Dr. Robert Suhada

A quick primer on TensorFlow – Google’s machine learning workhorse

/in , , , , , /by

Introducing Google Brains‘ TensorFlow™

This week started with major news for the machine learning and data science community: the Google Brain Team announced the open sourcing of TensorFlow, their numerical library for tensor network computations. This software is actively developed (and used!) within Google and builds on many of Google’s large scale neural network applications such as automatic image labeling and captioning as well as the speech recognition in Google’s apps.

TensorFlow in bullet points

Here are the main features:

  • Supports deep neural networks – and much more machine learning approaches
  • Highly scalable across many machines and huge data sets
  • Runs on desktops, servers, in cloud and even mobile devices
  • Computation can run on CPUs, GPUs or both
  • All this flexibility is covered by a single API making the execution very streamlined
  • Available interfaces: C++ and Python. More will follow (Java, R, Lua, Go…)
  • Comes with many tools helping to build and visualize the data flow networks
  • Includes a powerful gradient based optimizer with auto-differentiation
  • Extensible with C++
  • Usable for commercial applications – released under Apache Software Licence 2.0

Tensor, what? Tensor, why?

„Numerical library for tensor network computations“ maybe doesn’t sound too exciting, but let’s  consider the implications.

Application of tensors and their networks is a relatively new (but fast evolving) approach in machine learning. Tensors, if you recall your algebra classes, are simply n-dimensional data arrays (so a scalar is a 0th order tensor, a vector is 1st order, and a matrix a 2nd order matrix).

A simple practical example of is color image’s RGB layers (essentially three 2D matrices combined into a 3rd order tensor). Or a more business minded example – if your data source generates a table (a 2D array) every hour, you can look at the full data set as a 3rd order tensor – time being the extra dimension.

Tensor networks then represent “data flow graphs”, where the edges are your multi-dimensional data sets and nodes are the mathematical operations on this data.

Example of of a data flow graph with multiple nodes (data operations). Notice how the execution of nodes is asynchronous. This allows incredible scalability across many machines. Image Source.

Looking at your data through the tensor formalism gives you a lot of powerful tools that were already developed for tensor algebra, allowing fast, complex computations.  

Tensor networks are also a natural fit for computations done on graphical processing units (GPUs) as they are built exactly for the purpose of very fast numerical operations on such a data – speeding up your calculations significantly compared to standard CPU execution!

The importance of flexible architecture & scaling

The data flow graph approach has also further advantages. Most notably, you can split the design of your data flows (i.e. data cleaning, processing, transformations, model building etc.) from its execution. You first build up the graph of your data flow and then you send it to for execution: either on the CPUs of your machines (and it can be your laptop just as well as cluster) or GPUs or a combination. This happens through a single interface that hides all the complexities from you.

Since the execution is asynchronous it scales across many machines and can deal with huge amounts of data.

You can count on the Google guys to build tools not only for academic use, but also heavy-duty operations in the industry!

Is this just another deep learning library?

TensorFlow is of course not the first library to embrace the tensor formalism and GPU execution. The nearest comparisons (and competitors) are Theano, Torch and CGT (Caffe to a limited degree).

While there are significant overlaps between the libraries, TensorFlow tries to provide a broader framework. It is not only a deep learning library – the Data Flow Graphs can incorporate any data processing/analysis applications. It also comes with a very powerful gradient based optimizer with automatic calculations of derivatives offering huge flexibility.

Given this broad vision the closest competitor is probably Theano (while Caffe and the existing Theano wrappers have a narrower focus on deep learning). TensorFlow’s distinguishing feature is that by design its focus is on large, scalable architectures with a complete flexibility in the hardware, best suited for industry/operational use, whereas the other libraries have more academic pedigrees.

Initial analyses also indicate that TensorFlow should bring also performance improvements compared to Theano, although no comprehensive benchmarks have yet been published.

As the other packages are out already for a while, they have large, active communities and often additional supporting software (examples are the very useful wrappers around Theano like Lasagne, Keras and Blocks that provider higher level abstractions to its engine).

Of course, with Google’s gravitas, one can expect that TensorFlow’s open source community will grow very fast and the contributors will quickly add a lot of additional features (and find hidden bugs).

Finally, keep in mind, that while Google provided us with this great data processing framework and some of its machine learning capabilities, it is likely that the most powerful machine learning algorithms still remain Google’s proprietary secret.

Nonetheless, TensorFlow is a huge and very welcome contribution to the open source machine learning world!

Where to go next?

You can find Google’s getting started guide here. The TensorFlow white paper is worth a read too. Source code can be found at the Github page. There is also a Vagrant virtual machine with TensorFlow pre-installed available here.

Lukas Molzberger

Text-Mining mit dem Aika Algorithmus

/in , , , /by

In diesem Beitrag möchte ich das Open Source Projekt Aika vorstellen. Ziel des Projektes ist es einen Text-Mining Algorithmus zu entwickeln, der ein künstliches Neuronales Netz (kNN) mit einem Pattern Mining Algorithmus kombiniert. Dabei dient die Silbentrennung von Wörtern als initiale Aufgabe, anhand derer der Algorithmus weiterentwickelt wird. Für diese Aufgabe soll allerdings kein vordefiniertes Wörterbuch verwendet werden. Stattdessen sollen die Silben in ihrer Eigenschaft als häufig auftretende Muster in rohem Text erkannt werden. Hier reicht es allerdings nicht einen Mining Algorithmus nach häufig auftretenden Strings suchen zu lassen, da sich viele der Strings überlappen oder schlicht keinen Sinn ergeben würden. Es ist also wichtig, dass sich die erkannten Silben gegenseitig unterdrücken können und dass der Algorithmus in der Lage ist, die so entstehenden unterschiedlichen Interpretationen eines Wortes miteinander zu vergleichen und die am höchsten gewichtete auszuwählen. Beispielsweise taucht die Silbe ‘der’ zu Beginn des Wortes ‘de-re-gu-lie-ren’ auf. In diesem Fall muss der Algorithmus erkennen, dass die erste Silbe des Wortes nicht ‘der’ sondern nur ‘de’ ist.

Wenn nun nach häufig auftretenden Mustern in Text gesucht werden soll, warum verwenden wir nicht einen reinen Pattern Mining Algorithmus? Der Grund für die Kombination mit einem kNN liegt darin, dass die erkannten Muster innerhalb einer kNN Topologie aufeinander aufsetzen können. Wenn z. B. das Wort “hausboot” als Muster erkannt werden soll, dann entstünden in der Datenstruktur des Mining Algorithmus sehr viele Teilmuster, die alle evaluiert werden müssten. Viel leichter wäre es für den Algorithmus, wenn die Muster “haus” und “boot” bereits erkannt worden wären und nun als Eingaben für die Erkennung des Wortes “hausboot” dienen könnten. So ist der Algorithmus zum einen in der Lage komplexere Muster zu erkennen und muss gleichzeitig weniger Teilmuster untersuchen. Ausserdem erlaubt es ein kNN ‘weiche’ Muster zu erlernen, also Muster bei denen einzelne Eingänge optional sind, die aber trotzdem noch sicher erkannt werden. Dadurch kann eine höhere Toleranz gegenüber Fehlern erreicht werden.

Im Gegensatz zu einem klassischen kNN nutzt Aika einen eher mit Googles Pagerank vergleichbaren Ansatz um Gewichte zwischen den einzelnen Neuronen des Netzwerks zu propagieren. Der Grutext-pattern-knnndgedanke dabei ist es, dass Neuronen entsprechend höher gewichtet werden sollten, wenn sie mit anderen hoch gewichteten Neuronen in Beziehung stehen. Wenn also beispielsweise eine Silbe in vielen hoch gewichteten Worten auftaucht, wird sie selbst entsprechend höher gewichtet.

Neuronen eines kNN erlauben es aber nicht nur Konjunktionen wie etwa bei Mustern zu erlernen, sondern auch Disjunktionen. Disjunktionen sind insbesondere beim Erlernen von Grammatikregeln wichtig, wenn z. B. einzelne Worte als Nomen erkannt werden sollen. Wenn nun solche Disjunktionen erlernt werden sollen, können auch hier häufige Muster behilflich sein. Angenommen, es wurden durch den Mining Algorithmus bereits die folgenden häufigen Muster gefunden: “der Baum” (f=4), “der Hammer” (f=3) und “der Nagel” (f=6). Dann können diese Muster so umgeformt werden, dass ein neues, deutlich häufigeres Muster “der <NOMEN>” (f=13) und eine Disjunktion <NOMEN> = “Baum” oder “Hammer” oder “Nagel”, entsteht.

Radek Mackowiak

KNN: Natur als Vorbild – Biologische Neuronen

/in , , , , /by

Bisher ist die genaue Funktionsweise des Gehirns bei der Verarbeitung sensorischer Informationen nicht bekannt. Neue Erkenntnisse im Bereich der Neurowissenschaften liefern jedoch einen Einblick über grundlegende Prinzipien wie das Gehirn von Säugetieren sensorische Informationen repräsentiert. Einer der wichtigsten Punkte ist dabei die Erkenntnis, dass der Neocortex, einem ankommenden Signal erlaubt ein komplexes Netzwerk von Neuronen zu durchlaufen, wodurch es zu einer abstrakten Repräsentation des ursprünglichen Eingabesignals kommt. Auch ist das Gehirn in der Lage die Leitfähigkeit der Verbindungen zwischen den Neuronen zu modifizieren, was sich auf eine Änderung der Abbildungsvorschrift auswirkt. Beobachtungen können dadurch noch besser getrennt und effizienter repräsentiert werden. Die Entdeckung dieses Verhaltens motivierte die Entstehung des Forschungszweiges Deep Machine Learning, welcher sich darauf fokussiert Modelle zu entwickeln, die ähnliche Charakteristiken wie der Neocortex aufweisen.

Das Eingabesignal durchläuft das Netzwerk bis zu einer Ausgabeschicht. Das Resultat dieser nicht linearen Transformation lässt sich dann beispielsweise mit einem Klassifizierungsalgorithmus auswerten. Die praktischen Anwendungen solcher Algorithmen sind sehr vielfältig. Deep Machine Learning Algorithmen liefern zurzeit die besten Ergebnisse zu vielen Problemen in Anwendungsdomänen wie Bilderkennung, Spracherkennung und der Verarbeitung natürlicher Sprache. Mit Hilfe dieser Algorithmen wurden beispielsweise neue elementare Teilchen gefunden, entdeckte Galaxien noch besser klassifiziert und Auswirkungen von Mutationen innerhalb von DNA vorhergesagt.

Das Neuron

Das Neuron ist die Basis-Recheneinheit des Gehirns. Ungefähr 86 Milliarden solcher Neuronen befinden sich im menschlichen Nervensystem, welche durch ca. 10^15 Synapsen miteinander vermascht sind. In Abbildung unten links wird eine Schemazeichnung eines biologischen Neurons dargestellt. Dieses besteht unter Anderem aus Dendriten, dem Zellkörper, der den Zellkern beinhaltet und einem Axon. Die Dendriten gehen aus dem Zellkörper hervor und sind über Synapsen mit sensorischen Zellen oder Axonen anderer Neuronen verbunden. Ihre Aufgabe ist die Aufnahme von ankommenden Signalen in Form von elektrischen Spannungsänderungen und der Transport dieser in den Zellkörper des Neurons, der Recheneinheit einer Nervenzelle. Dort angekommen entscheiden bestimmte Faktoren, ob ein Aktionspotential anhand einer Schwellwertfunktion ausgelöst wird oder nicht. Ist dies der Fall leitet das Neuron elektrische Energie über sein Axon an weitere angeschlossene Dendriten anderer Neuronen weiter.

Neuronen
Das biologische Neuron diente als Inspiration für das Software-Neuron. Beim mathematischen Modell eines Software-Neurons (Künstliches Neuron eines KNN) wird davon ausgegangen, dass die verschiedenen Dendriten unterschiedlich stark ausgeprägt sind und ein Signal daher auch verschieden stark gewichtet in den Zellkörper übertragen wird. Jedes Dendrit enthält demnach einen Faktor(θi), der das Signal(xi) vor dem Eintreffen in den Zellkörper skaliert (θixi). Diese Faktoren werden auch als Gewichte bezeichnet. Im Zellkörper selbst werden die Signale die von unterschiedlichen Neuronen stammen aufsummiert bis schließlich ein fester Bias-Wert(b) auf das Ergebnis der Summation aufaddiert wird. Anschließend bestimmt eine nicht-lineare Aktivierungsfunktion über den finalen Ausgangswert des Neurons.

Bildquelle: Wikipedia

Ähnliche Artikel:

Nico Hezel

KNN: Vorteile und Nacheile

/in , , , , /by

Wie jedes Verfahren haben auch künstliche Neuronale Netzwerke (KNN) ihre Vor- und Nachteile. Im Folgenden sollen einige benannt werden.

Vorteile

  • KNN können bessere Ergebnisse liefern als existierende statistische Ansätze, wenn das Problem ausreichend komplex ist. Das heißt, wenn das Problem nicht linear ist und es viele Eingabedaten mit vielen Variablen gibt.
  • Es gibt zwar sogenannte Hyperparameter, die je nach Einstellung das Netzwerk besser oder schlechter trainieren lassen, diese müssen aber nur manuell geändert werden, wenn neue Rekordwerte erreicht werden sollen. Ansonsten gibt es verhältnismäßig wenige Parameter.
  • Auch für stark nicht lineare Probleme, werden gute Lösungen gefunden. Dazu zählen fast alle Probleme die aus einer Datenbasis stammen, wo menschliche oder andere unvorhersehbare Einflüsse wirken.
  • Für große Datenmengen und viele Datendimensionen (Einflussfaktoren) können sinnvolle Ergebnisse ermittelt werden.

Nachteile

  • Künstliche Neuronale Netzwerke sind oftmals wie eine Blackbox. Dadurch ist es nicht möglich nachzuverfolgen wieso ein Netzwerk eine bestimmte Entscheidung getroffen hat.
  • Damit ein allgemeingültiges gutes Ergebnis berechnet werden kann, bedarf es vieler Beispiel-/Trainingsdaten.
  • Aufgrund der hohen Datenmenge, ist es sinnvoll die Berechnungen auf einer Grafikkarte durchzuführen.
  • Während des Trainings finden sehr viele Gewichtsänderungen in kurzer Zeit statt. Daher ist ein Aufteilen der Arbeit in ein verteiltes System wie Apache Hadoop oder Apache Spark nur schwer möglich und führt oftmals zu drastischen Performanz Einbußen.
  • Ist das Problem mathematisch beschreibbar sind KNNs oftmals schlechter oder maximal genauso gut.
  • Es ist zu keinen Zeitpunkt bekannt ob die gefundene Lösung das globale Optimum ist oder ob es noch bessere Lösungen gibt.

In der Forschung gibt es viele Ansätze um einige der Nachteile aufzuheben.

 

Nico Hezel

KNN: Was sind künstliche neuronale Netze?

/in , , , /by

Ein künstliches neuronales Netzwerk (KNN) besteht aus vielen miteinander verbundenen künstlichen Neuronen. Die einzelnen Neuronen haben unterschiedliche Aufgaben und sind innerhalb von Schichten (layer) angeordnet. Sogenannte Netzwerk Topologien geben vor, wie viele Neuronen sich auf einer Schicht befinden und welche Neuronen miteinander vernetzt sind. Neuronale Netze werden im Bereich der künstlichen Intelligenz eingesetzt und sind ein Ansatz im Machine Learning, haben hier jedoch besondere Vor- und Nachteile.

Es gibt drei Schicht- und vier grundlegende Neuronen-Arten. Bei den Schichten wird unterschieden zwischen Eingabe-, Ausgabe- und verborgener Schicht (Visible, Output & Hidden Layer). Alle eingehenden Daten werden an den Eingabe-Neuronen (Visible Unit) in der Eingabeschicht angelegt. Diese wiederum geben die Daten weiter an die verbundenen Ausgabe- oder verborgenen Neuronen (Output, Hidden Unit). Zusätzlich kann in jeder Schicht noch ein Bias Neuron (Bias Unit) zum Einsatz kommen. Read more