연예인 얼굴 인식 모델을 만들어보자 - #2. CNN 모델을 만들고 학습시켜 보자

빅데이타/머신러닝 | 2017.06.15 23:37 | Posted by 조대협

연예인 얼굴 인식 모델을 만들어보자

#2 CNN 모델을 만들고 학습 시켜보기

조대협 (http://bcho.tistroy.com)

선행 학습 자료

이 글은 딥러닝 컨볼루셔널 네트워크 (이하 CNN)을 이용하여 사람의 얼굴을 인식하는 모델을 만드는 튜토리얼이다. 이 글을 이해하기 위해서는 머신러닝과 컨볼루셔널 네트워크등에 대한 사전 지식이 필요한데, 사전 지식이 부족한 사람은 아래 글을 먼저 읽어보기를 추천한다.

머신러닝의 개요 http://bcho.tistory.com/1140

머신러닝의 기본 원리는 http://bcho.tistory.com/1139

이산 분류의 원리에 대해서는 http://bcho.tistory.com/1142

인공 신경망에 대한 개념은 http://bcho.tistory.com/1147

컨볼루셔널 네트워크에 대한 개념 http://bcho.tistory.com/1149

학습용 데이타 전처리 http://bcho.tistory.com/1176

학습용 데이타 전처리를 스케일링 하기 http://bcho.tistory.com/1177

손글씨를 CNN을 이용하여 인식하는 모델 만들기 http://bcho.tistory.com/1156

손글씨 인식 CNN 모델을 이용하여 숫자 인식 하기 http://bcho.tistory.com/1157

환경

본 예제는 텐서플로우 1.1과 파이썬 2.7 그리고 Jupyter 노트북 환경 및 구글 클라우드를 사용하여 개발되었다.

준비된 데이타

학습에 사용한 데이타는 96x96 사이즈의 얼굴 이미지로, 총 5명의 사진(안젤리나 졸리, 니콜키드만, 제시카 알바, 빅토리아 베컴,설현)을 이용하였으며, 인당 학습 데이타 40장 테스트 데이타 10장으로 총 250장의 얼굴 이미지를 사용하였다.

사전 데이타를 준비할때, 정면 얼굴을 사용하였으며, 얼굴 각도 변화 폭이 최대한 적은 이미지를 사용하였다. (참고 : https://www.slideshare.net/Byungwook/ss-76098082 ) 만약에 이 모델로 학습이 제대로 되지 않는다면 학습에 사용된 데이타가 적절하지 않은것이기 때문에 데이타를 정재해서 학습하기를 권장한다.

데이타 수집 및 정재 과정에 대한 내용은 http://bcho.tistory.com/1177 를 참고하기 바란다.

컨볼루셔널 네트워크 모델

얼굴 인식을 위해서, 머신러닝 모델 중 이미지 인식에 탁월한 성능을 보이는 CNN 모델을 사용하였다. 테스트용 모델이기 때문에 모델은 복잡하지 않게 설계하였다.

학습과 예측에 사용되는 이미지는 96x96픽셀의 RGB 컬러 이미지를 사용하였다.

아래 그림과 같은 모델을 사용했는데, 총 4개의 Convolutional 계층과, 2개의 Fully connected 계층, 하나의 Dropout 계층을 사용하였다.

Convolutional 계층의 크기는 각각 16,32,64,128개를 사용하였고, 사용된 Convolutional 필터의 사이즈는 3x3 이다.

Fully connected 계층은 각각 512, 1024를 사용하였고 Dropout 계층에서는 Keep_prob값을 0.7로 둬서 30%의 뉴론이 drop out 되도록 하여 학습을 진행하였다.

학습 결과 5개의 카테고리에 대해서 총 200장의 이미지로 맥북 프로 i7 CPU 기준 7000 스텝정도의 학습을 진행한 결과 테스트 정확도 기준 90% 정도의 정확도를 얻을 수 있었다.

코드 설명

텐서플로우로 구현된 코드를 살펴보자

파일에서 데이타 읽기

먼저 학습 데이타를 읽어오는 부분이다.

학습과 테스트에서 읽어드리는 데이타의 포맷은 다음과 같다

/Users/terrycho/training_data_class5_40/validate/s1.jpg,Sulhyun,3

이미지 파일 경로, 사람 이름 , 숫자 라벨

파일에서 데이타를 읽어서 처리 하는 함수는 read_data_batch(), read_data(), get_input_queue() 세가지 함수가 사용된다.

get_input_queue() 함수는 CSV 파일을 한줄씩 읽어서, 파일 경로 및 숫자 라벨 두가지를 리턴할 수 있는 큐를 만들어서 리턴한다.
read_data() 함수는 get_input_queue()에서 리턴한 큐로 부터 데이타를 하나씩 읽어서 리턴한다.
read_batch_data()함수는 read_data() 함수를 이용하여, 데이타를 읽어서 일정 단위(배치)로 묶어서 리턴을 하고, 그 과정에서 이미지 데이타를 뻥튀기 하는 작업을 한다.

즉 호출 구조는 다음과 같다.

read_batch_data():

→ Queue = get_input_queue()

→ image,label = read_data(Queue)

→ image_data = 이미지 데이타 뻥튀기

Return image_data,label

실제 코드를 보자

get_input_queue

get_input_queue() 함수는 CSV 파일을 읽어서 image와 labels을 리턴하는 input queue를 만들어서 리턴하는 함수이다.

def get_input_queue(csv_file_name,num_epochs = None):

train_images = []

train_labels = []

for line in open(csv_file_name,'r'):

cols = re.split(',|\n',line)

train_images.append(cols[0])

# 3rd column is label and needs to be converted to int type

train_labels.append(int(cols[2]) )

input_queue = tf.train.slice_input_producer([train_images,train_labels],

num_epochs = num_epochs,shuffle = True)

return input_queue

CSV 파일을 순차적으로 읽은 후에, train_images와 train_labels라는 배열에 넣은 다음 tf.train.slice_input_producer를 이용하여 큐를 만들어냈다. 이때 중요한 점은 shuffle=True라는 옵션을 준것인데, 만약에 이 옵션을 주지 않으면, 학습 데이타를 큐에서 읽을때 CSV에서 읽은 순차적으로 데이타를 리턴한다. 즉 현재 데이타 포맷은 Jessica Alba가 40개, Jolie 가 40개, Nicole Kidman이 40개 .. 식으로 순서대로 들어가 있기 때문에, Jessica Alba를 40개 리턴한 후 Jolie를 40개 리턴하는 식이 된다. 이럴 경우 Convolutional 네트워크가 Jessica Alba에 치우쳐지기 때문에 제대로 학습이 되지 않는다. Shuffle은 필수이다.

read_data()

input_queue에서 데이타를 읽는 부분인데 특이한 점은 input_queue에서 읽어드린 이미지 파일명의 파일을 읽어서 데이타 객체로 저장해야 한다. 텐서플로우에서는 tf.image.decode_jpeg, tf.image.decode_png 등을 이용하여 이러한 기능을 제공한다.

def read_data(input_queue):

image_file = input_queue[0]

label = input_queue[1]

image = tf.image.decode_jpeg(tf.read_file(image_file),channels=FLAGS.image_color)

return image,label,image_file

read_data_batch()

마지막으로 read_data_batch() 함수 부분이다.get_input_queue에서 읽은 큐를 가지고 read_data함수에 넣어서 이미지 데이타와 라벨을 읽어서 리턴하는 값을 받아서 일정 단위로 (배치) 묶어서 리턴하는 함수이다. 중요한 부분이 데이타를 뻥튀기 하는 부분이 있다.

이 모델에서 학습 데이타가 클래스당 40개 밖에 되지 않기 때문에 학습데이타가 부족하다. 그래서 여기서 사용한 방법은 read_data에서 리턴된 이미지 데이타에 대해서 tf.image.random_xx 함수를 이용하여 좌우를 바꾸거나, brightness,contrast,hue,saturation 함수를 이용하여 매번 색을 바꿔서 리턴하도록 하였다.

def read_data_batch(csv_file_name,batch_size=FLAGS.batch_size):

input_queue = get_input_queue(csv_file_name)

image,label,file_name= read_data(input_queue)

image = tf.reshape(image,[FLAGS.image_size,FLAGS.image_size,FLAGS.image_color])

# random image

image = tf.image.random_flip_left_right(image)

image = tf.image.random_brightness(image,max_delta=0.5)

image = tf.image.random_contrast(image,lower=0.2,upper=2.0)

image = tf.image.random_hue(image,max_delta=0.08)

image = tf.image.random_saturation(image,lower=0.2,upper=2.0)

batch_image,batch_label,batch_file = tf.train.batch([image,label,file_name],batch_size=batch_size)

#,enqueue_many=True)

batch_file = tf.reshape(batch_file,[batch_size,1])

batch_label_on_hot=tf.one_hot(tf.to_int64(batch_label),

FLAGS.num_classes, on_value=1.0, off_value=0.0)

return batch_image,batch_label_on_hot,batch_file

그리고 마지막 부분에 label을 tf.one_hot을 이용해서 변환한것을 볼 수 있는데, 입력된 label은 0,1,2,3,4 과 같은 단일 정수이다. 그런데, CNN에서 나오는 결과는 정수가 아니라 클래스가 5개인 (분류하는 사람이 5명이기 때문에) 행렬이다. 즉 Jessica Alba일 가능성이 90%이고, Jolie일 가능성이 10%이면 결과는 [0.9,0.1,0,0,0] 식으로 리턴이 되기 때문에, 입력된 라벨 0은 [1,0,0,0,0], 라벨 1은 [0,1,0,0,0] 라벨 2는 [0,0,1,0,0] 식으로 변환되어야 한다. tf.one_hot 이라는 함수가 이 기능을 수행해준다.

모델 코드

모델은 앞서 설명했듯이 4개의 Convolutional 계층과, 2개의 Fully connected 계층 그리고 Dropout 계층을 사용한다. 각각의 계층별로는 코드가 다르지 않고 인지만 다르니 하나씩 만 설명하도록 한다.

Convolutional 계층

아래 코드는 두번째 Convolutional 계층의 코드이다.

FLAGS.conv2_layer_size 는 이 Convolutional 계층의 뉴런의 수로 32개를 사용한다.
FLAGS.conv2_filter_size 는 필터 사이즈를 지정하는데, 3x3 을 사용한다.
FLAGS.stride2 = 1 는 필터의 이동 속도로 한칸씩 이동하도록 정의했다.

# convolutional network layer 2

def conv2(input_data):

FLAGS.conv2_filter_size = 3

FLAGS.conv2_layer_size = 32

FLAGS.stride2 = 1

with tf.name_scope('conv_2'):

W_conv2 = tf.Variable(tf.truncated_normal(

[FLAGS.conv2_filter_size,FLAGS.conv2_filter_size,FLAGS.conv1_layer_size,FLAGS.conv2_layer_size],

stddev=0.1))

b2 = tf.Variable(tf.truncated_normal(

[FLAGS.conv2_layer_size],stddev=0.1))

h_conv2 = tf.nn.conv2d(input_data,W_conv2,strides=[1,1,1,1],padding='SAME')

h_conv2_relu = tf.nn.relu(tf.add(h_conv2,b2))

h_conv2_maxpool = tf.nn.max_pool(h_conv2_relu

,ksize=[1,2,2,1]

,strides=[1,2,2,1],padding='SAME')

return h_conv2_maxpool

다음 Weight 값 W_conv2 와 Bias 값 b2를 지정한후에, 간단하게 tf.nn.conv2d 함수를 이용하면 2차원의 Convolutional 네트워크를 정의해준다. 다음 결과가 나오면 이 결과를 액티베이션 함수인 relu 함수에 넣은 후에, 마지막으로 max pooling 을 이용하여 결과를 뽑아낸다.

각 값의 의미에 대해서는 http://bcho.tistory.com/1149 의 컨볼루셔널 네트워크 개념 글을 참고하기 바란다.

같은 방법으로 총 4개의 Convolutional 계층을 중첩한다.

Fully Connected 계층

앞서 정의한 4개의 Convolutional 계층을 통과하면 다음 두개의 Fully Connected 계층을 통과하게 되는데 모양은 다음과 같다.

FLAGS.fc1_layer_size = 512 를 통하여 Fully connected 계층의 뉴런 수를 512개로 지정하였다.

# fully connected layer 1

def fc1(input_data):

input_layer_size = 6*6*FLAGS.conv4_layer_size

FLAGS.fc1_layer_size = 512

with tf.name_scope('fc_1'):

# 앞에서 입력받은 다차원 텐서를 fcc에 넣기 위해서 1차원으로 피는 작업

input_data_reshape = tf.reshape(input_data, [-1, input_layer_size])

W_fc1 = tf.Variable(tf.truncated_normal([input_layer_size,FLAGS.fc1_layer_size],stddev=0.1))

b_fc1 = tf.Variable(tf.truncated_normal(

[FLAGS.fc1_layer_size],stddev=0.1))

h_fc1 = tf.add(tf.matmul(input_data_reshape,W_fc1) , b_fc1) # h_fc1 = input_data*W_fc1 + b_fc1

h_fc1_relu = tf.nn.relu(h_fc1)

return h_fc1_relu

Fully connected 계층은 단순하게 relu(W*x + b) 함수이기 때문에 이 함수를 위와 같이 그대로 적용하였다.

마지막 계층

Fully connected 계층을 거쳐 나온 데이타는 Dropout 계층을 거친후에, 5개의 카테고리에 대한 확률로 결과를 내기 위해서 final_out 계층을 거치게 되는데, 이 과정에서 softmax 함수를 사용해야 하나, 학습 과정에서는 별도로 softmax 함수를 사용하지 않는다. softmax는 나온 결과의 합이 1.0이 되도록 값을 변환해주는 것인데, 학습 과정에서는 5개의 결과 값이 어떤 값이 나오던 가장 큰 값에 해당하는 것이 예측된 값이기 때문에, 그 값과 입력된 라벨을 비교하면 되기 때문이다.

즉 예를 들어 Jessica Alba일 확률이 100%면 실제 예측에서는 [1,0,0,0,0] 식으로 결과가 나와야 되지만, 학습 중는 Jessica Alaba 로 예측이 되었다고만 알면 되기 때문에 결과가 [1292,-0.221,-0.221,-0.221] 식으로 나오더라도 최대값만 찾으면 되기 때문에 별도로 softmax 함수를 적용할 필요가 없다. Softmax 함수는 연산 비용이 큰 함수이기 때문에 일반적으로 학습 단계에서는 적용하지 않는다.

마지막 계층의 코드는 다음과 같다.

# final layer

def final_out(input_data):

with tf.name_scope('final_out'):

W_fo = tf.Variable(tf.truncated_normal([FLAGS.fc2_layer_size,FLAGS.num_classes],stddev=0.1))

b_fo = tf.Variable(tf.truncated_normal(

[FLAGS.num_classes],stddev=0.1))

h_fo = tf.add(tf.matmul(input_data,W_fo) , b_fo) # h_fc1 = input_data*W_fc1 + b_fc1

# 최종 레이어에 softmax 함수는 적용하지 않았다.

return h_fo

전체 네트워크 모델 정의

이제 각 CNN의 각 계층을 함수로 정의 하였으면 각 계층을 묶어 보도록 하자. 묶는 법은 간단하다 앞 계층에서 나온 계층을 순서대로 배열하고 앞에서 나온 결과를 뒤의 계층에 넣는 식으로 묶으면 된다.

# build cnn_graph

def build_model(images,keep_prob):

# define CNN network graph

# output shape will be (*,48,48,16)

r_cnn1 = conv1(images) # convolutional layer 1

print ("shape after cnn1 ",r_cnn1.get_shape())

# output shape will be (*,24,24,32)

r_cnn2 = conv2(r_cnn1) # convolutional layer 2

print ("shape after cnn2 :",r_cnn2.get_shape() )

# output shape will be (*,12,12,64)

r_cnn3 = conv3(r_cnn2) # convolutional layer 3

print ("shape after cnn3 :",r_cnn3.get_shape() )

# output shape will be (*,6,6,128)

r_cnn4 = conv4(r_cnn3) # convolutional layer 4

print ("shape after cnn4 :",r_cnn4.get_shape() )

# fully connected layer 1

r_fc1 = fc1(r_cnn4)

print ("shape after fc1 :",r_fc1.get_shape() )

# fully connected layer2

r_fc2 = fc2(r_fc1)

print ("shape after fc2 :",r_fc2.get_shape() )

## drop out

# 참고 http://stackoverflow.com/questions/34597316/why-input-is-scaled-in-tf-nn-dropout-in-tensorflow

# 트레이닝시에는 keep_prob < 1.0 , Test 시에는 1.0으로 한다.

r_dropout = tf.nn.dropout(r_fc2,keep_prob)

print ("shape after dropout :",r_dropout.get_shape() )

# final layer

r_out = final_out(r_dropout)

print ("shape after final layer :",r_out.get_shape() )

return r_out

이 build_model 함수는 image 를 입력 값으로 받아서 어떤 카테고리에 속할지를 리턴하는 컨볼루셔널 네트워크이다. 중간에 Dropout 계층이 추가되어 있는데, tf.nn.dropout함수를 이용하면 간단하게 dropout 계층을 구현할 수 있다. r_fc2는 Dropout 계층 앞의 Fully Connected 계층에서 나온 값이고, 두번째 인자로 남긴 keep_prob는 Dropout 비율이다.

r_dropout = tf.nn.dropout(r_fc2,keep_prob)

print ("shape after dropout :",r_dropout.get_shape() )

모델 학습

데이타를 읽는 부분과 학습용 모델 정의가 끝났으면 실제로 학습을 시켜보자

def main(argv=None):

# define placeholders for image data & label for traning dataset

images = tf.placeholder(tf.float32,[None,FLAGS.image_size,FLAGS.image_size,FLAGS.image_color])

labels = tf.placeholder(tf.int32,[None,FLAGS.num_classes])

image_batch,label_batch,file_batch = read_data_batch(TRAINING_FILE)

먼저 학습용 모델에 넣기 위한 image 데이타를 읽어드릴 placeholder를 images로 정의하고, 다음으로 모델에 의해 계산된 결과와 비교하기 위해서 학습데이타에서 읽어드린 label 데이타를 저장하기 위한 placeholder를 labels로 정의한다. 다음 image_batch,label_batch,fle_batch 변수에 배치로 학습용 데이타를 읽어드린다. 그리고 dropout 계층에서 dropout 비율을 지정할 keep_prob를 place holder로 정의한다.

각 변수가 지정되었으면, build_model 함수를 호출하여, images 값과 keep_prob 값을 넘겨서 Convolutional 네트워크에 값을 넣도록 그래프를 정의하고 그 결과 값을 prediction으로 정의한다.

keep_prob = tf.placeholder(tf.float32) # dropout ratio

prediction = build_model(images,keep_prob)

# define loss function

loss = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits=prediction,labels=labels))

tf.summary.scalar('loss',loss)

#define optimizer

optimizer = tf.train.AdamOptimizer(FLAGS.learning_rate)

train = optimizer.minimize(loss)

중간 중간에 학습 과정을 시각화 하기 위해서 tf.summary.scalar 함수를 이용하여 loss 값을 저장하였다.

그래프 생성이 완료 되었으면, 학습에서 계산할 비용 함수를 정의한다. 비용함수는 sofrmax cross entopy 함수를 이용하여, 모델에 의해서 예측된 값 prediction 과, 학습 파일에서 읽어드린 label 값을 비교하여 loss 값에 저장한다.

그리고 이 비용 최적화 함수를 위해서 옵티마이져를 AdamOptimizer를 정의하여, loss 값을 최적화 하도록 하였다.

학습용 모델 정의와, 비용 함수, 옵티마이저 정의가 끝났으면 학습 중간 중간 학습된 모델을 테스트하기 위한 Validation 관련 항목등을 정의한다.

# for validation

#with tf.name_scope("prediction"):

validate_image_batch,validate_label_batch,validate_file_batch = read_data_batch(VALIDATION_FILE)

label_max = tf.argmax(labels,1)

pre_max = tf.argmax(prediction,1)

correct_pred = tf.equal(tf.argmax(prediction,1),tf.argmax(labels,1))

accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_pred,tf.float32))

tf.summary.scalar('accuracy',accuracy)

startTime = datetime.now()

학습용 데이타가 아니라 검증용 데이타를 VALIDATION_FILE에서 읽어서 데이타를 validate_image_batch,validate_label_batch,validate_file_batch에 저장한다. 다음, 정확도 체크를 위해서 학습에서 예측된 라벨값과, 학습 데이타용 라벨값을 비교하여 같은지 틀린지를 비교하고, 이를 가지고 평균을 내서 정확도 (accuracy)로 사용한다.

학습용 모델과, 테스트용 데이타 등이 준비되었으면 이제 학습을 시작한다.

학습을 시직하기 전에, 학습된 모델을 저장하기 위해서 tf.train.Saver()를 지정한다. 그리고, 그래프로 loss와 accuracy등을 저장하기 위해서 Summary write를 저장한다.

다음 tf.global_variable_initializer()를 수행하여 변수를 초기화 하고, queue에서 데이타를 읽기 위해서 tf.train.Corrdinator를 선언하고 tf.start_queue_runners를 지정하여, queue 러너를 실행한다.

#build the summary tensor based on the tF collection of Summaries

summary = tf.summary.merge_all()

with tf.Session(config=tf.ConfigProto(allow_soft_placement=True, log_device_placement=True)) as sess:

saver = tf.train.Saver() # create saver to store training model into file

summary_writer = tf.summary.FileWriter(FLAGS.log_dir,sess.graph)

init_op = tf.global_variables_initializer() # use this for tensorflow 0.12rc0

coord = tf.train.Coordinator()

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

sess.run(init_op)

변수 초기화와 세션이 준비되었기 때문에 이제 학습을 시작해보자. for 루프를 이용하여 총 10,000 스텝의 학습을 하도록 하였다.

for i in range(10000):

images_,labels_ = sess.run([image_batch,label_batch])

다음 image_batch와 label_batch에서 값을 읽어서 앞에서 정의한 모델에 넣고 train 그래프 (AdamOptimizer를 정의한)를 실행한다.

sess.run(train,feed_dict={images:images_,labels:labels_,keep_prob:0.7})

이때 앞에서 읽은 images_와, labels_ 데이타를 피딩하고 keep_prob 값을 0.7로 하여 30% 정도의 값을 Dropout 시킨다.

다음 10 스텝 마다 학습 상태를 체크하도록 하였다.

if i % 10 == 0:

now = datetime.now()-startTime

print('## time:',now,' steps:',i)

# print out training status

rt = sess.run([label_max,pre_max,loss,accuracy],feed_dict={images:images_

, labels:labels_

, keep_prob:1.0})

print ('Prediction loss:',rt[2],' accuracy:',rt[3])

위와 같이 loss 값과 accuracy 값을 받아서 출력하여 현재 모델의 비용 함수 값과 정확도를 측정하고

# validation steps

validate_images_,validate_labels_ = sess.run([validate_image_batch,validate_label_batch])

rv = sess.run([label_max,pre_max,loss,accuracy],feed_dict={images:validate_images_

, labels:validate_labels_

, keep_prob:1.0})

print ('Validation loss:',rv[2],' accuracy:',rv[3])

학습용 데이타가 아니라 위와 같이 테스트용 데이타를 피딩하여, 테스트용 데이타로 정확도를 검증한다. 이때 keep_prob를 1.0으로 해서 Dropout 없이 100% 네트워크를 활용한다.

if(rv[3] > 0.9):

Break

만약에 테스트 정확도가 90% 이상이면 학습을 멈춘다. 그리고 아래와 같이 Summary

# validation accuracy

summary_str = sess.run(summary,feed_dict={images:validate_images_

, labels:validate_labels_

, keep_prob:1.0})

summary_writer.add_summary(summary_str,i)

summary_writer.flush()

마지막으로 다음과 같이 학습이 다된 모델을 saver.save를 이용하여 저장하고, 사용된 리소스들을 정리한다.

saver.save(sess, 'face_recog') # save session

coord.request_stop()

coord.join(threads)

print('finish')

main()

이렇게 학습을 끝내면 본인의 경우 약 7000 스텝에서 테스트 정확도 91%로 끝난것을 확인할 수 있다.

아래는 텐서보드를 이용하여 학습 과정을 시각화한 내용이다.

코드는 공개가 가능하지만 학습에 사용한 데이타는 저작권 문제로 공유가 불가능하다. 약 200장의 사진만 제대로 수집을 하면 되기 때문에 각자 수집을 해서 학습을 도전해보는 것을 권장한다. (더 많은 인물에 대한 시도를 해보는것도 좋겠다.)

정리 하며

혹시나 이 튜토리얼을 따라하면서 학습 데이타를 공개할 수 있는 분들이 있다면 다른 분들에게도 많은 도움이 될것이라고 생각한다. 가능하면 데이타가 공개되었으면 좋겠다.

전체 코드는 https://github.com/bwcho75/facerecognition/blob/master/1.%2BFace%2BRecognition%2BTraining.ipynb 에 있다.

그리고 직접 사진을 수집해보면, 데이타 수집 및 가공이 얼마나 어려운지 알 수 있기 때문에 직접 한번 시도해보는 것도 권장한다. 아래는 크롬브라우져 플러그인으로 구글 검색에서 나온 이미지를 싹 긁을 수 있는 플러그인이다. Bulk Download Images (ZIG)

https://www.youtube.com/watch?v=k5ioaelzEBM

이 플러그인을 이용하면 손쉽게 특정 인물의 데이타를 수집할 수 있다.

다음 글에서는 학습이 끝난 데이타를 이용해서 실제로 예측을 해보는 부분에 대해서 소개하도록 하겠다.

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

빅데이타/머신러닝 | 2017.03.07 14:51 | Posted by 조대협

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

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.

파일 목록을 읽는다.
읽은 파일목록을 filename queue에 저장한다.
Reader 가 finename queue 에서 파일명을 하나씩 읽어온다.
Decoder에서 해당 파일을 열어서 데이타를 읽어들인다.
필요하면 읽어드린 데이타를 텐서플로우 모델에 맞게 정재한다. (이미지를 리사이즈 하거나, 칼라 사진을 흑백으로 바꾸거나 하는 등의 작업)
텐서 플로우에 맞게 정재된 학습 데이타를 학습 데이타 큐인 Example Queue에 저장한다.
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

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.

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딥러닝을 이용한 숫자 이미지 인식 #2/2-예측

빅데이타/머신러닝 | 2017.01.09 16:35 | Posted by 조대협

딥러닝을 이용한 숫자 이미지 인식 #2/2

앞서 MNIST 데이타를 이용한 필기체 숫자를 인식하는 모델을 컨볼루셔널 네트워크 (CNN)을 이용하여 만들었다. 이번에는 이 모델을 이용해서 필기체 숫자 이미지를 인식하는 코드를 만들어 보자

조금 더 테스트를 쉽게 하기 위해서, 파이썬 주피터 노트북내에서 HTML 을 이용하여 마우스로 숫자를 그릴 수 있도록 하고, 그려진 이미지를 어떤 숫자인지 인식하도록 만들어 보겠다.

모델 로딩

먼저 앞의 예제에서 학습을한 모델을 로딩해보도록 하자.

이 코드는 주피터 노트북에서 작성할때, 모델을 학습 시키는 코드 (http://bcho.tistory.com/1156) 와 별도의 새노트북에서 구현을 하도록 한다.

코드

import tensorflow as tf

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data

#이미 그래프가 있을 경우 중복이 될 수 있기 때문에, 기존 그래프를 모두 리셋한다.

tf.reset_default_graph()

num_filters1 = 32

x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 784])

x_image = tf.reshape(x, [-1,28,28,1])

# layer 1

W_conv1 = tf.Variable(tf.truncated_normal([5,5,1,num_filters1],

stddev=0.1))

h_conv1 = tf.nn.conv2d(x_image, W_conv1,

strides=[1,1,1,1], padding='SAME')

b_conv1 = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[num_filters1]))

h_conv1_cutoff = tf.nn.relu(h_conv1 + b_conv1)

h_pool1 =tf.nn.max_pool(h_conv1_cutoff, ksize=[1,2,2,1],

strides=[1,2,2,1], padding='SAME')

num_filters2 = 64

# layer 2

W_conv2 = tf.Variable(

tf.truncated_normal([5,5,num_filters1,num_filters2],

stddev=0.1))

h_conv2 = tf.nn.conv2d(h_pool1, W_conv2,

strides=[1,1,1,1], padding='SAME')

b_conv2 = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[num_filters2]))

h_conv2_cutoff = tf.nn.relu(h_conv2 + b_conv2)

h_pool2 =tf.nn.max_pool(h_conv2_cutoff, ksize=[1,2,2,1],

strides=[1,2,2,1], padding='SAME')

# fully connected layer

h_pool2_flat = tf.reshape(h_pool2, [-1, 7*7*num_filters2])

num_units1 = 7*7*num_filters2

num_units2 = 1024

w2 = tf.Variable(tf.truncated_normal([num_units1, num_units2]))

b2 = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[num_units2]))

hidden2 = tf.nn.relu(tf.matmul(h_pool2_flat, w2) + b2)

keep_prob = tf.placeholder(tf.float32)

hidden2_drop = tf.nn.dropout(hidden2, keep_prob)

w0 = tf.Variable(tf.zeros([num_units2, 10]))

b0 = tf.Variable(tf.zeros([10]))

k = tf.matmul(hidden2_drop, w0) + b0

p = tf.nn.softmax(k)

# prepare session

sess = tf.InteractiveSession()

sess.run(tf.global_variables_initializer())

saver = tf.train.Saver()

saver.restore(sess, '/Users/terrycho/anaconda/work/cnn_session')

print 'reload has been done'

그래프 구현

코드를 살펴보면, #prepare session 부분 전까지는 이전 코드에서의 그래프를 정의하는 부분과 동일하다. 이 코드는 우리가 만든 컨볼루셔널 네트워크를 복원하는 부분이다.

변수 데이타 로딩

그래프의 복원이 끝나면, 저장한 세션의 값을 다시 로딩해서 학습된 W와 b값들을 다시 로딩한다.

# prepare session

sess = tf.InteractiveSession()

sess.run(tf.global_variables_initializer())

saver = tf.train.Saver()

saver.restore(sess, '/Users/terrycho/anaconda/work/cnn_session')

이때 saver.restore 부분에서 앞의 예제에서 저장한 세션의 이름을 지정해준다.

HTML을 이용한 숫자 입력

그래프와 모델 복원이 끝났으면 이 모델을 이용하여, 숫자를 인식해본다.

테스트하기 편리하게 HTML로 마우스로 숫자를 그릴 수 있는 화면을 만들어보겠다.

주피터 노트북에서 새로운 Cell에 아래와 같은 내용을 입력한다.

코드

input_form = """

<table>

</div></td>

<button onclick="clear_value()">Clear</button>

</td>

</table>

"""

javascript = """

var pixels = [];

for (var i = 0; i < 28*28; i++) pixels[i] = 0

var click = 0;

var canvas = document.querySelector("canvas");

canvas.addEventListener("mousemove", function(e){

if (e.buttons == 1) {

click = 1;

canvas.getContext("2d").fillStyle = "rgb(0,0,0)";

canvas.getContext("2d").fillRect(e.offsetX, e.offsetY, 8, 8);

x = Math.floor(e.offsetY * 0.2)

y = Math.floor(e.offsetX * 0.2) + 1

for (var dy = 0; dy < 2; dy++){

for (var dx = 0; dx < 2; dx++){

if ((x + dx < 28) && (y + dy < 28)){

pixels[(y+dy)+(x+dx)*28] = 1

}

} else {

if (click == 1) set_value()

click = 0;

}

});

function set_value(){

var result = ""

for (var i = 0; i < 28*28; i++) result += pixels[i] + ","

var kernel = IPython.notebook.kernel;

kernel.execute("image = [" + result + "]");

}

function clear_value(){

canvas.getContext("2d").fillStyle = "rgb(255,255,255)";

canvas.getContext("2d").fillRect(0, 0, 140, 140);

for (var i = 0; i < 28*28; i++) pixels[i] = 0

}

</script>

"""

다음 새로운 셀에서, 다음 코드를 입력하여, 앞서 코딩한 HTML 파일을 실행할 수 있도록 한다.

from IPython.display import HTML

HTML(input_form + javascript)

이제 앞에서 만든 두 셀을 실행시켜 보면 다음과 같이 HTML 기반으로 마우스를 이용하여 숫자를 입력할 수 있는 박스가 나오는것을 확인할 수 있다.

입력값 판정

앞의 HTML에서 그린 이미지는 앞의 코드의 set_value라는 함수에 의해서, image 라는 변수로 784 크기의 벡터에 저장된다. 이 값을 이용하여, 이 그림이 어떤 숫자인지를 앞서 만든 모델을 이용해서 예측을 해본다.

코드

p_val = sess.run(p, feed_dict={x:[image], keep_prob:1.0})

fig = plt.figure(figsize=(4,2))

pred = p_val[0]

subplot = fig.add_subplot(1,1,1)

subplot.set_xticks(range(10))

subplot.set_xlim(-0.5,9.5)

subplot.set_ylim(0,1)

subplot.bar(range(10), pred, align='center')

plt.show()

예측

예측을 하는 방법은 쉽다. 이미지 데이타가 image 라는 변수에 들어가 있기 때문에, 어떤 숫자인지에 대한 확률을 나타내는 p 의 값을 구하면 된다.

p_val = sess.run(p, feed_dict={x:[image], keep_prob:1.0})

를 이용하여 x에 image를 넣고, 그리고 dropout 비율을 0%로 하기 위해서 keep_prob를 1.0 (100%)로 한다. (예측이기 때문에 당연히 dropout은 필요하지 않다.)

이렇게 하면 이 이미지가 어떤 숫자인지에 대한 확률이 p에 저장된다.

그래프로 표현

그러면 이 p의 값을 찍어 보자

fig = plt.figure(figsize=(4,2))

pred = p_val[0]

subplot = fig.add_subplot(1,1,1)

subplot.set_xticks(range(10))

subplot.set_xlim(-0.5,9.5)

subplot.set_ylim(0,1)

subplot.bar(range(10), pred, align='center')

plt.show()

그래프를 이용하여 0~9 까지의 숫자 (가로축)일 확률을 0.0~1.0 까지 (세로축)으로 출력하게 된다.

다음은 위에서 입력한 숫자 “4”를 인식한 결과이다.

(보너스) 첫번째 컨볼루셔널 계층 결과 출력

컨볼루셔널 네트워크를 학습시키다 보면 종종 컨볼루셔널 계층을 통과하여 추출된 특징 이미지들이 어떤 모양을 가지고 있는지를 확인하고 싶을때가 있다. 그래서 각 필터를 통과한 값을 이미지로 출력하여 확인하고는 하는데, 여기서는 이렇게 각 필터를 통과하여 인식된 특징이 어떤 모양인지를 출력하는 방법을 소개한다.

아래는 우리가 만든 네트워크 중에서 첫번째 컨볼루셔널 필터를 통과한 결과 h_conv1과, 그리고 이 결과에 bias 값을 더하고 활성화 함수인 Relu를 적용한 결과를 출력하는 예제이다.

코드

conv1_vals, cutoff1_vals = sess.run(

[h_conv1, h_conv1_cutoff], feed_dict={x:[image], keep_prob:1.0})

fig = plt.figure(figsize=(16,4))

for f in range(num_filters1):

subplot = fig.add_subplot(4, 16, f+1)

subplot.set_xticks([])

subplot.set_yticks([])

subplot.imshow(conv1_vals[0,:,:,f],

cmap=plt.cm.gray_r, interpolation='nearest')

plt.show()

x에 image를 입력하고, dropout을 없이 모든 네트워크를 통과하도록 keep_prob:1.0으로 주고, 첫번째 컨볼루셔널 필터를 통과한 값 h_conv1 과, 이 값에 bias와 Relu를 적용한 값 h_conv1_cutoff를 계산하였다.

conv1_vals, cutoff1_vals = sess.run(

[h_conv1, h_conv1_cutoff], feed_dict={x:[image], keep_prob:1.0})

첫번째 필터는 총 32개로 구성되어 있기 때문에, 32개의 결과값을 imshow 함수를 이용하여 흑백으로 출력하였다.

다음은 bias와 Relu를 통과한 값인 h_conv_cutoff를 출력하는 예제이다. 위의 코드와 동일하며 subplot.imgshow에서 전달해주는 인자만 conv1_vals → cutoff1_vals로 변경되었다.

코드

fig = plt.figure(figsize=(16,4))

for f in range(num_filters1):

subplot = fig.add_subplot(4, 16, f+1)

subplot.set_xticks([])

subplot.set_yticks([])

subplot.imshow(cutoff1_vals[0,:,:,f],

cmap=plt.cm.gray_r, interpolation='nearest')

plt.show()

출력 결과는 다음과 같다

이제까지 컨볼루셔널 네트워크를 이용한 이미지 인식을 텐서플로우로 구현하는 방법을 MNIST(필기체 숫자 데이타)를 이용하여 구현하였다.

실제로 이미지를 인식하려면 전체적인 흐름은 같지만, 이미지를 전/후처리 해내야 하고 또한 한대의 머신이 아닌 여러대의 머신과 GPU와 같은 하드웨어 장비를 사용한다. 다음 글에서는 MNIST가 아니라 실제 칼라 이미지를 인식하는 방법에 대해서 데이타 전처리에서 부터 서비스까지 전체 과정에 대해서 설명하도록 하겠다.

예제 코드 : https://github.com/bwcho75/tensorflowML/blob/master/MNIST_CNN_Prediction.ipynb

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파이어베이스 애널러틱스를 이용한 모바일 데이타 분석 #1-Hello Firebase

클라우드 컴퓨팅 & NoSQL/google cloud | 2016.08.29 17:43 | Posted by 조대협

파이어베이스 애널러틱스를 이용한 모바일 데이타 분석 #1-Hello Firebase

조대협 (http://bcho.tistory.com)

얼마전에 구글은 모바일 백앤드 플랫폼인 파이어베이스를 인수하고 이를 서비스로 공개하였다.

파이어 베이스는 모바일 백앤드의 종합 솔루션으로, 크래쉬 리포팅, 리모트 컨피그를 이용한 A/B 테스팅 플랫폼, 클라우드와 자동 동기화가 가능한 리얼타임 데이타 베이스, 사용자 인증 기능, 강력한 푸쉬 플랫폼 다양한 모바일 기기에 대해서 테스트를 해볼 수 있는 테스트랩 등, 모바일 앱 개발에 필요한 모든 서비스를 제공해주는 종합 패키지와 같은 플랫폼이라고 보면 된다. 안드로이드 뿐만 아니라 iOS까지 지원하여 모든 모바일 앱 개발에 공통적으로 사용할 수 있다.

그중에서 파이어베이스 애널러틱스 (Firebase analytics)는 모바일 부분은 모바일 앱에 대한 모든 이벤트를 수집 및 분석하여 자동으로 대쉬 보드를 통하여 분석을 가능하게 해준다.

이 글에서는 파이어베이스 전체 제품군중에서 파이어베이스 애널러틱스에 대해서 수회에 걸쳐서 설명을 하고자 한다.

파이어베이스 애널러틱스

이미 시장에는 모바일 앱에 대한 데이타 분석이 가능한 유료 또는 무료 제품이 많다.

대표적으로 야후의 flurry, 트위터 fabric, 구글 애널러틱스등이 대표적인 제품군인데, 그렇다면 파이어베이스가 애널러틱스가 가지고 있는 장단점은 무엇인가?

퍼널 분석 및 코호트 분석 지원

파이어베이스 애널러틱스는 데이타 분석 방법중에 퍼넬 분석과 코호트 분석을 지원한다.

퍼널 분석은 한글로 깔데기 분석이라고 하는데, 예를 들어 사용자가 가입한 후에, 쇼핑몰의 상품 정보를 보고 주문 및 결재를 하는 단계 까지 각 단계별로 사용자가 이탈하게 된다. 이 구조를 그려보면 깔데기 모양이 되는데,사용자 가입에서 부터 최종 목표인 주문 결재까지 이루도록 단계별로 이탈율을 분석하여 서비스를 개선하고, 이탈율을 줄이는데 사용할 수 있다.

코호트 분석은 데이타를 집단으로 나누어서 분석하는 방법으로 일일 사용자 데이타 (DAU:Daily Active User)그래프가 있을때, 일일 사용자가 연령별로 어떻게 분포가 되는지등을 나눠서 분석하여 데이타를 조금 더 세밀하게 분석할 수 있는 방법이다.

이러한 코호트 분석과 퍼넬 분석은 모바일 데이타 분석 플랫폼 중에서 일부만 지원하는데, 파이어베이스 애널러틱스는 퍼넬과 코호트 분석을 기본적으로 제공하고 있으며, 특히 코호트 분석으로 많이 사용되는 사용자 잔존율 (Retention 분석)의 경우 별다른 설정 없이도 기본으로 제공하고 있다.

<그림. 구글 파이어베이스의 사용자 잔존율 코호트 분석 차트>

출처 : https://support.google.com/firebase/answer/6317510?hl=en

무제한 앱 및 무제한 사용자 무료 지원

이러한 모바일 서비스 분석 서비스의 경우 사용자 수나 수집할 수 있는 이벤트 수나 사용할 수 있는 앱수에 제약이 있는데, 파이어베이스 애널러틱스의 경우에는 제약이 없다.

빅쿼리 연계 지원

가장 강력한 기능중의 하나이자, 이 글에서 주로 다루고자 하는 내용이 빅쿼리 연동 지원이다.

모바일 데이타 분석 서비스 플랫폼의 경우 대 부분 플랫폼 서비스의 형태를 띄기 때문에, 분석 플랫폼에서 제공해주는 일부 데이타만 볼 수 가 있고, 원본 데이타에 접근하는 것이 대부분 불가능 하다.

그래서 모바일 애플리케이션 서버에서 생성된 데이타나, 또는 광고 플랫폼등 외부 연동 플랫폼에서 온 데이타에 대한 연관 분석이 불가능하고, 원본 데이타를 통하여 여러가지 지표를 분석하는 것이 불가능하다.

파이어베이스 애널러틱스의 경우에는 구글의 데이타 분석 플랫폼이 빅쿼리 연동을 통하여 모든 데이타를 빅쿼리에 저장하여 간단하게 분석이 가능하다.

구글 빅쿼리에 대한 소개는 http://bcho.tistory.com/1116 를 참고하기 바란다.

구글의 빅쿼리는 아마존 S3나, 구글의 스토리지 서비스인 GCS 보다 저렴한 비용으로 데이타를 저장하면서도, 수천억 레코드에 대한 연산을 수십초만에 8~9000개의 CPU와 3~4000개의 디스크를 사용해서 끝낼만큼 어마어마한 성능을 제공하면서도, 사용료 매우 저렴하며 기존 SQL 문법을 사용하기 때문에, 매우 쉽게 접근이 가능하다.

모바일 데이타 분석을 쉽게 구현이 가능

보통 모바일 서비스에 대한 데이타 분석을 할때는 무료 서비스를 통해서 DAU나 세션과 같은 기본적인 정보 수집은 가능하지만, 추가적인 이벤트를 수집하여 저장 및 분석을 하거나 서버나 다른 시스템의 지표를 통합 분석 하는 것은 별도의 로그 수집 시스템을 모바일 앱과 서버에 만들어야 하였고, 이를 분석 및 저장하고 리포팅 하기 위해서 하둡이나 스파크와 같은 복잡한 빅데이타 기술을 사용하고 리포팅에도 많은 시간이 소요 되었다.

파이어베이스 애널러틱스를 이용하면, 손 쉽게, 추가 이벤트나 로그 정보를 기존의 로깅 프레임웍을 통하여 빅쿼리에 저장할 수 있고, 복잡한 하둡이나 스파크의 설치나 프로그래밍 없이 빅쿼리에서 간략하게 SQL만을 사용하여 분석을 하고 오픈소스 시각화 도구인 Jupyter 노트북이나 구글의 데이타스튜디오 (http://datastudio.google.com)을 통하여 시작화가 간단하기 때문에, 이제는 누구나 쉽게 빅데이타 로그를 수집하고 분석할 수 있게 된다.

실시간 데이타 분석은 지원하지 않음

파이어베이스 애널러틱스가 그러면 만능 도구이고 좋은 기능만 있는가? 그건 아니다. 파이어베이스 애널러틱스는 아직까지는 실시간 데이타 분석을 지원하고 있지 않다. 수집된 데이타는 보통 수시간이 지나야 대쉬 보드에 반영이 되기 때문에 현재 접속자나, 실시간 모니터링에는 적절하지 않다.

그래서 보완을 위해서 다른 모니터링 도구와 혼용해서 사용하는 게 좋다. 실시간 분석이 강한 서비스로는 트위터 fabric이나 Google analytics 등이 있다.

이러한 도구를 이용하여 데이타에 대한 실시간 분석을 하고, 정밀 지표에 대한 분석을 파이어베이스 애널러틱스를 사용 하는 것이 좋다.

파이어베이스 애널러틱스 적용해보기

백문이 불여일견이라고, 파이어베이스 애널러틱스를 직접 적용해보자.

https://firebase.google.com/ 사이트로 가서, 가입을 한 후에, “콘솔로 이동하기"를 통해서 파이어 베이스 콘솔로 들어가자.

프로젝트 생성하기

다음으로 파이어베이스 프로젝트를 생성한다. 상단 메뉴에서 “CREATE NEW PROJECT”를 선택하면 새로운 파이어 베이스 프로젝트를 생성할 수 있다. 만약에 기존에 사용하던 구글 클라우드 프로젝트등이 있으면 별도의 프로젝트를 생성하지 않고 “IMPORT GOOGLE PROJECT”를 이용하여 기존의 프로젝트를 불러와서 연결할 수 있다.

프로젝트가 생성되었으면 파이어베이스를 사용하고자 하는 앱을 등록해야 한다.

파이어베이스 화면에서 “ADD APP” 이라는 버튼을 누르면 앱을 추가할 수 있다.

아래는 앱을 추가하는 화면중 첫번째 화면으로 앱에 대한 기본 정보를 넣는 화면이다.

“Package name” 에, 파이어베이스와 연동하고자 하는 안드로이드 앱의 패키지 명을 넣는다.

ADD APP 버튼을 누르고 다음 단계로 넘어가면 google-services.json 이라는 파일이 자동으로 다운된다. 이 파일은 나중에 안드로이드 앱의 소스에 추가해야 하기 때문에 잘 보관한다.

Continue 버튼을 누르면 아래와 같이 다음 단계로 넘어간다. 다음 단계에서는 안드로이드 앱을 개발할때 파이어베이스를 연동하려면 어떻게 해야 하는지에 대한 가이드가 나오는데, 이 부분은 나중에 코딩 부분에서 설명할 예정이니 넘어가도록 하자.

자 이제 파이어베이스 콘솔에서, 프로젝트를 생성하고 앱을 추가하였다.

이제 연동을 할 안드로이드 애플리케이션을 만들어보자.

안드로이드 빌드 환경 설정

콘솔에서 앱이 추가되었으니, 이제 코드를 작성해보자, 아래 예제는 안드로이드 스튜디오 2.1.2 버전 (맥 OS 기준) 으로 작성되었다.

먼저 안드로이드 프로젝트를 생성하였다. 이때 반드시 안드로이드 프로젝트에서 앱 패키지 명은 앞에 파이어베이스 콘솔에서 지정한 com.terry.hellofirebase가 되어야 한다.

안드로이드 프로젝트에는 프로젝트 레벨의 build.gradle 파일과, 앱 레벨의 build.gradle 파일이 있는데

프로젝트 레벨의 build.gradle 파일에 classpath 'com.google.gms:google-services:3.0.0' 를 추가하여 다음과 같이 수정한다.

// Top-level build file where you can add configuration options common to all sub-projects/modules.

buildscript {

repositories {

jcenter()

}

dependencies {

classpath 'com.android.tools.build:gradle:2.1.2'

classpath 'com.google.gms:google-services:3.0.0'

// NOTE: Do not place your application dependencies here; they belong

// in the individual module build.gradle files

}

allprojects {

repositories {

jcenter()

}

task clean(type: Delete) {

delete rootProject.buildDir

}

다음으로, 앱레벨의 build.gradle 파일도 dependencies 부분에 compile 'com.google.firebase:firebase-core:9.4.0' 를 추가하고, 파일 맨 아래 apply plugin: 'com.google.gms.google-services' 를 추가 하여 아래와 같이 수정한다.

apply plugin: 'com.android.application'

android {

compileSdkVersion 24

buildToolsVersion "24.0.2"

defaultConfig {

applicationId "com.terry.hellofirebase"

minSdkVersion 16

targetSdkVersion 24

versionCode 1

versionName "1.0"

}

buildTypes {

release {

minifyEnabled false

proguardFiles getDefaultProguardFile('proguard-android.txt'), 'proguard-rules.pro'

}

dependencies {

compile fileTree(dir: 'libs', include: ['*.jar'])

testCompile 'junit:junit:4.12'

compile 'com.android.support:appcompat-v7:24.2.0'

compile 'com.google.firebase:firebase-core:9.4.0'

}

apply plugin: 'com.google.gms.google-services'

그리고 파이어베이스 콘솔에서 앱을 추가할때 다운된 google-services.json 파일을 app디렉토리에 복사한다.

이 예제의 경우에는 /Users/terrycho/AndroidStudioProjects/HelloFireBase에 프로젝트를 만들었기 때문에, /Users/terrycho/AndroidStudioProjects/HelloFireBase/app 디렉토리에 복사하였다.

Gradle 파일 수정이 끝나고, google-services.json 파일을 복사하였으면 안드로이드 스튜디오는 gradle 파일이 변경이 되었음을 인지하고 sync를 하도록 아래 그림과 같이 “Sync now”라는 버튼이 상단에 표시된다.

“Sync now”를 눌러서 프로젝트를 동기화 한다.

예제 코드 만들기

이제 안드로이드 스튜디오의 프로젝트 환경 설정이 완료되었다. 이제, 예제 코드를 만들어 보자.

이 예제 코드는 단순하게, 텍스트 박스를 통해서 아이템 ID,이름, 그리고 종류를 입력 받아서, 파이어베이스 애널러틱스에 이벤트를 로깅하는 예제이다.

파이어베이스 애널러틱스 서버로 로그를 보낼 것이기 때문에, AndroidManifest 파일에 아래와 같이 수정하여 INTERNET과 ACCESS_NETWORK_STATE 권한을 추가한다.

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"

package="com.terry.hellofirebase">

<uses-permission android:name="android.permission.INTERNET" />

<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_NETWORK_STATE" />

<application

android:allowBackup="true"

android:icon="@mipmap/ic_launcher"

android:label="@string/app_name"

android:supportsRtl="true"

android:theme="@style/AppTheme">

<intent-filter>

</intent-filter>

</activity>

</application>

</manifest>

다음으로 화면을 구성해야 하는데, 우리가 구성하려는 화면 레이아웃은 대략 다음과 같다.

각각의 EditText 컴포넌트는 tv_contentsId, tv_contentsName,tv_contentsCategory로 지정하였다.

위의 레이아웃을 정의한 activity_main.xml은 다음과 같다.

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

<RelativeLayout xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"

xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools"

android:layout_width="match_parent"

android:layout_height="match_parent"

android:paddingBottom="@dimen/activity_vertical_margin"

android:paddingLeft="@dimen/activity_horizontal_margin"

android:paddingRight="@dimen/activity_horizontal_margin"

android:paddingTop="@dimen/activity_vertical_margin"

tools:context="com.terry.hellofirebase.MainActivity">

<LinearLayout

android:orientation="vertical"

android:layout_width="match_parent"

android:layout_height="match_parent"

android:layout_alignParentLeft="true"

android:layout_alignParentStart="true">

<TextView

android:layout_width="wrap_content"