原創(chuàng) | 讓你捷足先登的深度學(xué)習(xí)框架
對于據(jù)科學(xué)的初學(xué)者來說,利用開源的深度學(xué)習(xí)框架,可以大幅度簡化復(fù)雜的大規(guī)模度學(xué)習(xí)模型的實現(xiàn)過程。在深度學(xué)習(xí)框架下構(gòu)建模型,無需花費幾天或幾周的時間從頭開始編寫代碼,便可以輕松實現(xiàn)諸如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這樣復(fù)雜的模型。在本文中,將介紹幾種非常有用的深度學(xué)習(xí)框架、它們的優(yōu)點以及應(yīng)用,通過對每個框架進行比較,研發(fā)人員了解如何有選擇地使用它們,高效快捷完成項目任務(wù)。
1. 深度學(xué)習(xí)框架概述
深度學(xué)習(xí)框架是一種界面、庫或工具,它使編程人員在無需深入了解底層算法的細(xì)節(jié)的情況下,能夠更容易、更快速地構(gòu)建深度學(xué)習(xí)模型。深度學(xué)習(xí)框架利用預(yù)先構(gòu)建和優(yōu)化好的組件集合定義模型,為模型的實現(xiàn)提供了一種清晰而簡潔的方法。
利用恰當(dāng)?shù)目蚣芸梢钥焖贅?gòu)建模型,而無需編寫數(shù)百行代碼,一個良好的深度學(xué)習(xí)框架具備以下關(guān)鍵特征:
優(yōu)化的性能
易于理解和編碼
良好的社區(qū)支持,
并行化的進程,以減少計算
自動計算梯度
這五點也是用來挑選五大頂級深度學(xué)習(xí)框架的首選標(biāo)準(zhǔn)。
2. PyTorch
PyTorch是Torch深度學(xué)習(xí)框架的一個接口,可用于建立深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行張量計算。Torch是一個基于Lua的框架,而PyTorch則運行在Python上。
PyTorch是一個Python包,它提供張量計算。張量是多維數(shù)組,就像numpy的ndarray一樣,它也可以在GPU上運行。PyTorch使用動態(tài)計算圖,PyTorch的Autograd軟件包從張量生成計算圖,并自動計算梯度。
與特定功能的預(yù)定義的圖表不同,PyTorch提供了一個框架,用于在運行時構(gòu)建計算圖形,甚至在運行時也可以對這些圖形進行更改。當(dāng)不知道創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要多少內(nèi)存的情況下,這個功能便很有價值。
PyTorch靈活性大,可以使用PyTorch處理各種深度學(xué)習(xí)的任務(wù),包括但不局限于:
影像(檢測、分類等)
文本(自然語言學(xué)習(xí))
增強學(xué)習(xí)
3. JAX
谷歌最新推出的JAX,官方定義為CPU、GPU和TPU上的NumPy。它具有出色的自動微分(differentiation)功能,是可用于高性能機器學(xué)習(xí)研究的python庫。Numpy在科學(xué)計算領(lǐng)域十分普及,但是在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域,由于它不支持自動微分和GPU加速,所以更多的是使用Tensorflow或Pytorch這樣的深度學(xué)習(xí)框架。
JAX使用 XLA 在諸如GPU和TPU的加速器上編譯和運行NumPy。它與 NumPy API 非常相似, numpy 完成的事情幾乎都可以用 jax.numpy 完成。
XLA是TensorFlow底層做JIT編譯優(yōu)化的工具,XLA可以對計算圖做算子Fusion,將多個GPU Kernel合并成少量的GPU Kernel,用以減少調(diào)用次數(shù),可以大量節(jié)省GPU Memory IO時間。Jax本身并沒有重新做執(zhí)行引擎層面的東西,而是直接復(fù)用TensorFlow中的XLA Backend進行靜態(tài)編譯,以此實現(xiàn)加速。
JAX在偏微分方程求解問題上的表現(xiàn)尤為突出,研究人員試了試分別在PyTorch和JAX兩種框架上運行幾種預(yù)訓(xùn)練模型,發(fā)現(xiàn)JAX的速度大約是PyTorch的6倍。JAX在以分子動力學(xué)為代表的科學(xué)計算領(lǐng)域的巨大潛力。
4. TensorFlow
TensorFlow由谷歌大腦團隊的研究人員和工程師研發(fā),它是深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域中最常用的框架。
TensorFlow之所以流行的原因有兩點:首先,它是完全開源的,并且有出色的社區(qū)支持。TensorFlow為大多數(shù)復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)模型預(yù)先編寫好了代碼,比如遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其次,它支持多種語言來創(chuàng)建深度學(xué)習(xí)模型,比如Python語言、C語言和R語言等,并且有不錯的文檔和指南支持。
TensorFlow有許多組件,其中最為突出的是:
Tensorboard:幫助使用數(shù)據(jù)流圖進行有效的數(shù)據(jù)可視化;
TensorFlow:用于快速部署新算法/試驗。
TensorFlow的架構(gòu)靈活,能夠在一個或多個CPU(以及GPU)上部署深度學(xué)習(xí)模型,典行的TensorFlow應(yīng)用場景如下:
基于文本的應(yīng)用:語言檢測、文本摘要
圖像識別:圖像字幕、人臉識別、目標(biāo)檢測
聲音識別
時間序列分析
視頻分析
5. Keras
Keras用Python編寫,可以在TensorFlow(以及CNTK和Theano)之上運行。TensorFlow的接口是一個低級庫,新用戶可能會很難理解某些實現(xiàn)。
而Keras是一個高層的API,它為快速實驗而開發(fā)。因此,如果希望獲得快速結(jié)果,Keras會自動處理核心任務(wù)并生成輸出。Keras支持卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),可以在CPU和GPU上無縫運行。
深度學(xué)習(xí)的初學(xué)者經(jīng)常會抱怨:無法正確理解復(fù)雜的模型。如果你是這樣的用戶,Keras便是正確選擇!它的目標(biāo)是最小化用戶操作,并使其模型真正容易理解。
Keras有多種架構(gòu),用于解決各種各樣的問題,其中最為典型的應(yīng)用是圖像分類!
6. Caffe
CAFE是另一個面向圖像處理領(lǐng)域的、比較流行的深度學(xué)習(xí)框架,它是由賈陽青(Yangqing Jia)在加利福尼亞伯克利大學(xué)讀博士期間開發(fā)的,它也是開源的!
雖然Caffe對遞歸網(wǎng)絡(luò)和語言建模的支持不如前面所述的幾個框架。但是Caffe最突出的優(yōu)點是:只需單個NVIDIA K40 GPU,它便可以每天處理超過六千萬張圖像,其中 1毫秒/圖像用于推理,4毫秒/圖像用于學(xué)習(xí)。
它為C、Python、MATLAB等接口以及傳統(tǒng)的命令行提供了支持。
通過Caffe Model Zoo框架可訪問用于解決深度學(xué)習(xí)問題的預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)、模型和權(quán)重。這些模型可完成下述任務(wù):
1) 簡單的遞歸
2) 大規(guī)模視覺分類
3) 用于圖像相似性的SiameSE網(wǎng)絡(luò)
4) 語音和機器人應(yīng)用
7. Deeplearning4j
對于Java程序員來說,Deeplearning4j理想的深度學(xué)習(xí)框架!
Deeplearning4j用Java實現(xiàn),與Python相比效率更高。它使用稱為ND4J的張量庫,提供了處理n維數(shù)組(也稱為張量)的能力。該框架還支持CPU和GPU。
Deeplearning4j將加載數(shù)據(jù)和訓(xùn)練算法的任務(wù)作為單獨的過程處理,這種功能分離提供了很大的靈活性。這成為了它的突出優(yōu)點。!
Deeplearning4j適用于圖像、CSV 和純文本等不同的數(shù)據(jù)類型。
可以使用Deeplearning4j構(gòu)建的深度學(xué)習(xí)模型有:
1) 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNNs)
2) 遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNNs)
3) 長短時記憶(LSTM)等多種結(jié)構(gòu).
8. 深度學(xué)習(xí)框架之間的對比
上面已經(jīng)討論了六種較為流行的深度學(xué)習(xí)框架,每一種都獨具特性,那么數(shù)據(jù)科學(xué)家會從中如何做出選擇?
當(dāng)接到一個新的項目時,如何決定采用哪個框架?為此,需要了解每個框架的優(yōu)點和局限性。如果選對了正確的框架,會起到事半功倍的效果。某些框架在處理圖像數(shù)據(jù)時工作得非常好,但無法解析文本數(shù)據(jù);某些框架在處理圖像和文本數(shù)據(jù)時,性能很好,但是它們的內(nèi)部工作原理很難理解。
在本節(jié)中,使用以下標(biāo)準(zhǔn)比較上述深度學(xué)習(xí)框架:
1) 社區(qū)支持力度
2) 使用的語言
3) 接口
4) 對預(yù)訓(xùn)練的模型的支持
所有這些框架都是開源的,支持CUDA,并有預(yù)訓(xùn)練的模型。但是,應(yīng)該如何正確開始,應(yīng)該選擇哪個框架來構(gòu)建(初始)深度學(xué)習(xí)模型?讓我們來做詳細(xì)的討論!
先來說說TensortFlow。TensorFlow能處理圖像以及基于序列的數(shù)據(jù),如果你是深度學(xué)習(xí)的初學(xué)者,或者對線性代數(shù)和微積分等數(shù)學(xué)概念沒有堅實的基礎(chǔ),那么TensortFlow的學(xué)習(xí)曲線將會十分陡峭。對于剛起步的人來說,TensorFlow可能過于復(fù)雜。建議需要不斷練習(xí),不斷探索社區(qū),并繼續(xù)閱讀文章以掌握TensorFlow的訣竅。一旦對這個框架有了一個很好的理解,實現(xiàn)一個深度學(xué)習(xí)模型對你來說將是易如反掌。
Keras是一個非常堅實的框架,可以開啟深度學(xué)習(xí)之旅。如果你熟悉Python,并且沒有進行一些高級研究或開發(fā)某種特殊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),那么Keras適合你。如果有一個與圖像分類或序列模型相關(guān)的項目,可以從Keras開始,很快便可以構(gòu)建出一個工作模型。Keras也集成在TensorFlow中,因此也可以使用tf.keras.構(gòu)建模型。
在圖像數(shù)據(jù)上構(gòu)建深度學(xué)習(xí)模型時,Caffe是不錯的選擇。但是,當(dāng)用到遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和語言模型時,Caffe落后于其他框架。Caffe的主要優(yōu)點是,即使沒有強大的機器學(xué)習(xí)或微積分知識,也可以構(gòu)建出深度學(xué)習(xí)模型。Caffe主要用于建立和部署移動電話和其他計算受限平臺的深度學(xué)習(xí)模型。
正如前文所述,DeepleEarning4J是Java程序員的天堂,它為CNNS、RNN和LSTMS等不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了大量的支持,在不犧牲速度的情況下它可以處理大量數(shù)據(jù)。
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