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Déployer votre modèle ML.NET dans une application Windows avec les API Windows Machine Learning

Dans la partie précédente de ce tutoriel, vous avez appris à créer et exporter un modèle ML.NET au format ONNX. Maintenant que vous disposez de ce modèle, vous pouvez l’incorporer dans une application Windows et l’exécuter localement sur un appareil en appelant des API WinML.

Une fois que nous aurons terminé, vous disposerez d’une application de classificateur d’images opérationnelle WinML UWP (C#).

À propos de l'exemple d'application

À l’aide de notre modèle, nous allons créer une application qui peut classifier les images de nourriture. Cela vous permet de sélectionner une image à partir de votre appareil local et de la traiter par un modèle ONNX de classification stocké localement que vous avez créé et formé dans la partie précédente. Les étiquettes retournées sont affichées en regard de l’image, ainsi que la probabilité de confiance de la classification.

Si vous suivez ce tutoriel jusqu’à maintenant, vous devez déjà disposer de la configuration requise pour le développement d’applications en place. Si vous avez besoin d’un actualisateur, reportez-vous à la première partie de ce tutoriel.

Remarque

Si vous préférez télécharger l’exemple de code complet, vous pouvez cloner le fichier solution. Clonez le référentiel, accédez à cet exemple, puis ouvrez le fichier classifierMLNETModel.sln avec Visual Studio. Ensuite, vous pouvez aller directement à l’étape [Lancer l’application](#Lancer l’application).

Créer une application UWP WinML (C#)

Ci-dessous, nous allons vous montrer comment créer votre application et votre code WinML à partir de zéro. Vous découvrirez comment effectuer les actions suivantes :

  • Charger un modèle Machine Learning.
  • Charger une image au format requis.
  • Lier les entrées et les sorties du modèle.
  • Évaluer le modèle et afficher des résultats significatifs.

Vous utiliserez également le XAML de base pour créer une interface utilisateur graphique simple, afin de pouvoir tester le classifieur d’images.

Créer l’application

  1. Ouvrez Visual Studio et choisissez create a new project.

Create a new Visual Studio project

  1. Dans la barre de recherche, tapez, UWP puis sélectionnez Blank APP (Universal Windows). Cela ouvre un nouveau projet C# pour une application Universal Windows Platform (UWP) qui n’a pas de disposition ni de contrôles prédéfinis. Sélectionnez Next pour ouvrir une fenêtre de configuration pour le projet.

Create a UWP app

  1. Dans la fenêtre de configuration :
  • Choisissez un nom pour votre projet. Ici, nous utilisons classifierMLNETModel.
  • Choisissez l’emplacement du projet.
  • Si vous utilisez VS 2019, vérifiez que la case Place solution and project in the same directory n’est pas cochée.
  • Si vous utilisez VS 2017, vérifiez que la case Create directory for solution est cochée.

Configure your app

Appuyez sur create pour créer votre projet. La fenêtre version cible minimale peut s’afficher. Assurez-vous que la version minimale est définie sur Windows 10 build 17763 ou ultérieur.

Pour créer une application et déployer un modèle avec une application WinML, vous avez besoin des éléments suivants :

  1. Une fois le projet créé, accédez au dossier du projet, ouvrez le dossier des ressources [....\classifierMLNETModel\Assets], puis copiez votre fichier bestModel.onnx à cet emplacement.

Explorer la solution de projet

Explorons votre solution de projet.

Visual Studio a créé automatiquement plusieurs fichiers cs-code à l’intérieur de l’Explorateur de solutions. MainPage.xaml contient le code XAML pour votre interface utilisateur graphique et MainPage.xaml.cs contient le code de votre application. Si vous avez déjà créé une application UWP, ces fichiers doivent vous être familiers.

Créer l’interface graphique utilisateur de l’application

Tout d’abord, nous allons créer une interface utilisateur graphique simple pour votre application.

  1. Double-cliquez sur le fichier MainPage.xaml. Dans votre application vide, le modèle XAML de l’interface utilisateur graphique de votre application est vide. Nous devons donc ajouter des fonctionnalités d’interface utilisateur.

  2. Remplacez le code MainPage.xaml par ce qui suit.

<Page
    x:Class="classifierMLNETModel.MainPage"
    xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
    xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
    xmlns:local="using:classifierMLNETModel"
    xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"
    xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"
    mc:Ignorable="d"
    Background="{ThemeResource ApplicationPageBackgroundThemeBrush}">

       <Grid Background="{ThemeResource ApplicationPageBackgroundThemeBrush}">

	
        <StackPanel Margin="1,0,-1,0">
            <TextBlock x:Name="Menu" 
                       FontWeight="Bold" 
                       TextWrapping="Wrap"
                       Margin="10,0,0,0"
                       Text="Image Classification"/>
            <TextBlock Name="space" />
            <Button Name="recognizeButton"
                    Content="Pick Image"
                    Click="OpenFileButton_Click" 
                    Width="110"
                    Height="40"
                    IsEnabled="True" 
                    HorizontalAlignment="Left"/>
            <TextBlock Name="space3" />
            <Button Name="Output"
                    Content="Result is:"
                    Width="110"
                    Height="40"
                    IsEnabled="True" 
                    HorizontalAlignment="Left" 
                    VerticalAlignment="Top">
            </Button>
            <!--Dispaly the Result-->
            <TextBlock Name="displayOutput" 
                       FontWeight="Bold" 
                       TextWrapping="Wrap"
                       Margin="25,0,0,0"
                       Text="" Width="1471" />
            <TextBlock Name="space2" />
            <!--Image preview -->
            <Image Name="UIPreviewImage" Stretch="Uniform" MaxWidth="300" MaxHeight="300"/>
        </StackPanel>
    </Grid> 
</Page>

Ajouter le modèle au projet à l’aide de Windows Machine Learning Code Generator

Windows Machine Learning Code Generator, ou mlgen, est une extension Visual Studio pour vous aider à utiliser les API WinML sur les applications UWP. Il génère le code du modèle lorsque vous ajoutez un fichier ONNX entraîné dans le projet UWP.

Le générateur de code mlgen de Windows Machine Learning crée une interface (pour C#, C++/WinRT et C++/CX) avec des classes wrapper qui appellent l’API Windows ML à votre place. Cela vous permet de charger, de lier et d’évaluer aisément un modèle dans votre projet. Nous allons l’utiliser dans ce tutoriel pour gérer plusieurs de ces fonctions à notre place.

Le générateur de code est disponible pour Visual Studio 2017 et versions ultérieures. Notez que, dans Windows 10 version 1903 et ultérieures, mlgen n’est plus inclus dans le SDK Windows 10. Vous devez donc télécharger et installer l’extension. Si vous avez suivi ce tutoriel depuis l’introduction, vous l’avez déjà géré, mais si ce n’est pas le cas, vous devez le télécharger pour Visual Studio 2019 ou pour Visual Studio 2017.

Remarque

Pour en savoir plus sur mlgen, consultez la documentation de mlgen.

  1. Si ce n’est déjà fait, installez mlgen.

  2. Cliquez avec le bouton droit sur le dossier Assets dans l’Explorateur de solutions de Visual Studio, puis sélectionnez Add > Existing Item.

  3. Accédez au dossier des ressources dans ImageClassifierAppUWP [….\ImageClassifierAppUWP\Assets], recherchez le modèle ONNX que vous avez copié précédemment, puis sélectionnez add.

  4. Une fois que vous avez ajouté un modèle ONNX (nom : « classifier ») au dossier des ressources dans l’Explorateur de solutions dans Visual Studio, le projet doit maintenant comporter deux nouveaux fichiers :

  • bestModel.onnx : il s’agit de votre modèle au format ONNX.
  • bestModel.cs : fichier de code WinML généré automatiquement.

Project structure with ONNX model added

  1. Pour vous assurer que le modèle est généré quand vous compilez l’application, sélectionnez le fichier bestModel.onnx et choisissez Properties. Pour Build Action, sélectionnez Content.

À présent, nous allons explorer le code qui vient d’être généré dans le fichier bestModel.cs.

Le code généré comprend trois classes :

  • bestModelModel : cette classe comprend deux méthodes d’instanciation de modèle et d’évaluation de modèle. Elle peut nous aider à créer la représentation du modèle Machine Learning, à créer une session sur l’appareil par défaut du système, à associer les entrées et sorties spécifiques au modèle et à évaluer le modèle de manière asynchrone.
  • bestModelInput : cette classe initialise les types d’entrée attendus par le modèle. L’entrée du modèle dépend des spécifications de celui-ci pour les données d’entrée.
  • bestModelOutput : cette classe initialise les types de sortie qui sont générés par le modèle. La sortie du modèle dépend de la façon dont elle est définie par le modèle.

Vous allez maintenant utiliser ces classes pour charger, associer et évaluer le modèle dans notre projet.

Conversion de tenseur

Pour faciliter la gestion de la « tenseurisation », remplacez la classe d’entrée TensorFloat par ImageFeatureValue.

  1. Apportez les modifications suivantes dans le fichier bestModel.cs :

Le code :

public sealed class bestModelInput
    {
        public TensorFloat input; // shape(-1,3,32,32)
    }

Devient :

public sealed class bestModelInput
    {
        public ImageFeatureValue input; // shape(-1,3,32,32)
    }

Charger le modèle et les entrées

Charger le modèle

  1. Double-cliquez sur le fichier de code MainPage.xaml.cs pour ouvrir le code de l’application.

  2. Remplacez les instructions « using » par les instructions suivantes pour accéder à toutes les API dont vous avez besoin.

// Specify all the using statements which give us the access to all the APIs that you'll need
using System;
using System.Threading.Tasks;
using Windows.AI.MachineLearning;
using Windows.Graphics.Imaging;
using Windows.Media;
using Windows.Storage;
using Windows.Storage.Pickers;
using Windows.Storage.Streams;
using Windows.UI.Xaml;
using Windows.UI.Xaml.Controls;
using Windows.UI.Xaml.Media.Imaging;
  1. Ajoutez les déclarations de variables suivantes après les instructions using à l’intérieur de votre classe MainPage sous l’espace de noms classifierMLNETModel.
		// All the required fields declaration
		private bestModelModel modelGen;
		private bestModelInput image = new bestModelInput();
		private bestModelOutput results;
		private StorageFile selectedStorageFile;
		private string label = "";
		private float probability = 0;
		private Helper helper = new Helper();

		public enum Labels
		{
			desert,
			soup,
			vegetable_fruit,
		}

À présent, nous allons implémenter la méthode LoadModel. La méthode accède au modèle ONNX et le stocke dans la mémoire. Ensuite, vous allez utiliser la méthode CreateFromStreamAsync pour instancier le modèle en tant qu’objet LearningModel. La classe LearningModel représente un modèle Machine Learning entraîné. Une fois instancié, le LearningModel est l’objet initial que vous utilisez pour interagir avec Windows ML.

Pour charger le modèle, vous pouvez utiliser plusieurs méthodes statiques dans la classe LearningModel. Dans ce cas, vous allez utiliser la méthode CreateFromStreamAsync.

Vous n’avez pas besoin d’implémenter la méthode CreateFromStreamAsync, car elle a été créée automatiquement avec mlgen. Vous pouvez passer en revue cette méthode en double-cliquant sur le fichier bestModel.cs généré par mlgen.

Pour en savoir plus sur la classe LearningModel, consultez la documentation de la classe LearningModel.

Pour en savoir plus sur les autres méthodes de chargement du modèle, consultez la documentation Charger un modèle

  1. Nous allons définir la méthode principale.
// The main page to initialize and execute the model.
public MainPage()
{
	this.InitializeComponent();
	loadModel();
}
  1. Ajoutez l’implémentation de la méthode loadModel à votre fichier de code MainPage.xaml.cs à l’intérieur de la classe MainPage.
private async Task loadModel()
{
// Get an access the ONNX model and save it in memory. 
	StorageFile modelFile = await StorageFile.GetFileFromApplicationUriAsync(new Uri($"ms-appx:///Assets/bestModel.onnx"));
// Instantiate the model. 
	modelGen = await bestModelModel.CreateFromStreamAsync(modelFile);
}

Charger l’image

  1. Nous devons définir un événement Click afin d’initier la séquence de quatre appels de méthode pour l’exécution du modèle (conversion, liaison et évaluation, extraction de sortie et affichage des résultats). Ajoutez la méthode suivante à votre fichier de code MainPage.xaml.cs à l’intérieur de la classe MainPage.
        // Waiting for a click event to select a file 
        private async void OpenFileButton_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
            if (!await getImage())
            {
                return;
            }
            // After the click event happened and an input selected, begin the model execution. 
            // Bind the model input
            await imageBind();
            // Model evaluation
            await evaluate();
            // Extract the results
            extractResult();
            // Display the results  
            await displayResult();
        }
  1. À présent, nous allons implémenter la méthode getImage(). Cette méthode sélectionne un fichier image d’entrée et l’enregistre en mémoire. Ajoutez la méthode suivante à votre fichier de code MainPage.xaml.cs à l’intérieur de la classe MainPage.
        // A method to select an input image file
        private async Task<bool> getImage()
        {
            try
            {
                // Trigger file picker to select an image file
                FileOpenPicker fileOpenPicker = new FileOpenPicker();
                fileOpenPicker.SuggestedStartLocation = PickerLocationId.PicturesLibrary;
                fileOpenPicker.FileTypeFilter.Add(".jpg");
                fileOpenPicker.FileTypeFilter.Add(".png");
                fileOpenPicker.ViewMode = PickerViewMode.Thumbnail;
                selectedStorageFile = await fileOpenPicker.PickSingleFileAsync();
                if (selectedStorageFile == null)
                {
                    return false;
                }
            }
            catch (Exception)
            {
                return false;
            }
            return true;
        }

Ensuite, vous allez implémenter une méthode Bind() d’image pour récupérer la représentation du fichier au format BGRA8 bitmap. Mais tout d’abord, vous allez créer une classe d’assistance pour redimensionner l’image.

  1. Pour créer un fichier d’assistance, cliquez avec le bouton droit sur le nom de la solution (ClassifierPyTorch), puis choisissez Add a new item. Dans la fenêtre Ouvrir, sélectionnez Class et donnez-lui un nom. Ici, nous l’appelons Helper.

Add a Helper file

  1. Un nouveau fichier de classe va apparaître dans votre projet. Ouvrez cette classe, puis ajoutez le code suivant :
using System; 
using System.Threading.Tasks; 
using Windows.Graphics.Imaging; 
using Windows.Media; 

namespace classifierPyTorch 
{ 
    public class Helper 
    { 
        private const int SIZE = 32;  
        VideoFrame cropped_vf = null; 
 
        public async Task<VideoFrame> CropAndDisplayInputImageAsync(VideoFrame inputVideoFrame) 
        { 
            bool useDX = inputVideoFrame.SoftwareBitmap == null; 

            BitmapBounds cropBounds = new BitmapBounds(); 
            uint h = SIZE; 
            uint w = SIZE; 
            var frameHeight = useDX ? inputVideoFrame.Direct3DSurface.Description.Height : inputVideoFrame.SoftwareBitmap.PixelHeight; 
            var frameWidth = useDX ? inputVideoFrame.Direct3DSurface.Description.Width : inputVideoFrame.SoftwareBitmap.PixelWidth; 
 
            var requiredAR = ((float)SIZE / SIZE); 
            w = Math.Min((uint)(requiredAR * frameHeight), (uint)frameWidth); 
            h = Math.Min((uint)(frameWidth / requiredAR), (uint)frameHeight); 
            cropBounds.X = (uint)((frameWidth - w) / 2); 
            cropBounds.Y = 0; 
            cropBounds.Width = w; 
            cropBounds.Height = h; 
 
            cropped_vf = new VideoFrame(BitmapPixelFormat.Bgra8, SIZE, SIZE, BitmapAlphaMode.Ignore); 
 
            await inputVideoFrame.CopyToAsync(cropped_vf, cropBounds, null); 
            return cropped_vf; 
        } 
    } 
} 

À présent, nous allons convertir l’image au format approprié.

La classe bestModelInput initialise les types d’entrée attendues par le modèle. Dans notre cas, nous avons configuré notre code pour attendre un ImageFeatureValue.

La classe ImageFeatureValue décrit les propriétés de l’image utilisée à transmettre dans un modèle. Pour créer un ImageFeatureValue, vous utilisez la méthode CreateFromVideoFrame. Pour plus de détails sur les raisons de cette situation et sur le fonctionnement de ces classes et méthodes, consultez la documentation de la classe ImageFeatureValue.

Remarque

Dans ce tutoriel, nous utilisons la classe ImageFeatureValue au lieu d’un tenseur. Si Windows ML ne prend pas en charge le format de couleur de votre modèle, ce ne sera pas une option. Pour obtenir un exemple d’utilisation des conversions d’images et de tenseurisation, consultez l'exemple de tenseurisation personnalisé.

  1. Ajoutez l’implémentation de la méthode convert() à votre fichier de code MainPage.xaml.cs à l’intérieur de la classe MainPage. La méthode de conversion fournit une représentation du fichier d’entrée dans un format BGRA8.
// A method to convert and bind the input image.  
        private async Task imageBind()
        {
            UIPreviewImage.Source = null;
            try
            {
                SoftwareBitmap softwareBitmap;
                using (IRandomAccessStream stream = await selectedStorageFile.OpenAsync(FileAccessMode.Read))
                {
                    // Create the decoder from the stream 
                    BitmapDecoder decoder = await BitmapDecoder.CreateAsync(stream);
                    // Get the SoftwareBitmap representation of the file in BGRA8 format
                    softwareBitmap = await decoder.GetSoftwareBitmapAsync();
                    softwareBitmap = SoftwareBitmap.Convert(softwareBitmap, BitmapPixelFormat.Bgra8, BitmapAlphaMode.Premultiplied);
                }
                // Display the image
                SoftwareBitmapSource imageSource = new SoftwareBitmapSource();
                await imageSource.SetBitmapAsync(softwareBitmap);
                UIPreviewImage.Source = imageSource;

				// Encapsulate the image within a VideoFrame to be bound and evaluated
            	VideoFrame inputImage = VideoFrame.CreateWithSoftwareBitmap(softwareBitmap);
              	// Resize the image size to 224x224 
              	inputImage=await helper.CropAndDisplayInputImageAsync(inputImage);
              	// Bind the model input with image
              	ImageFeatureValue imageTensor = ImageFeatureValue.CreateFromVideoFrame(inputImage);
				image.input1 = imageTensor;

				// Encapsulate the image within a VideoFrame to be bound and evaluated
				VideoFrame inputImage = VideoFrame.CreateWithSoftwareBitmap(softwareBitmap);
				// Bind the input image
				ImageFeatureValue imageTensor = ImageFeatureValue.CreateFromVideoFrame(inputImage);
				image.modelInput = imageTensor;

            }
            catch (Exception e)
            {
            }
        }

Lier et évaluer le modèle

Ensuite, vous allez créer une session basée sur le modèle, lier l’entrée et la sortie de la session, et évaluer le modèle.

Créez une session pour lier le modèle :

Pour créer une session, utilisez la classe LearningModelSession. Cette classe est utilisée pour évaluer les modèles Machine Learning, et lie le modèle à un dispositif qui exécute et évalue ensuite le modèle. Vous pouvez sélectionner un appareil lorsque vous créez une session pour exécuter votre modèle sur un appareil spécifique de votre ordinateur. L’appareil par défaut est le processeur.

Remarque

Pour en savoir plus sur le choix d’un appareil, consultez la documentation Créer une session.

Liez les entrées et les sorties du modèle :

La classe LearningModelBinding permet de lier une entrée et une sortie. Un modèle Machine Learning a des caractéristiques d’entrée et de sortie, qui transmettent des informations dans et hors du modèle. Sachez que les fonctionnalités requises doivent être prises en charge par les API Windows ML. La classe LearningModelBinding est appliquée sur un LearningModelSession pour lier des valeurs aux fonctionnalités d’entrée et de sortie nommées.

L’implémentation de la liaison est générée automatiquement par mlgen ; vous n’avez donc pas à vous en occuper. La liaison est implémentée en appelant les méthodes prédéfinies de la classe LearningModelBinding. Dans notre cas, elle utilise la méthode Bind pour lier une valeur au type de fonctionnalité nommé.

Évaluez le modèle :

Après avoir créé une session pour lier le modèle et les valeurs délimitées aux entrées et sorties d’un modèle, vous pouvez évaluer les entrées du modèle et obtenir ses prédictions. Pour exécuter l’exécution du modèle, vous devez appeler l’une des méthodes d’évaluation prédéfinies sur LearningModelSession. Dans notre cas, nous allons utiliser la méthode EvaluateAsync.

À l’instar de CreateFromStreamAsync, la méthode EvaluateAsync a également été générée automatiquement par WinML Code Generator. Vous n’avez donc pas besoin d’implémenter cette méthode. Vous pouvez passer en revue cette méthode dans le fichier bestModel.cs.

La méthode EvaluateAsync évalue de manière asynchrone le modèle Machine Learning à l’aide des valeurs de fonctionnalité déjà associées dans les liaisons. Elle crée une session avec LearningModelSession, lie l’entrée et la sortie à LearningModelBinding, exécute l’évaluation du modèle et obtient les fonctionnalités de sortie du modèle à l’aide de la classe LearningModelEvaluationResult.

Remarque

Pour en savoir plus sur les autres méthodes d’évaluation en vue d’exécuter le modèle, vérifiez les méthodes qui peuvent être implémentées dans la LearningModelSession en consultant la documentation de la classe LearningModelSession.

  1. Ajoutez la méthode suivante à votre fichier de code MainPage.xaml.cs à l’intérieur de la classe MainPage pour créer une session, lier et évaluer le modèle.
        // A method to evaluate the model
        private async Task evaluate()
        {
            results = await modelGen.EvaluateAsync(image);
        }

Extraire et afficher les résultats

Vous devez maintenant extraire la sortie du modèle et afficher le résultat correct, ce que vous allez effectuer en implémentant les méthodes extractResult et displayResult. Vous devez trouver la probabilité la plus élevée pour retourner l’étiquette adéquate.

  1. Ajoutez la méthode extractResult à votre fichier de code MainPage.xaml.cs dans la classe MainPage.
        // A method to extract output from the model 
        private void extractResult()
        {
            // Retrieve the results of evaluation
            var mResult = results.modelOutput as TensorFloat;
            // convert the result to vector format
            var resultVector = mResult.GetAsVectorView();
            
            probability = 0;
            int index = 0;
            // find the maximum probability
            for(int i=0; i<resultVector.Count; i++)
            {
                var elementProbability=resultVector[i];
                if (elementProbability > probability)
                {
                    index = i;
                }
            }
            label = ((Labels)index).ToString();
        }
  1. Ajoutez la méthode displayResult à votre fichier de code MainPage.xaml.cs dans la classe MainPage.
        private async Task displayResult() 
        {
            displayOutput.Text = label; 
        }

Et voilà ! Vous avez créé avec succès l’application Windows Machine Learning avec une interface graphique utilisateur de base pour tester notre modèle de classification. L’étape suivante consiste à lancer l’application et à l’exécuter localement sur votre appareil Windows.

Lancer l’application

Une fois que vous avez terminé l’interface de l’application, ajouté le modèle et généré le code Windows ML, vous pouvez tester l’application.

Activez le mode développeur et testez votre application à partir de Visual Studio. Assurez-vous que les menus déroulants de la barre d’outils supérieure sont définis sur Debug. Remplacez la plateforme de solution par la plateforme x64 pour exécuter le projet sur votre ordinateur local s’il s’agit d’un appareil 64 bits, ou par la plateforme x86 s’il s’agit d’un appareil 32 bits.

Pour tester notre application, nous allons utiliser l’image de potage ci-dessous. Voyons comment notre application classe le contenu de l’image.

Image for application testing

  1. Enregistrez cette image sur votre appareil local pour tester l’application. Remplacez le format d’image par .jpg si nécessaire. Vous pouvez également ajouter toute autre image adéquate à partir de votre appareil local dans le format .jpg ou le format .png.

  2. Pour exécuter le projet, sélectionnez le bouton Start Debugging dans la barre d’outils ou appuyez sur F5.

  3. Lorsque l’application démarre, appuyez sur Pick Image et sélectionnez l’image à partir de votre appareil local.

Application interface

Le résultat s’affiche immédiatement à l’écran. Comme vous pouvez le constater, notre application Windows ML a correctement classé l’image en tant qu’image représentant un potage.

Successful classification in your app

Résumé

Vous venez de créer votre première application Windows Machine Learning, de la création du modèle à l’exécution réussie de l’application.

Ressources complémentaires

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