Kerasでディープラーニング！ Pythonで始める機械学習入門

今回は機械学習ライブラリKerasを使ったディープラーニングの実装方法についてまとめてみました。

これから機械学習を始めてみたいという方向けに、Kerasの入門編としてなるべくシンプルなプログラムの構成にしてみました。ソースコードも全て公開していますので、ぜひ試してみてください。

また、機械学習を習得したい方向けに、Pythonを学べるプログラミングスクールも以下の記事で紹介しています。あわせてご覧ください。

Tensor Flowとは

TensorFlowは、Googleによって開発されたオープンソースの機械学習ライブラリです。数値計算を高速に行うことができるので、大規模なデータセットを処理することができます。様々な種類の機械学習モデルを構築するためのフレームワークとしても使用されており、画像認識、自然言語処理、強化学習などのアプリケーションで利用されています。

当ブログではPythonで記述したプログラムを紹介しますが、TensorFlowのAPIは、C++やJava、Goなどの言語でも利用することができます。
Pythonの数値計算ライブラリであるNumPyと似たようなインタフェースを持っており、多次元のテンソル（多次元配列）を扱うことができます。

ライセンスは、商用利用可能なオープンソースとなっており、企業や個人が自由に使用することができます。

機械学習ライブラリ Kerasとは

KerasはPythonで実装された深層学習を構築、トレーニング、評価するためのライブラリです。畳み込みニューラルネットワーク（CNN）やリカレントニューラルネットワーク（RNN）など、深層学習のモデルを簡単に構築することができます。
高水準のPython APIを提供し、TensorFlow、Theano、CNTKなどの低水準なバックエンドをサポートしています。

Kerasを使用することで、深層学習モデルをスムーズに構築することができる他、コードが短くてわかりやすいため、初心者に最適なライブラリです。

Kerasもライセンスは、商用利用可能なオープンソースとなっており、企業や個人が自由に使用することができます。

開発環境

Kerasを使ったアプリケーションの開発環境については、Google Colaboratorを使用することでWebブラウザ上で行うことが可能です。（もちろんローカルのPCでも可能です）

Google Colaboratorの使い方については以下の記事で解説しています。

ディープラーニング　実践

ここからは実際にPythonのプログラムを作成して、ディープラーニングのモデルを構築していきます。
全部で5つの工程を、各記事でソースコード付きで解析しており、順番に進めいていくとディープラーニングで画像の判別をするプログラムを動作させることができます。

画像データの収集

機械学習を始める上でまず必要となるのが、モデルに学習させるデータです。今回はWeb上にある画像データをPythonのスクレイピングで大量に自動収集する方法を使います。

画像データの読み込み

icrawlerを使って収集した画像ファイルは、指定したディレクトリ保存されています。そのファイルをPythonプログラムから扱えるように、画像処理ライブラリOpenCVを使って読み込みます。

データの正規化

収集した画像を機械学習で扱いやすいように正規化します。

訓練データとテストデータの作成

Python用機械学習ライブラリscikit-learnを使用して、ディープラーニングに必要なデータを作成します。画像データとラベルデータに対して必要な前処理を行った後、データを訓練データとテストデータに分割します。

モデルの学習と検証

実際にKerasを使用してニューラルネットワークの層を構築し、データを学習させます。また、実際にどれくらいの精度で画像の判別ができるのか、モデルの検証を行います。

学習モデルの保存と読み込み

Kerasで一度作成した学習モデルをファイルに保存したり、読み込んで使用する方法を以下の記事で解説しています。学習モデルをファイルに出力することで、学習時とは別の環境でモデルを使用することが可能になります。

まとめ

今回はKerasを使ってディープラーニングを実装する方法を解説しました。記事で公開したプログラムを作成することで、まずは一連の動作を確認することができたかと思います。このプログラムをベースにして、さらにディープラーニングの物体検出精度の向上にトライしてみてください。

機械学習を効率よく学びたい方には、自分のペースで動画で学べるUdemyの以下の講座がおすすめです。数学的な理論からPythonでの実装までを習得できます。（私自身もこの講座を受講しています）

【徹底的に解説！】人工知能・機械学習エンジニア養成講座（初級編～統計学から数字認識まで～）

また、以下の記事で効率的にPythonのプログラミングスキルを学べるプログラミングスクールの選び方について解説しています。最近ではほとんどのスクールがオンラインで授業を受けられるようになり、仕事をしながらでも自宅で自分のペースで学習できるようになりました。

スキルアップや副業にぜひ活用してみてください。

スクールではなく、自分でPythonを習得したい方には、いつでもどこでも学べる動画学習プラットフォームのUdemyがおすすめです。

講座単位で購入できるため、スクールに比べ非常に安価（セール時1200円程度～）に学ぶことができます。私も受講しているおすすめの講座を以下の記事でまとめていますので、ぜひ参考にしてみてください。

機械学習の入門におすすめの書籍についても以下の記事で紹介していますので、あわせてご覧ください。

それでは、また次の記事でお会いしましょう。