텐서플로우-파일에서 학습 데이타를 읽어보자 #1 (큐 사용 방법과 구조)

텐서플로우 - 파일에서 학습데이타를 읽어보자#1

조대협 (http://bcho.tistory.com)

텐서플로우를 학습하면서 실제 모델을 만들어보려고 하니 생각보다 데이타 처리에 대한 부분에서 많은 노하우가 필요하다는 것을 알게되었다. MNIST와 같은 예제는 데이타가 다 이쁘게 정리되어서 학습 하기 좋은 형태로 되어 있지만, 실제로 내 모델을 만들고 학습을 하기 위해서는 데이타에 대한 정재와 분류 작업등이 많이 필요하다.

이번글에서는 학습에 필요한 데이타를 파일에서 읽을때 필요한 큐에 대한 개념에 대해서 알아보도록 한다.

피딩 (Feeding) 개념 복습

텐서플로우에서 모델을 학습 시킬때, 학습 데이타를 모델에 적용하는 방법은 일반적으로 피딩 (feeding)이라는 방법을 사용한다. 메모리상의 어떤 변수 리스트 형태로 값을 저장한 후에, 모델을 세션에서 실행할 때, 리스트에서 값을 하나씩 읽어서 모델에 집어 넣는 방식이다.

위의 그림을 보면, y=W*x라는 모델에서 학습 데이타 x는 [1,2,3,4,5]로, 첫번째 학습에는 1, 두번째 학습에는 2를 적용하는 식으로 피딩이 된다.

그런데, 이렇게 피딩을 하려면, 학습 데이타 [1,2,3,4,5]가 메모리에 모두 적재되어야 하는데, 실제로 모델을 만들어서 학습을할때는 데이타의 양이 많기 때문에 메모리에 모두 적재하고 학습을 할 수 가 없고, 파일에서 읽어드리면서 학습을 해야 한다.

텐서플로우 큐에 대해서

이러한 문제를 해결하기 위해서는 파일에서 데이타를 읽어가면서, 읽은 데이타를 순차적으로 모델에 피딩하면 되는데, 이때 큐를 사용한다.

파일에서 데이타를 읽는 방법에 앞서서 큐를 설명하면, 큐에 데이타를 넣는 것(Enqueue) 은 Queue Runner 라는 것이 한다.

이 Queue Runner가 큐에 어떤 데이타를 어떻게 넣을지를 정의 하는 것이 Enqueue_operation인데, 데이타를 읽어서 실제로 어떻게 Queue에 Enqueue 하는지를 정의한다.

이 Queue Runner는 멀티 쓰레드로 작동하는데, Queue Runner 안의 쓰레드들을 관리해주기 위해서 별도로 Coordinator라는 것을 사용한다.

이 개념을 정리해서 도식화 해주면 다음과 같다.

=

Queue Runner 는 여러개의 쓰레드 (T)를 가지고 있고, 이 쓰레드들은 Coordinator들에 의해서 관리된다. Queue Runner 가 Queue에 데이타를 넣을때는 Enqueue_op이라는 operation에 의해 정의된 데로 데이타를 Queue에 집어 넣는다.

위의 개념을 코드로 구현해보자

import tensorflow as tf

QUEUE_LENGTH = 20

q = tf.FIFOQueue(QUEUE_LENGTH,"float")

enq_ops = q.enqueue_many(([1.0,2.0,3.0,4.0],) )

qr = tf.train.QueueRunner(q,[enq_ops,enq_ops,enq_ops])

sess = tf.Session()

# Create a coordinator, launch the queue runner threads.

coord = tf.train.Coordinator()

threads = qr.create_threads(sess, coord=coord, start=True)

for step in xrange(20):

   print(sess.run(q.dequeue()))

coord.request_stop()

coord.join(threads)

sess.close()

Queue 생성

tf.FIFOQUEUE를 이용해서 큐를 생성한다.

q = tf.FIFOQueue(QUEUE_LENGTH,"float")

첫번째 인자는 큐의 길이를 정하고, 두번째는 dtype으로 큐에 들어갈 데이타형을 지정한다.

Queue Runner 생성

다음은 Queue Runner를 만들기 위해서 enqueue_operation 과, QueueRunner를 생성한다.

enq_ops = q.enqueue_many(([1.0,2.0,3.0,4.0],) )

qr = tf.train.QueueRunner(q,[enq_ops,enq_ops,enq_ops])

enqueue operation인 enq_ops는 위와 같이 한번에 [1.0,2.0,3.0,4.0] 을 큐에 넣는 operation으로 지정한다.

그리고 Queue Runner를 정의하는데, 앞에 만든 큐에 데이타를 넣을것이기 때문에 인자로 큐 ‘q’를 넘기고 list 형태로 enq_ops를 3개를 넘긴다. 3개를 넘기는 이유는 Queue Runner가 멀티쓰레드 기반이기 때문에 각 쓰레드에서 Enqueue시 사용할 Operation을 넘기는 것으로, 3개를 넘긴것은 3개의 쓰레드에 Enqueue 함수를 각각 지정한 것이다.

만약 동일한 enqueue operation을 여러개의 쓰레드로 넘길 경우 위 코드처럼 일일이 enqueue operation을 쓸 필요 없이

qr = tf.train.QueueRunner(q,[enq_ops]*NUM_OF_THREAD)

[enq_ops] 에 쓰레드 수 (NUM_OF_THREAD)를 곱해주면 된다.

Coordinator 생성

이제 Queue Runner에서 사용할 쓰레드들을 관리할 Coordinator를 생성하자

coord = tf.train.Coordinator()

Queue Runner용 쓰레드 생성

Queue Runner와 쓰레드를 관리할 Coordinator 가 생성되었으면, Queue Runner에서 사용할 쓰레드들을 생성하자

threads = qr.create_threads(sess, coord=coord, start=True)

생성시에는 세션과, Coordinator를 지정하고, start=True로 해준다.

start=True로 설정하지 않으면, 쓰레드가 생성은 되었지만, 동작을 하지 않기 때문에, 큐에 메세지를 넣지 않는다.

큐 사용

이제 큐에서 데이타를 꺼내와 보자. 아래코드는 큐에서 20번 데이타를 꺼내와서 출력하는 코드이다.

for step in xrange(20):

   print(sess.run(q.dequeue()))

큐가 비워지면, QueueRunner를 이용하여 계속해서 데이타를 채워 넣는다. 즉 큐가 비기전에 계속해서 [1.0,2.0,3.0,4.0] 데이타가 큐에 계속 쌓인다.

쓰레드 정지

큐 사용이 끝났으면 Queue Runner의 쓰레드들을 모두 정지 시켜야 한다.

coord.request_stop()

을 이용하면 모든 쓰레드들을 정지 시킨다.

coord.join(threads)

는 다음 코드를 진행하기전에, Queue Runner의 모든 쓰레드들이 정지될때 까지 기다리는 코드이다.

멀티 쓰레드

Queue Runner가 멀티 쓰레드라고 하는데, 그렇다면 쓰레드들이 어떻게 데이타를 큐에 넣고 enqueue 연산은 어떻게 동작할까?

그래서, 간단한 테스트를 해봤다. 3개의 쓰레드를 만든 후에, 각 쓰레드에 따른 enqueue operation을 다르게 지정해봤다.

import tensorflow as tf

QUEUE_LENGTH = 20

q = tf.FIFOQueue(QUEUE_LENGTH,"float")

enq_ops1 = q.enqueue_many(([1.0,2.0,3.0],) )

enq_ops2 = q.enqueue_many(([4.0,5.0,6.0],) )

enq_ops3 = q.enqueue_many(([6.0,7.0,8.0],) )

qr = tf.train.QueueRunner(q,[enq_ops1,enq_ops2,enq_ops3])

sess = tf.Session()

# Create a coordinator, launch the queue runner threads.

coord = tf.train.Coordinator()

threads = qr.create_threads(sess, coord=coord, start=True)

for step in xrange(20):

   print(sess.run(q.dequeue()))

coord.request_stop()

coord.join(threads)

sess.close()

실행을 했더니, 다음과 같은 결과를 얻었다.

첫번째 실행 결과

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

6.0

7.0

8.0

두번째 실행결과

1.0

2.0

3.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

결과에서 보는것과 같이 Queue Runner의 3개의 쓰레드중 하나가 무작위로 (순서에 상관없이) 실행되서 데이타가 들어가는 것을 볼 수 있었다.

파일에서 데이타 읽기

자 그러면 이 큐를 이용해서, 파일 목록을 읽고, 파일을 열어서 학습 데이타를 추출해서 학습 파이프라인에 데이타를 넣어주면 된다.

텐서 플로우에서는 파일에서 데이타를 읽는 처리를 위해서 앞에서 설명한 큐 뿐만 아니라 Reader와 Decoder와 같은 부가적인 기능을 제공한다.

1. 파일 목록을 읽는다.

2. 읽은 파일목록을 filename queue에 저장한다.

3. Reader 가 finename queue 에서 파일명을 하나씩 읽어온다.

4. Decoder에서 해당 파일을 열어서 데이타를 읽어들인다.

5. 필요하면 읽어드린 데이타를 텐서플로우 모델에 맞게 정재한다. (이미지를 리사이즈 하거나, 칼라 사진을 흑백으로 바꾸거나 하는 등의 작업)

6. 텐서 플로우에 맞게 정재된 학습 데이타를 학습 데이타 큐인 Example Queue에 저장한다.

7. 모델에서 Example Queue로 부터 학습 데이타를 읽어서 학습을 한다.

먼저 파일 목록을 읽는 부분은 파일 목록을 읽어서 각 파일명을  큐에 넣은 부분을 살펴보자.

다음 예제코드는 파일명 목록을 받은 후에, filename queue에 파일명을 넣은후에, 파일명을 하나씩 꺼내는 예제이다.

import tensorflow as tf

filename_queue = tf.train.string_input_producer(["1","2","3"],shuffle=False)

with tf.Session() as sess:

   

   coord = tf.train.Coordinator()

   threads = tf.train.start_queue_runners(coord=coord,sess=sess)

   

   for step in xrange(10):

       print(sess.run(filename_queue.dequeue()) )

   coord.request_stop()

   coord.join(threads)

코드를 보면 큐 생성이나, enqueue operation 처리들이 다소 다른것을 볼 수 있는데, 이는 텐서플로우에서는  학습용 파일 목록을 편리하게 처리 하기 위해서 조금 더 추상화된 함수들을 제공하기 때문이다.

filename_queue = tf.train.string_input_producer(["1","2","3"],shuffle=False)

train.xx_input_producer() 함수는 입력 받은 큐를 만드는 역할을 한다.

위의 명령을 수행하면, filename queue 가 FIFO (First In First Out)형태로 생긴다.

큐가 생기기는 하지만, 실제로 큐에 파일명이 들어가지는 않는다. (아직 Queue Runner와 쓰레드들을 생성하지 않았기 때문에)

다음으로 쓰레드를 관리하기 위한 Coordinator 를 생성한다.

   coord = tf.train.Coordinator()

Coordinator 가 생성이 되었으면 Queue Runner와 Queue Runner에서 사용할 Thread들을 생성해주는데,  start_queue_runner 라는 함수로, 이 기능들을 모두 구현해놨다.

   threads = tf.train.start_queue_runners(coord=coord,sess=sess)

이 함수는 Queue Runner와, 쓰레드 생성 및 시작 뿐 만 아니라 Queue Runner 쓰레드가 사용하는 enqueue operation 까지 파일형태에 맞춰서 자동으로 생성 및 지정해준다.

Queue, Queue Runner, Coordinator와 Queue Runner가 사용할 쓰레드들이 생성되고 시작되었기 때문에,Queue Runner는 filename queue에 파일명을 enqueue 하기 시작한다.

파일명 Shuffling

위의 예제를 실행하면 파일명이 다음과 같이 1,2,3 이 순차적으로 반복되서 나오는 것을 볼 수 있다.

실행 결과

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

만약에 파일명을 랜덤하게 섞어서 나오게 하려면 어떻게해야 할까? (매번 학습시 학습데이타가 일정 패턴으로 몰려서 편향되지 않고, 랜덤하게 나와서 학습 효과를 높이고자 할때)

filename_queue = tf.train.string_input_producer(["1","2","3"],shuffle=False)

큐를 만들때, 다음과 같이 셔플 옵션을 True로 주면 된다.

filename_queue = tf.train.string_input_producer(["1","2","3"],shuffle=True)

실행 결과

2

1

3

2

3

1

2

3

1

1

지금까지 파일명을 지정해서 이 파일명들을 filename queue에 넣는 방법에 대해서 알아보았다.

다음은 이 file name queue에서 파일을 순차적으로 꺼내서

• 파일을 읽어드리고

• 각 파일을 파싱해서 학습 데이타를 만들고

• 학습 데이타용 큐 (example queue)에 넣는 방법

에 대해서 설명하도록 한다.