[AI] RNN(Recurrent Neural Network)이란? - 개념 및 실습

RNN - 시계열데이터 (자연어처리, 센서데이터, 주식데이터)

순환신경망 (Recurrent Neural Network)

• DNN은 시퀀스에 대한 부분이 처리가 안되어 이를 위해 고안된 모델이 RNN
• 앞에서 계산한 가중치를 가지고 가중치를 계산할 때 참고를 하다보니 시계열데이터가 더 잘됨
• 현재 셀에서 이전 셀의 값을 받아서 현재 셀의 상태를 규정
• 이전 셀이 계산이 되어야만 현재 셀이 계산이 되므로 동작 속도가 느리다.

RNN이라고 이미지를 사용하면 안되는건 없고, 이미지든 자연어든 결국 다 숫자로 이루어져 있기 때문에 결국 다 적용가능한데 좀 더 특화된 부분이 자연어처리나 시계열데이터라는 것 뿐임 
→ 자연언어 처리에서도 CNN을 활용을 해서 분류를 하기도 한다. 
→ CNN보다 RNN이 더 느린데, 왜냐하면 앞에를 계산해야만 뒤에를 계산을 할 수 있음

 

• Application에 따라서 다양한 방식으로 활용할 수 있음
• 원래는 다대다처럼 모델은 다 있는데 일대다에서는 한개만 넣고 나머지는 빈값만 넣어준다.
• 이미지 캡셔닝 → 이미지에 대한 캡션을 넣고 예측을 하도록 만듬

RNN의 경우, 입력이 길어질수록 앞의 정보가 뒤로 충분히 전달되지 못하는 문제 발생 
→ 장기 의존성 문제(Long-Term Dependencies problem) 
문장에서는 제일 처음에 온 단어가 중요한 역할을 할 수도 있음

 

 

LSTM(Long Short Term Memory)

• RNN의 문제를 해결하기 위해 고안된 모델
• 제일 초반에 들어온 토큰에 대한 정보도 잘 보관을 하고, 최근에 들어온 토큰의 정보도 잘 보관을 할 수 있도록 고안된 모델
• 불필요한 기억은 지우고 기억해야할 것들을 정한다.

→ 이런식으로 디자인 되어있다.

• 장기 상태는 뭔가 곱해지지 않고 위의 Ct-1에서 보면 그냥 그대로 넘어오는 부분때문에 장기상태가 기억이 된다.

 

bi-directional LSTM

• LSTM 같은 경우 앞에서부터 뒤로 가면서 왼쪽에서부터 오른쪽으로만 연산을 했는데 그렇게 하는것보다는 언어라는 자체가 뒤에서부터 앞으로 오는것도 의미가 있어서 역방향도 같이 사용을 하는 것이 bi-directional LSTM이다.
• LSTM을 역방향이랑 정방향이랑 같이 쓰고 각각 출력을 붙여서 활용을 하면 병렬처리를 할 수 있어서 속도는 동일한데 성능을 높일 수 있다.

bi-directional은 꼭 LSTM만 해당이 되는 것은 아님. RNN도 bi-directional으로 똑같이 사용 가능하지만 LSTM을 가장 많이 사용하기 때문에 LSTM기준으로 보려고 bi-directional LSTM이라고 함.

 

GRU(Gated Recurrent Unit)

• LSTM이랑 비슷하지만 학습하는 가중치가 적어서 학습이 조금 더 빠르다.
• 데이터 양이 적을 때는, 매개 변수의 양이 적은 GRU가 조금 더 낫고, 데이터 양이 많을 때는, 매개 변수의 양이 많은 LSTM이 더 낫다고 알려져 있음

 

RNN기반 분류 실습

• Colab을 이용한 실습
  • 
    → 내 컴퓨터에 있는 파일을 Colab에서 불러오게 하려면 특별한 동작을 해줘야 함.
  • 구글 드라이브랑 연결이 되서 자동 저장됨
  • Colab은 내 컴퓨터가 아닌 구글에서 제공하는 서버에 접속해서 동작한다.

⇒ test.tsv , train.tsv 파일을 내 드라이브 Colab 폴더에 data 디렉토리를 만들어서 붙여 놓는다.

 

 

from google.colab import drive
drive.mount('/content/drive')

이런 화면이 뜨면 저 URL로 들어가서 계정 선택 후 code 를 복사해서 붙여넣고 엔터키를 누른다.

 

 

 

 

→ Mounted 가 나오면 Colab이랑 드라이브랑 연결이 됬다는 뜻 (드라이브에 있는 것에 접근 가능함)

 

 

 

 

 

 

fr = open('/content/drive/My Drive/Colab Notebooks/data/news_sample/train.tsv', 'r', encoding='utf-8') 
print(fr.readline())

→ 파일이 제대로 읽어지는 지 확인하는 코드

→ /content/drive/My Drive 까지가 내 드라이브의 경로

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• 데이터를 읽어서 저장하는 코드
  •  
  • 한 라인에 뉴스기사 하나가 저장이 되게 데이터가 만들어져 있다.
  •  
  • strip() : 양쪽의 공백제거 → 뉴스기사 하나를 읽으면 \n가 있어서 다음 기사로 넘어가는데 그것을 없애주기 위한 작업
  •  
  • tsv는 tab으로 나눠서 엑셀처럼 쓰는 함수!! → tab으로 split('\t')을 해서 나눈 후 1번째는 label , 3번째 들어있는 것을 title , 4번째 들어있는 것을 content로 나눠서 가져온다.
• if문 부분
  1. label_dic 이라는 것을 만든다. → 새로운 label이 들어올때마다 label_dic 을 만든다.
  2. 코드 아래에 만들어진 label_dic 캡처본 확인
  3. 실제 train_labels 에 넣을때는 숫자로 들어가게 된다.
  4. train_text 는 title이랑 content를 넣을 때 그 사이에 개행문자를 넣는다.
• label이 지금은 세개 다 텍스트로 들어가 있는데 전부 숫자로 바꿔주는 작업

label_dic = {}
train_texts, train_labels = [], []
test_texts, test_labels  = [], []

# 데이터를 읽어서 저장하는 코드
# 450건
with open('/content/drive/My Drive/Colab Notebooks/data/news_sample/train.tsv', 'r', encoding='utf-8') as fr:
  lines = fr.readlines()
  for line in lines:
    line = line.strip().split('\t')
    label = line[1]
    title = line[3]
    content = line[4]
    
    if label not in label_dic.keys():
      label_dic[label] = len(label_dic)

    train_texts.append(title + '\n' + content)
    train_labels.append(label_dic[label])

# 50건
with open('/content/drive/My Drive/Colab Notebooks/data/news_sample/test.tsv', 'r', encoding='utf-8') as fr:
  lines = fr.readlines()
  for line in lines:
    line = line.strip().split('\t')
    label = line[1]
    title = line[3]
    content = line[4]
  
    test_texts.append(title + '\n' + content)
    test_labels.append(label_dic[label])

 

import nltk
from nltk.tokenize import sent_tokenize
from nltk import WordPunctTokenizer

import numpy as np
import tensorflow as tf

nltk.download('punkt') # wordTokenizer 쓸때 필요한 리소스

 

• 전처리 과정 Tokenizer
  •  
  • one_hot_encoding 함수까지는 그저께 만든 코드랑 동일
  • 
    → 딥러닝에서는 전체길이가 똑같아야 되기 때문에 행렬 연산은 사이즈가 똑같아야 연산이 가능
    → 256보다 큰 경우에는 0 벡터를 붙여주고 256 까지만 벡터를 반환
  • get_vector 함수에서 while문은 전체 길이를 256까지만 맞춰주는 코드

class Tokenizer:
  def make_vocab(self, documents):
    word2index = {'<unk>':0}
    for document in documents:
      tokens = self.tokenize(document)
      for voca in tokens:
        if voca not in word2index.keys():
          word2index[voca] = len(word2index)
    self.vocab = word2index

  def tokenize(self, document):
    words = []
    sentences = sent_tokenize(document)

    for sentence in sentences:
      words.extend(WordPunctTokenizer().tokenize(sentence))

    return words

  def one_hot_encoding(self, word):
    one_hot_vector = [0] * len(self.vocab)
    if word not in self.vocab:
      word = '<unk>'
    index = self.vocab[word]
    one_hot_vector[index] = 1
    return one_hot_vector
  
  def get_vector(self, sentence):
    tokens = self.tokenize(sentence)
    vector = [self.one_hot_encoding(token) for token in tokens]

    while len(vector) < 256:
      vector.append([0] * len(self.vocab))
    
    return vector[:256]

tokenizer = Tokenizer()
tokenizer.make_vocab(train_texts)

→ 전체 학습 데이터로 vocab을 생성해준다.

 

 

• get_vector를 하면 안에서 tokenize를 한 다음에 알아서 256개까지의 벡터를 반환해준다.

 

• train_text 를 숫자로 바꾸는 코드
  • 
    → np.array 로 감싸주는 이유는 그래야 tensorflow 에서 활용을 할 수 있음
  • get_vector를 쓰면 된다.

x_train = np.array([tokenizer.get_vector(text) for text in train_texts])
x_test = np.array([tokenizer.get_vector(text) for text in test_texts])

# train_labels은 숫자로는 되어있는데 numpy로는 안되있어서 array로 감싸준다.
y_train = np.array(train_labels) 
y_test = np.array(test_labels)

print(x_train.shape, x_test.shape)

결과

→ 256개 까지만 사용하기 때문에 256

→ 340은 원핫벡터의 크기, 원핫벡터가 vocab의 사이즈만큼 생성

→ 원핫인코딩은 vocab 사이즈만큼 벡터에서 아닌것만 1로 표시되기 때문에 이런식으로 결과가 나온다.

 

 

• 모델 생성

model = tf.keras.models.Sequential()
# 입력에 대한 사이즈 생성 - 입력 layer라서 학습 파라미터는 없음
model.add(tf.keras.layers.Input(shape=(x_train.shape[1], x_train.shape[2])))
# LSTM을 Bidirectional로 감싸줘야함
# model.add(tf.keras.layers.LSTM(128)) -> 이렇게 써도된다.
# 자동으로 LSTM이 다대일로 해서 제일 마지막 결과만 여기 layer에서 출력을 해준다.
model.add(tf.keras.layers.Bidirectional(tf.keras.layers.LSTM(128)))
# 위에서 출력된 결과를 relu로 분류하는 네트워크를 붙여준다.
model.add(tf.keras.layers.Dense(64, activation = 'relu'))
# label이 세개니까 3을 넣어서 softmax layer를 추가
model.add(tf.keras.layers.Dense(3, activation = 'softmax'))

파라미터 갯수 확인

 

model.compile(optimizer='adam', loss='sparse_categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])

model.fit(x_train, y_train, epochs=20)

→ compile 해준 후 , fit 함수로 학습

학습

 

• 학습을 하면 evaluate도 할 수 있다.

model.evaluate(x_test, y_test, verbose=2)

모델을 만드는 부분은 조금 다르지만 cnn 이미지분류를 할때랑 똑같이 compile해주고 , 학습하는 방법(fit)도 똑같다.
이전 포스팅 참고 - 2020/12/15 - [Ai] - [AI] CNN(Convolutional Neural Network)의 이해 및 실습

 

형태소 분석기 사용

• konlpy 라이브러리 다운

!pip install konlpy

from konlpy.tag import Kkma
kkma = Kkma()
print(train_texts[0])
print(kkma.pos(train_texts[0]))

 

 

https://konlpy.org/en/latest/
→ 가장 간단한 형태소 분석기 참고

 

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Seq2seq model

• 번역기에서 대표적으로 사용되는 모델
• 앞에는 LSTM을 쓰는데 다 0으로 쓴다.
  → 여기에 뭐가 나오든 무시하고 버림. 처음의 state가 넘어가고 넘어가다가 state를 새로운 LSTM에 넣는데 여기에서는 <sos> : start of sentence 를 넣었을때 나오는 단어를 그다음부터 입력을 함
• I am a student 를 넣었을 때 스페인어로 번역되서 나오는 모델

• 인코더 셀은 모든 단어를 입력받은 뒤에, 마지막 시점의 은닉 상태를 디코더 셀로 넘겨주며, 이 벡터를 context vector라고 한다.
• 디코더는 초기 입력으로 문장의 시작을 의미하는 심볼이 들어가고, 다음에 등장할 확률이 높은 단어를 예측