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機械学習は、データからパターンを自動的に発見し、そこから知能的な判断を下すためのコンピューターアルゴリズムを指します。人工知能における課題のひとつです。

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Pythonは、コードの読みやすさが特徴的なプログラミング言語の1つです。 強い型付け、動的型付けに対応しており、後方互換性がないバージョン2系とバージョン3系が使用されています。 商用製品の開発にも無料で使用でき、OSだけでなく仮想環境にも対応。Unicodeによる文字列操作をサポートしているため、日本語処理も標準で可能です。

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tf2.3でGANを作成すると、Dのlossが正しく計算されない。

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投稿2021/07/27 00:33

編集2021/07/27 04:04

tensorfow2.3.0でGANを作成しています。作成中に原因不明の現象に遭遇し、行き詰っています。
一行目はtf2.3のBatchNormについての記事をみて追加しました。が、今回の問題には関係ないようです。
###コード

Python

1BatchNormalization = tf.compat.v1.keras.layers.BatchNormalization 2def build_discriminator(input_shape): 3 input_ = Input(shape=input_shape) 4 5 a = Conv2D(32,kernel_size=4,strides=2,padding="same",activation="relu")(input_) 6 #1↓ 7 a = Conv2D(64,kernel_size=4,strides=2,padding="same")(a) 8 a = BatchNormalization()(a) 9 a = Activation("relu")(a) 10 #2↓ 11 a = Conv2D(128,kernel_size=4,strides=2,padding="same")(a) 12 a = BatchNormalization()(a) 13 a = Activation("relu")(a) 14 #3↓ 15 a = Conv2D(8,kernel_size=3)(a) 16 a = BatchNormalization()(a) 17 a = Activation("relu")(a) 18 19 a = Flatten()(a) 20 out = Dense(1,activation="sigmoid")(a) 21 22 return Model(input_,out) 23 24#compile時 25discriminator.compile(loss="mae",optimizer=Adam(0.0002,0.5)) 26discriminator.trainable = False 27comb_model = Model(generator.input,discriminator(generator.output)) 28comb_model.compile(loss="mae",optimizer=Adam(0.0002,0.5)) 29 30#訓練時 31feedback_dr = discriminator.train_on_batch(imgs,ones) 32feedback_df = discriminator.train_on_batch(imgs_fake,zeros) 33#原因特定のため、generatorの学習はしておらず、imgs_fakeを生成するためのみに使用しています。

###症状
この状態で学習すると、Dがimgs_fakeに対し1を出力するように学習し、lossも1が目標値として計算されています。
また、onesを任意の値に変更すると、imgsとimgs_fakeに対してその値を吐くようになるため、imgs学習時に目標値として渡した値がimgs_fake学習時にも使用されているようです。
imgs_fakeとimgsの学習の順番を入れ替え、imgs_fakeを先に学習しても、imgsの目標値にimgs_fakeが引っ張られます。

何が原因か検証したのですが、私の頭では分かりませんでした;;
###検証
正常(imgs=1,imgs_fake=0に向かう)
異常(imgs=1,imgs_fake=1に向かう)

・全てのBatchNormalizationをコメントアウト(正常)
・(#1#2)のBatchNormalizationの両方をコメントアウト(正常)
・(#1#2)のBatchNormalizationの片方をコメントアウト(異常)
padding="same"後かstrides後のBatchNormalizationがダメか?

Python

1 input_ = Input(shape=input_shape) 2 3 a = Conv2D(32,kernel_size=4,strides=2,padding="same",activation="relu")(input_) 4 a = Conv2D(64,kernel_size=4,strides=2,padding="same")(a) 5 #a = BatchNormalization()(a) 6 a = Activation("relu")(a) 7 a = Conv2D(128,kernel_size=4,strides=2,padding="same")(a) 8 #a = BatchNormalization()(a) 9 a = Activation("relu")(a) 10 11 a = Conv2D(8,kernel_size=4,strides=2,padding="same")(a)#strides,paddingを追加 12 a = BatchNormalization()(a) 13 a = Activation("relu")(a) 14 a = Flatten()(a) 15 out = Dense(1,activation="sigmoid")(a) 16 17 return Model(input_,out) 18```↑正常。strides,paddingは関係なさそう。 19 20 21(#1#2)の両ブロックをコメントアウト(異常) 22(#1#2)の片ブロックをコメントアウト(異常) 23(#1#2)の片ブロックをコメントアウトかつ他方のBatchNormをコメントアウト(異常) 24 25```Python 26def reflect_padding(tensor,paddings): 27 return tf.pad(tensor,[(x,x) for x in paddings],"REFLECT") 28 29input_ = Input(shape=input_shape) 30 31a = Conv2D(32,kernel_size=4,strides=2,activation="relu")(reflect_padding(input_,(0,1,1,0))) 32a = Conv2D(64,kernel_size=4,strides=2)(reflect_padding(a,(0,1,1,0))) 33#a = BatchNormalization()(a) 34a = Activation("relu")(a) 35a = Conv2D(128,kernel_size=4,strides=2)(reflect_padding(a,(0,1,1,0))) 36#a = BatchNormalization()(a) 37a = Activation("relu")(a) 38 39a = Conv2D(8,kernel_size=3)(a) 40a = BatchNormalization()(a) 41a = Activation("relu")(a) 42a = Flatten()(a) 43out = Dense(1,activation="sigmoid")(a) 44 45return Model(input_,out) 46```↑異常。padding="same"からtf.padを挿入に変更しただけで異常になりました。レイヤー数などが影響しているかもしれません。上記のコードでもBatchNormをコメントアウトすると正常になるので、BatchNormは関係してそうです。 47 48(#1#2)のBatchNormalizationの両方をコメントアウト+Convのpaddingを全てvalidに(異常)。paddingを変更しただけで異常になりました。 49 50 51何か分かったことがあれば追記していきます。

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imgs_fakeが0に向かうので正常だと思いこんでいましたが、正常と判断したものはD(imgs_fake)とloss値が一致していませんでした。imgs_fakeの目標値は0で損失関数はmaeのためloss値と出力は一致するはずです。

そこで検証しなおしたところ、lossと出力が一致するのはBatchNormをすべてコメントアウトしたときのみで、BatchNormを使用した場合はすべて異常になることが分かりました。

当方のモデル構造orトレーニング方法に問題があるのかと思い、tensorflowのGANチュートリアルをコピペし損失関数をmaeに変更して試してみましたが、そのモデルでもトレーニング方法でも同様にlossと出力が一致せず。さらに、BatchNormをすべてコメントアウトすると一致しました。

この結果から、当方環境のBatchNormが異常であるか、tf2.3.0のBatchNormが異常である可能性が高いと思います。tfは再インストールをしましたが解決せず。conda環境におけるpipなしでのtfは2.3.0が最新であるためバージョン違いの検証はできませんが、、、

追記:解決

BatchNormが推論モード(移動平均、移動標準偏差)か学習モード(バッチ平均、バッチ標準偏差)を適切に切り替えれていないのが原因です。

generatorは学習時に学習モード、predict時に推論モードを使用していました。そのため、G学習時に入力する生成画像とD学習時に入力する生成画像にギャップが生まれていました。

投稿2021/07/27 23:17

編集2021/07/31 23:54
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