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使用自动并行支持功能在云中训练网络

此示例使用：

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此示例说明如何利用 MATLAB 对并行训练的自动支持来训练卷积神经网络。深度学习训练通常需要几小时或几天。借助并行计算，您可以在本地或云集群中使用多个图形处理单元 (GPU) 来加快训练速度。如果您可以使用具有多个 GPU 的计算机，则可以在数据的本地副本上完成此示例。如果要使用更多资源，则可以将深度学习训练扩展到云。要了解有关并行训练选项的详细信息，请参阅Scale Up Deep Learning in Parallel, on GPUs, and in the Cloud。此示例逐步指导您如何利用 MATLAB 的自动并行支持功能在云集群上训练深度学习网络。

要求

您需要配置集群并将数据上传到云，才能运行该示例。在 MATLAB 中，您可以直接通过 MATLAB 桌面在云中创建集群。在主页选项卡的环境区域中，选择并行 > 创建和管理集群。在 Cluster Profile Manager 中，点击 Create Cloud Cluster。您也可以使用 MathWorks MathWorks Cloud Center 来创建和访问计算集群。有关详细信息，请参阅云中心快速入门。然后，将您的数据上传到 Amazon S3 存储桶并直接从 MATLAB 访问它。此示例使用已存储在 Amazon S3 中的 CIFAR-10 数据集的副本。有关说明，请参阅在 AWS 中使用深度学习数据。

设置集群

选择您的云集群并启动并行池，将工作进程数设置为集群中的 GPU 数量。如果指定的工作进程数大于 GPU 数量，则其余的工作进程将处于空闲状态。

numberOfGPUs = 4;
cluster = parcluster("MyClusterInTheCloud");
pool = parpool(cluster,numberOfGPUs);
Starting parallel pool (parpool) using the 'MyClusterInTheCloud' profile ...
Connected to parallel pool with 4 workers.

如果不指定集群，将使用默认集群配置文件。检查 MATLAB 的主页选项卡上的默认集群配置文件，在环境区域中，选择并行 > 创建和管理集群。

从云中加载数据集

使用 imageDatastore 从云中加载训练数据集和测试数据集。在本示例中，您使用存储在 Amazon S3 中的 CIFAR-10 数据集的副本。为确保工作进程能够访问云中的数据存储，请确保已正确设置 AWS 凭据的环境变量。请参阅在 AWS 中使用深度学习数据。

imdsTrain = imageDatastore("s3://cifar10cloud/cifar10/train", ...
    IncludeSubfolders=true, ...
    LabelSource="foldernames");

imdsTest = imageDatastore("s3://cifar10cloud/cifar10/test", ...
    IncludeSubfolders=true, ...
    LabelSource="foldernames");

通过创建 augmentedImageDatastore 对象，用增强的图像数据训练网络。使用随机平移和水平翻转。数据增强有助于防止网络过拟合和记忆训练图像的具体细节。

imageSize = [32 32 3];
pixelRange = [-4 4];
imageAugmenter = imageDataAugmenter( ...
    RandXReflection=true, ...
    RandXTranslation=pixelRange, ...
    RandYTranslation=pixelRange);
augmentedImdsTrain = augmentedImageDatastore(imageSize,imdsTrain, ...
    DataAugmentation=imageAugmenter, ...
    OutputSizeMode="randcrop");

定义网络架构和训练选项

为 CIFAR-10 数据集定义一个网络架构。为了简化代码，使用对输入进行卷积的卷积块。支持函数 convolutionalBlock 在此示例的末尾提供，它创建重复的层块，每个层块包含一个卷积层、一个批量归一化层和一个 ReLU 层。池化层对空间维度进行下采样。 

blockDepth = 4;
netWidth = 32;

layers = [
    imageInputLayer(imageSize) 
    
    convolutionalBlock(netWidth,blockDepth)
    maxPooling2dLayer(2,Stride=2)
    convolutionalBlock(2*netWidth,blockDepth)
    maxPooling2dLayer(2,Stride=2)    
    convolutionalBlock(4*netWidth,blockDepth)
    averagePooling2dLayer(8) 
    
    fullyConnectedLayer(10)
    softmaxLayer
    classificationLayer
];

当您使用多个 GPU 时，就增加了可用的计算资源。根据 GPU 的数量扩大小批量大小以保持每个 GPU 上的工作负载不变，并根据小批量大小调整学习率。 

miniBatchSize = 256 * numberOfGPUs;
initialLearnRate = 1e-1 * miniBatchSize/256;

指定训练选项：

  • 使用 SGDM 求解器对网络进行 50 轮训练。

  • 通过将执行环境设置为 parallel，使用当前集群并行训练网络。

  • 使用学习率调度，以随着训练的进行降低学习率。

  • 使用 L2 正则化来防止过拟合。

  • 设置小批量大小，并且每轮训练都打乱数据。

  • 使用验证数据验证网络。

  • 打开训练进度图可在训练过程中获得可视化的反馈数据。

  • 禁用详细输出。

options = trainingOptions("sgdm", ...
    MaxEpochs=50, ...
    ExecutionEnvironment="parallel", ...
    InitialLearnRate=initialLearnRate, ...
    LearnRateSchedule="piecewise", ...
    LearnRateDropFactor=0.1, ...
    LearnRateDropPeriod=45, ...
    L2Regularization=1e-10, ...
    MiniBatchSize=miniBatchSize, ...
    Shuffle="every-epoch", ...
    ValidationData=imdsTest, ...
    ValidationFrequency=floor(numel(imdsTrain.Files)/miniBatchSize), ...
    Plots="training-progress", ...
    Verbose=false);

训练网络及其分类使用

在集群中训练网络。在训练过程中，绘图将会显示进度。

net = trainNetwork(augmentedImdsTrain,layers,options);

使用经过训练的网络对本地机器上的测试图像进行分类，然后将预测的标签与实际标签进行比较。

YPredicted = classify(net,imdsTest);
accuracy = sum(YPredicted == imdsTest.Labels)/numel(imdsTest.Labels)
accuracy = 0.8968

如果不打算再次使用并行池，请将其关闭。

delete(pool)

支持函数

卷积块函数

convolutionalBlock 函数创建 numConvBlocks 个卷积块，每个卷积块包含一个二维卷积层、一个批量归一化层和一个 ReLU 层。每个二维卷积层有 numFilters 个 3×3 滤波器。

function layers = convolutionalBlock(numFilters,numConvBlocks)
    layers = [
        convolution2dLayer(3,numFilters,Padding="same")
        batchNormalizationLayer
        reluLayer
    ];
    
    layers = repmat(layers,numConvBlocks,1);
end

另请参阅

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