通过C#/.NET API使用CNTK

2017/10/8 18:45:01 人评论 次浏览 分类:C#

(原文)CNTK v2.2.0提供C#API来建立、训练和评估CNTK模型。 本节概要介绍了CNTK C#API。 在CNTK github respository中可以找到C#训练示例。

使用C#/ .NET管理API构建深层神经网络

CNTK C#API 通过CNTKLib命名空间提供基本操作。 CNTK操作需要一个或两个具有必要参数的输入变量,并产生一个CNTK函数。 CNTK函数将输入数据映射到输出。 CNTK函数也可以被视为可变量,并被作为另一个CNTK操作的输入。 通过这种机制,可以通过链接和组合来构建具有基本CNTK操作的深层神经网络。 举个例子:

private static Function CreateLogisticModel(Variable input, int numOutputClasses)
{             
    Parameter bias = new Parameter(new int[]{numOutputClasses}, DataType.Float, 0}
    Parameter weights = new Parameter(new int[]{input.Shape[0], numOutputClasses}, DataType.Float,        
      CNTKLib.GlorotUniformInitializer( 
        CNTKLib.DefaultParamInitScale, 
        CNTKLib.SentinelValueForInferParamInitRank, 
        CNTKLib.SentinelValueForInferParamInitRank, 1));
    var z = CNTKLib.Plus(bias, CNTKLib.Times(weights, input));    
    Function logisticClassifier = CNTKLib.Sigmoid(z, "LogisticClassifier");
    return logisticClassifier;
}

CNTKLib.Plus,CNTKLib.Times,CNTKLib.Sigmoid是基本的CNTK操作。 输入参数可以是表示数据特征的CNTK变量。 它也可能是另一个CNTK函数。 该代码构建了一个简单的计算网络,其参数在训练阶段进行调整,以创建一个像样的多类分类器(multi-class classifier)。

CNTK C#API提供了构建卷积神经网络(CNN)和复发神经网络(RNN)的选项。 例如,构建一个2层CNN图像分类器:

var convParams1 = new Parameter(
      new int[] { kernelWidth1, kernelHeight1, numInputChannels, outFeatureMapCount1 }, 
      DataType.Float, CNTKLib.GlorotUniformInitializer(convWScale, -1, 2), device);
    var convFunction1 = CNTKLib.ReLU(CNTKLib.Convolution(
      convParams1, input, 
      new int[] { 1, 1, numInputChannels } ));
    var pooling1 = CNTKLib.Pooling(convFunction1, PoolingType.Max,
        new int[] { poolingWindowWidth1, poolingWindowHeight1 }, new int[] { hStride1, vStride1 }, new bool[] { true });

    var convParams2 = new Parameter(
      new int[] { kernelWidth2, kernelHeight2, outFeatureMapCount1, outFeatureMapCount2 }, 
      DataType.Float, CNTKLib.GlorotUniformInitializer(convWScale, -1, 2), device);
    var convFunction2 = CNTKLib.ReLU(CNTKLib.Convolution(
      convParams2, pooling1, 
      new int[] { 1, 1, outFeatureMapCount1 } ));
    var pooling2 = CNTKLib.Pooling(convFunction2, PoolingType.Max,
        new int[] { poolingWindowWidth2, poolingWindowHeight2 }, new int[] { hStride2, vStride2 }, new bool[] { true });

    var imageClassifier = TestHelper.Dense(pooling2, numClasses, device, Activation.None,   "ImageClassifier");

还提供了构建具有长短时内存(LSTM)的RNN的示例。

通过C#/.NET准备数据

CNTK提供用于训练的数据准备工具。 CNTK C#API公开了这些工具。 它可以接受各种预处理形式的数据。 数据的加载和批处理数据非常高效。 例如,假定我们有以下称为“Train.ctf”的CNTK文本格式的数据:

|features 3.854499 4.163941 |labels 1.000000
|features 1.058121 1.204858 |labels 0.000000
|features 1.870621 1.284107 |labels 0.000000
|features 1.134650 1.651822 |labels 0.000000
|features 5.420541 4.557660 |labels 1.000000
|features 6.042731 3.375708 |labels 1.000000
|features 5.667109 2.811728 |labels 1.000000
|features 0.232070 1.814821 |labels 0.000000

一个CNTK数据源会以这种方式被创建:

var minibatchSource = MinibatchSource.TextFormatMinibatchSource(
        Path.Combine(DataFolder, "Train.ctf"), streamConfigurations,
        MinibatchSource.InfinitelyRepeat, true);

批处理数据可以在训练的时候专业被检索和使用:

var minibatchData = minibatchSource.GetNextMinibatch(minibatchSize, device);

使用C#/ .NET托管API训练深层神经网络

随机梯度下降(SGD)是利用小型训练数据优化模型参数的一种方法。 CNTK支持许多在深入学习文献中常见的SGD变体。 它们通过CNTK C#API公开: 

  • SGDLearner - 一个内置CNTK SGD学习器
  • MomentumSGDLearner - 内置CNTK动量SGD学习器
  • FSAdaGradLearner - AdaGrad learner的变体
  • AdamLearner -  Adam learner
  • AdaGradLearner - 自适应梯度学习器
  • RMSPropLearner - RMSProp学习器
  • AdaDeltaLearner - AdaDelta学习器

有关不同学习优化器的一般概述,请参阅随机梯度下降Stochastic gradient descent.

CNTK训练器用来进行minibatch训练。以下是minibatch训练的一段C#diamante片段:

// build a learning model
    var featureVariable = Variable.InputVariable(new int[] { inputDim }, DataType.Float);
    var labelVariable = Variable.InputVariable(new int[] { numOutputClasses }, DataType.Float);
    var classifierOutput = CreateLinearModel(featureVariable, numOutputClasses, device);
    var loss = CNTKLib.CrossEntropyWithSoftmax(classifierOutput, labelVariable);
    var evalError = CNTKLib.ClassificationError(classifierOutput, labelVariable);

    // prepare for training
    var learningRatePerSample = new CNTK.TrainingParameterScheduleDouble(0.02, 1);
    var parameterLearners =
        new List<Learner>() { Learner.SGDLearner(classifierOutput.Parameters(), learningRatePerSample) };
    var trainer = Trainer.CreateTrainer(classifierOutput, loss, evalError, parameterLearners);

    int minibatchSize = 64;
    int numMinibatchesToTrain = 1000;

    // train the model
    for (int minibatchCount = 0; minibatchCount < numMinibatchesToTrain; minibatchCount++)
    {
        Value features, labels;
        GenerateValueData(minibatchSize, inputDim, numOutputClasses, out features, out labels, device);
        trainer.TrainMinibatch(
            new Dictionary<Variable, Value>() { { featureVariable, features }, { labelVariable, labels } }, device);
        TestHelper.PrintTrainingProgress(trainer, minibatchCount, 50);
    }

这段代码使用了一个每个样本学习率为0.02的CNTK内置SGD学习器, 学习器用来为模型参数做优化。 训练器与学习器一同创建,一个是loss函数,一个是评估函数。 在每次训练迭代期间,将小批量数据送给训练器以更新模型参数。 训练期间,训练耗损和评估误差由辅助方法显示。
在代码中,我们生成了两类统计分离的标签和特征数据。 在其他更实际的例子中,公共测试数据加载了CNTK MinibatchSource。

使用C#/.NET托管API评估深度神经网络

C# API具有评估API来进行模型评估。多数训练示例在训练之后需要进行模型评估。 

开始使用C#训练示例

看完这个概述之后,可以通过两种方法继续C#培训示例:使用GitHub的CNTK源或使用CNTK NuGet for Windows处理CNTK示例。

通过CNTK源码

  • 在windows下通过此页的步骤来建立CNTK
  • 通过VS编译CNTK.sln
  • 准备示例数据
  • 在CNTKLibraryCSTrainingTest.csproj中运行示例作为端到端测试

通过CNTK NuGet获取CNTK示例

  • 下载CNTK C#训练示例 examples
  • 准备示例数据.
  • 构建并运行示例

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