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모델 학습 및 평가

  • 아티클

ML.NET을 사용한 기계 학습 모델 빌드, 메트릭 수집 및 성능 측정 방법을 알아봅니다. 이 샘플에서는 회귀 모델을 학습하지만 개념은 대부분의 다른 알고리즘에 널리 적용할 수 있습니다.

학습 및 테스트를 위한 데이터 분할

기계 학습 모델의 목표는 학습 데이터 안에서 패턴을 식별하는 것입니다. 이러한 패턴은 새 데이터를 사용하여 예측을 수행하는 데 사용됩니다.

데이터는 HousingData 같은 클래스로 모델링할 수 있습니다.

public class HousingData
{
    [LoadColumn(0)]
    public float Size { get; set; }

    [LoadColumn(1, 3)]
    [VectorType(3)]
    public float[] HistoricalPrices { get; set; }

    [LoadColumn(4)]
    [ColumnName("Label")]
    public float CurrentPrice { get; set; }
}

IDataView로 로드되는 다음 데이터의 경우:

HousingData[] housingData = new HousingData[]
{
    new HousingData
    {
        Size = 600f,
        HistoricalPrices = new float[] { 100000f ,125000f ,122000f },
        CurrentPrice = 170000f
    },
    new HousingData
    {
        Size = 1000f,
        HistoricalPrices = new float[] { 200000f, 250000f, 230000f },
        CurrentPrice = 225000f
    },
    new HousingData
    {
        Size = 1000f,
        HistoricalPrices = new float[] { 126000f, 130000f, 200000f },
        CurrentPrice = 195000f
    },
    new HousingData
    {
        Size = 850f,
        HistoricalPrices = new float[] { 150000f,175000f,210000f },
        CurrentPrice = 205000f
    },
    new HousingData
    {
        Size = 900f,
        HistoricalPrices = new float[] { 155000f, 190000f, 220000f },
        CurrentPrice = 210000f
    },
    new HousingData
    {
        Size = 550f,
        HistoricalPrices = new float[] { 99000f, 98000f, 130000f },
        CurrentPrice = 180000f
    }
};

TrainTestSplit 메서드를 사용하여 데이터를 학습 및 테스트 집합으로 분할합니다. 그 결과는 학습 집합용 하나와 테스트 집합용 하나 등, 두 IDataView 멤버를 갖는 TrainTestData 개체가 됩니다. 데이터 분할 백분율은 testFraction 매개 변수로 결정됩니다. 아래 코드 조각은 원래 데이터의 20%를 테스트 집합용으로 보유합니다.

DataOperationsCatalog.TrainTestData dataSplit = mlContext.Data.TrainTestSplit(data, testFraction: 0.2);
IDataView trainData = dataSplit.TrainSet;
IDataView testData = dataSplit.TestSet;

데이터 준비

기계 학습 모델로 학습하려면 먼저 데이터를 미리 처리해야 합니다. 데이터 준비에 대한 자세한 정보는 데이터 준비 방법 문서 및 transforms page에서 확인할 수 있습니다.

ML.NET 알고리즘은 입력 열 형식에 제약 조건이 있습니다. 또한 값을 지정하지 않은 경우 입력 및 출력 열에 기본값을 사용합니다.

예상한 열 형식 작업

ML.NET의 기계 학습 알고리즘은 입력으로 알려진 크기의 부동 소수점 벡터를 기대합니다. 모든 데이터가 이미 숫자 형식이고 다 함께 처리될 예정이라면(즉 이미지 픽셀) 데이터 모델에 VectorType 특성을 적용합니다.

데이터의 일부가 숫자가 아니며 열마다 각기 다른 데이터 변환을 적용하려는 경우 모든 열이 처리된 뒤에 Concatenate 메서드를 사용하여 모든 개별 열을 새 열에 출력되는 단일 기능 벡터로 결합합니다.

다음 코드 조각은 Size 및 HistoricalPrices 열을 새 열 Features에 출력되는 단일 기능 벡터로 결합합니다. 배율에 차이가 있기 때문에 NormalizeMinMax는 데이터 표준화를 위해 Features 열에 적용됩니다.

// Define Data Prep Estimator
// 1. Concatenate Size and Historical into a single feature vector output to a new column called Features
// 2. Normalize Features vector
IEstimator<ITransformer> dataPrepEstimator =
    mlContext.Transforms.Concatenate("Features", "Size", "HistoricalPrices")
        .Append(mlContext.Transforms.NormalizeMinMax("Features"));

// Create data prep transformer
ITransformer dataPrepTransformer = dataPrepEstimator.Fit(trainData);

// Apply transforms to training data
IDataView transformedTrainingData = dataPrepTransformer.Transform(trainData);

기본 열 이름 작업

지정하지 않은 경우 ML.NET 알고리즘은 기본 열 이름을 사용합니다. 모든 학습자는 알고리즘 입력을 위해 featureColumnName 매개 변수를 가지며 해당하는 경우 예상된 값에 대한 매개 변수 labelColumnName도 갖습니다. 이러한 값은 기본적으로 각각 Features 및 Label입니다.

미리 처리하는 중에 Concatenate 메서드를 사용하여 Features라는 새 열을 만들면 알고리즘의 매개 변수에서 기능 열을 지정할 필요가 없습니다. 미리 처리된 IDataView에 이미 존재하기 때문입니다. 레이블 열은 CurrentPrice이지만 데이터 모델에서 ColumnName 특성을 사용하므로 ML.NET이 CurrentPrice 열의 이름을 Label로 바꿉니다. 이 때문에 labelColumnName 매개 변수를 기계 학습 모델 평가자에 제공할 필요가 없습니다.

기본 열 이름을 사용하지 않으려면 이후의 코드 조각에서 설명하는 것처럼 기계 학습 알고리즘 평가자를 정의할 때 기능과 레이블 열 이름을 매개 변수로 전달합니다.

var UserDefinedColumnSdcaEstimator = mlContext.Regression.Trainers.Sdca(labelColumnName: "MyLabelColumnName", featureColumnName: "MyFeatureColumnName");

데이터 캐싱

기본적으로 데이터를 처리할 때 데이터는 지연 로드되거나 스트리밍됩니다. 즉, 트레이너가 디스크에서 데이터를 로드하고 학습 중에 여러 번 반복할 수 있습니다. 따라서 데이터를 디스크에서 로드하는 횟수를 줄일 수 있도록 메모리에 맞는 데이터 세트를 위해 캐싱을 권장합니다. 캐싱은 AppendCacheCheckpoint를 사용하여 EstimatorChain의 일부로 이루어집니다.

파이프라인의 모든 트레이너 전에 AppendCacheCheckpoint를 사용하는 것이 좋습니다.

다음 EstimatorChain을 사용하여 StochasticDualCoordinateAscent 트레이너 앞에 AppendCacheCheckpoint를 사용하면 이전 예측 도구의 결과가 나중에 트레이너에서 사용되도록 캐시됩니다.

// 1. Concatenate Size and Historical into a single feature vector output to a new column called Features
// 2. Normalize Features vector
// 3. Cache prepared data
// 4. Use Sdca trainer to train the model
IEstimator<ITransformer> dataPrepEstimator =
    mlContext.Transforms.Concatenate("Features", "Size", "HistoricalPrices")
        .Append(mlContext.Transforms.NormalizeMinMax("Features"))
        .AppendCacheCheckpoint(mlContext);
        .Append(mlContext.Regression.Trainers.Sdca());

기계 학습 모델 학습

데이터를 미리 처리한 후에는 Fit 메서드를 사용하여 StochasticDualCoordinateAscent 회귀 알고리즘으로 기계 학습 모델을 학습합니다.

// Define StochasticDualCoordinateAscent regression algorithm estimator
var sdcaEstimator = mlContext.Regression.Trainers.Sdca();

// Build machine learning model
var trainedModel = sdcaEstimator.Fit(transformedTrainingData);

모델 매개 변수 추출

모델을 학습한 후에는 검사 또는 재학습을 위해 학습한 ModelParameters를 추출합니다. LinearRegressionModelParameters는 편차와 학습된 계수 또는 학습된 모델의 가중치를 제공합니다.

var trainedModelParameters = trainedModel.Model as LinearRegressionModelParameters;

참고 항목

다른 모델에는 해당 작업에 특정한 매개 변수가 있습니다. 예를 들어, K-Means 알고리즘은 무게 중심에 따라 클러스터에 데이터를 배치하며 KMeansModelParameters에는 이러한 학습된 무게 중심을 저장하는 속성이 있습니다. 자세한 정보는 Microsoft.ML.Trainers API 설명서에서 이름에 ModelParameters가 포함된 클래스를 찾아보세요.

모델 품질 평가

최상의 모델을 선택하기 위해 테스트 데이터에서 성능을 반드시 평가해야 합니다. Evaluate 메서드를 사용하여 학습된 모델에 대한 여러 메트릭을 측정합니다.

참고 항목

Evaluate 메서드는 수행된 기계 학습 작업에 따라 다른 메트릭을 생성합니다. 자세한 정보는 Microsoft.ML.Data API 설명서에서 이름에 Metrics가 포함된 클래스를 찾아보세요.

// Measure trained model performance
// Apply data prep transformer to test data
IDataView transformedTestData = dataPrepTransformer.Transform(testData);

// Use trained model to make inferences on test data
IDataView testDataPredictions = trainedModel.Transform(transformedTestData);

// Extract model metrics and get RSquared
RegressionMetrics trainedModelMetrics = mlContext.Regression.Evaluate(testDataPredictions);
double rSquared = trainedModelMetrics.RSquared;

앞의 코드 샘플에서:

  1. 테스트 데이터 세트는 앞에서 정의한 데이터 준비 변환을 통해 미리 처리됩니다.
  2. 학습된 기계 학습 모델을 사용하여 테스트 데이터에 대한 예측을 수행합니다.
  3. Evaluate 메서드에서 테스트 데이터 세트의 CurrentPrice 열 값을 새 출력 예측의 Score 열과 비교하여 회귀 모델의 메트릭을 계산하는데, 이 중 하나인 R 제곱이 rSquared 변수에 저장됩니다.

참고 항목

이 작은 예제에서 R 제곱은 데이터의 크기 제한으로 인해 0-1 범위에 있지 않은 숫자입니다. 실제 시나리오에서는 0과 1 사이의 값이 됩니다.