫자와 알파벳을 입력해서 입력과 결과값을 구분해본 결과, 영문이던 숫자이던 입출력 차이가 영문이나 숫자가 크게 차이가 나지 않아서, 변별력이 크지 않았다.

트레이닝 스탭이 이 50,000 스텝 정도면 loss값이 500 근처로 수렴을 하였는데, 1,000,000 스텝을 학습 시켜서 MNIST 데이타에 대한 기억 효과를 극대화 하려고 했지만 큰 효과가 없었다.

여러가지 원인이 있겠지만, HTML에서 손으로 이미지를 인식 받는 만큼, 글자의 위치나 크기에 따라서 loss 값이 크게 차이가 나는 결과를 보였다.  이 부분은 컨볼루셔널 필터 (Convolution Filter)를 사용하면 해결이 가능할것 같으나 적용은 하지 않았다.

또한 학습에 사용된 데이타는 0~255 의 흑백 값이지만, 위의 예제에서 웹을 통해 입력받은 값은 흑/백 (0 or 255)인 값이기 때문에 눈으로 보기에는 비슷하지만 실제로는 많이 다른 값이다.

또는 학습 데이타가 모자르거나 또는 네트워크 사이즈가 작았을 것으로 생각하는데, 그 부분은 별도로 테스트 하지 않았다.

신용 카드 데이타의 경우 손으로 그리는 그림이 아니기 때문에, 이런 문제는 없을 것으로 생각 하는데, 만약 문제가 된다면 네트워크 사이즈를 조정해보는 방안으로 진행할 예정이다.

다음 글에서는 신용 카드 데이타를 가지고 오토 인코더를 이용하여 비정상 거래를 검출하기 위해서 학습을 우하여 데이타 전처리를 하는 부분에 대해서 알아보도록 하겠다.

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