Introducción a los LLM, en Inglés Large Language Model, que revolucionaron el campo del Procesamiento del Lenguaje Natural (NLP) crearon tendencia gracias a ChatGPT e incluso pusieron en cuestión la posibilidad de alcanzar el AGI, el punto de quiebre en el que la Inteligencia Artificial se vuelve autónoma y más poderosa que la inteligencia humana.

En este artículo vamos a comentar cómo surgen las LLMs, el cambio de paradigma, sus modelos actuales y cómo disrumpe en prácticamente todas las áreas laborales.

Definición de LLM

Los Grandes Modelos de Lenguaje son modelos de propósito general de Inteligencia Artificial desarrollados dentro del campo del Procesamiento del Lenguaje Natural que puede entender y generar texto al estilo humano.

Un LLM es un modelo estadístico que determina la probabilidad de ocurrencia de una secuencia de palabras en una oración.

Los modelos más famosos actuales “GPT” tienen una arquitectura basada en Transformers (2017) y usan redes neuronales que son entrenadas con inmensas cantidades de texto obtenidos y “curados” de internet, incluyendo libros, periódicos, foros, recetas, legales, paper científicos, patentes, enciclopedias.

Para darnos una idea de la inmensa cantidad de información que utiliza GPT-3, es el equivalente a que una persona leyera 120 palabras por minuto las 24 horas del día sin parar durante 9 mil años.

Cambio de paradigma

Desde hace más de 50 años se vienen creando diversas arquitecturas de redes neuronales que van siendo refinadas y especializadas en tareas como las redes convolucionales para clasificación de imágenes, Redes Recurrentes para NLP, Redes para audio, redes profundas para ventas. Dentro del propio campo de NLP se entrenaban modelos de lenguaje para distintas tareas con datasets específicos, por ejemplo para “análisis de sentimiento” ó traducción de textos de inglés a español, resumen de noticias.

Cuando surge la arquitectura de Transformers en 2017, confluye una serie de buenas prácticas que facilitan el poder entrenar grandes cantidades de texto de manera no supervisada (next-word) utilizando el poder de procesamiento de las GPUS (en paralelo) con una buena relación de precio, tiempo y calidad en los resultados obtenidos.

Entonces, surge algo por sorpresa: un modelo del lenguaje que sólo era entrenado para traducir texto de inglés a francés era capaz de responder a preguntas como “¿cuál es la capital de Francia?” ó de realizar tareas como la de análisis de sentimiento o resumen de conceptos: todo ello en un mismo modelo!

A esas capacidades inesperadas que adquiere el modelo se le conocen como “zero-shot“. Además una vez que el modelo queda entrenado, se lo puede utilizar en diversidad de tareas y se puede seguir reutilizando haciendo un “fine-tuning” con pocos datos adicionales y seguir expandiendo sus capacidades.

¿Ser o no ser con Código?

Una curiosidad: Al crear los inmensos datasets para entrenar los LLMs se excluía deliberadamente los bloques de código (Python, java, javascript) como una manera de limpiar los datos. Sin embargo más tarde descubrieron que al incluir código, los modelos eran capaces de programar, pero también se volvían “más inteligentes” para realizar razonamientos lógicos.

¿Una SuperInteligencia?

Cuando OpenAI tuvo entrenado al modelo GPT-2 en 2019 lo vio tan potente que creyó que no era buena idea liberarlo por miedo al posible mal uso que se pudiera hacer de él.

Con GPT3 el modelo LLM ya era capaz de crear cuentos, poemas y noticias falsas que eran indistinguibles -apenas-de la escritura humana.

El modelo Bard(Lamda) de Google logró confundir a un ingeniero que trabajaba en su desarrollo para hacerle creer que tenia conciencia propia, que la IA era un “ser sintiente”. El test de Turing estaba definitivamente resulto.

A finales de 2022 OpenAI lanza ChatGPT que se viraliza en redes sociales haciendo que un producto de este tipo alcance la cantidad de un millón de usuarios en menos de una semana, algo comparable al crecimiento de adquisición de usuarios que logran las redes sociales más populares.

Entonces surgen montones de dudas: ¿Es realmente inteligente ChatGPT? Puede contestar preguntas de lo que sea? Puede saber más que un médico? Va a reemplazar mi trabajo? Puede convertirse en una tecnología peligrosa?

De hecho a principios de 2023 con la salida de GPT-4 dentro de ChatGPT un grupo de 1000 científicos de todo el mundo firmaron una petición para detener el desarrollo de este tipo de modelos de lenguaje durante 6 meses para estudiar si es responsable y beneficioso su uso libre o si por el contrario, estamos a tiempo de frenar esta tecnología que nos puede llevar al fin del mundo…

Si bien mantener una charla con este tipo de bots es sorprendente, los científicos reputados como Andrew Ng (deeplearning.ai) y Yann LeCun (Meta) mantienen la calma (y el escepticismo) dando un mensaje de que una IA que “sólo aprendió a predecir la próxima palabra” aún está lejos de convertirse en AGI y que de hecho, sufre de alucinaciones, no puede realizar cálculos matemáticos sencillos ni deducciones lógicas, está lejos de ser una herramienta peligrosa.

Modelos que siguen Instrucciones

Dentro del desarrollo de LLMs hay dos grandes tipos en los que los podemos subdividir; los modelos “base” (ó crudos) y los “Instruction Tuned LLM“. Los modelos Base son los modelos “generales” que están entrenados en predecir la siguiente palabra. Los modelos tuneados para seguir instrucciones son entrenados para seguir instrucciones a partir de un grupo de ejemplos; estos son los que permiten que tengamos diálogo mediante chats, como el propio ChatGPT.

Una analogía entre estos dos modelos, podría ser la de un médico clínico (conocimiento general) y un médico especialista. Si preguntamos al médico “base” sobre unos síntomas nos dará una respuesta general que puede ser buena, pero si la pregunta es específica para un área (ej. en cardiología) obtendremos mejor respuesta del médico especialista.

Los modelos de instrucciones son los que nos permiten hacer que el LLM pueda generar listas con resultados, o crear canciones, contestar preguntas con mayor precisión pero también prevenir dar malas respuestas ó inapropiadas (también llamadas tóxicas) que puede contener el modelo base (sin filtros). El modelo base podría contener información sobre cómo fabricar un químico peligroso, pero dentro del finetuning del modelo basado en instrucciones podríamos evitar que esa información aparezca en sus respuestas.

Los Instruction-models están entrenados para ser “Helpful-Honest-Harmless“, es decir que brinden ayuda, sean honestos e inocuos. Pero ¿cómo evaluamos al modelo de instrucciones? ¿cómo sabemos que podemos liberarlos al público sin peligro? Mediante el mecanismo de RLHF

EL RLHF, “un tipo en el Loop”

El Reinforcement Learning with Human Feedback es un paso adicional para mejorar al modelo. Para ello pasamos preguntas y las respuestas generadas por el LLM a un grupo de personas que evaluarán si la respuesta es de calidad ó si por el contrario incumple las normas. Esto retroaliementará mediante “premios ó castigos” al modelo, permitiendo reajustar sus parámetros gracias al Aprendizaje por refuerzo.

Es como si intentáramos dotar de una personalidad al modelo para que se “comporte” de una forma esperada y respetuosa.

Este paso adicional en donde necesitamos un grupo de personas es un coste adicional que sólo pueden permitirse grandes empresas. Lo interesante como Ingenieros o Científico de Datos es poder contar con un modelo que siga instrucciones que sea libre y poder ajustarlo a nuestro antojo.

Panorama LLMs 2023 y la llama que llama

Desde 2018 que empezaron a aparecer LLMs entrenadas por las grandes compañías IT, recordemos algunas de ellas, su aporte y los modelos recientes, a Septiembre de 2023.

LLM destacadas

Fecha, nombre, compañía, parámetros en “Billions”*, aporte

*NOTA, recuerda que el uso de “Billions” en inglés es distinto al valor Billón del español.

• 2018 Octubre – BERT – Google – ? – Utiliza la Arquitectura Transformer sólo su rama encoder.
• 2019 Julio – Roberta – Meta – 0.35B – versión multilenguaje optimizada de BERT.
• 2019 Noviembre – GPT2 – OpenAI – 1.5B – Entrenado para predecir la Siguiente Palabra. Utiliza sólo decoder de la arquitectura de Transformers.
• 2020 Mayo – GPT3– OpenAI – 175B – Alcanza un nivel de conversación al nivel humano. Puede generar textos, noticias o literatura fantástica sin problemas.
• 2022 Enero – Lamda – Google – 137B – Modelo de lenguaje tuneado para chat y diálogos, priorizando ser agradable a los humanos.
• 2022 Marzo – Chinchilla – DeepMind – 70B – Demostró que con un “presupuesto limitado” la mejor performance no se consigue con modelos enromes si no con modelos más pequeños entrenados con más datos.
• 2022 Marzo – InstrucGPT – OpenAI – 175B – Entrenado con RLHF para seguir instrucciones
• 2022 Abril – PALM – Google – 540B – Supera al hombre en muchas tareas del “bigbench” definidas como punto de referencia.
• 2022 Octubre – FLANT5 – Google – 11B – Modelo basado en PALM para seguir instrucciones libre bajo licencia Apache 2.
• 2022 Noviembre – BLOOM – BigScience – Entrenado en 59 idiomas para uso libre.
• 2023 Febrero – Llama – Meta – 13B/65B – “supera a GPT3 siendo 10 veces más pequeño”. Es libre pero no para uso comercial.
• 2023 Marzo – GPT4 – OpenAI – ? – Se desconoce su tamaño, pero es el modelo más poderoso en la actualidad.
• 2023 Mayo – Palm2 -Google – ? – “Tiene capacidades multi-lenguaje y de razonamiento más eficientes con menor cómputo”.
• 2023 Mayo – Falcon – TII – 40B – “40 billones de parámetros entrenados en un trillón de tokens”.
• 2023 Julio – LLAMA2 – META – 180B – Permite ser utilizado comercialmente!
• 2023 Septiembre – Falcon – TII – 180B – Opensource! Supera a LLAMA2

Conclusión

Los Grandes Modelos de Lenguaje están apoderándose de toda la popularidad de la Inteligencia Artificial y lo tienen justificado; son realmente grandiosas en sus tareas y han logrado traer a la agenda de los organismos internacionales la importancia de regular este tipo de tecnologías, su importancia, riesgos e impacto que tendrá en nuestra sociedad (global), incluyendo el plano económico y laboral.

Las LLMS han pateado el tablero a las grandes compañías, creando una nueva carrera en IA, el propio Google vio amenazado su negocio como motor de búsqueda, Microsoft trazo alianzas estratégicas con OpenAI y reflotó a Bing agregando funciones de Chat con IA y dando acceso a LLMs desde su servicio en la nube Azure.

Las personas que están trabajando con esta tecnología creen que las LLMs se han convertido en compañeros indispensables para casi cualquier tareas, potenciando nuestras tareas, no para reemplazarnos si no para aumentarnos (en marketing, programación, toma de decisiones, investigación, escritura…)

En próximos artículos hablaré sobre el prompt engineering, las librerías python que nos ayudan a implementar LLMs en local y en la nube y en cómo construir nuestros propios sistemas privados al estilo de ChatGPT.

Espero que hayas disfrutado del artículo!

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En artículos anteriores, hablamos sobre la clasificación de imágenes y sobre cómo hacer detección de objetos en tiempo real gracias a Yolo. Esta vez hablaremos sobre “Seguimiento de objetos” (Object Tracking en inglés) en donde sumamos una nueva “capa” de inteligencia dentro del campo de Visión Artificial.

La Problemática del rastreo de objetos

Imaginemos que tenemos un cámara de seguridad en donde aplicamos un modelo de Machine Learning como Yolo que detecta coches en tiempo real. Agregamos un “rectángulo rojo” (ó caja) sobre cada automóvil que se mueve. Bien. Queremos contabilizar cuántos de esos vehículos aparecen en pantalla durante una hora; ¿cómo hacemos?. Hasta ahora, sabemos los coches que hay en cada frame del video. En el primer fotograma hemos detectado 3 coches. En el segundo cuadro tenemos 3 coches. ¿Son los mismos ó son coches distintos? ¿Qué ocurre cuando en el siguiente fotograma aparece un cuarto coche? ¿Cuántos coches sumamos? 3 + 3 + 4 ? Tendremos un mal recuento en el transcurso de una hora, si no aplicamos un algoritmo adecuado para el rastreo de vehículos.

Espero que con ese ejemplo empieces a comprender la problemática que se nos plantea al querer hacer object tracking. Pero no es sólo eso, además de poder identificar cada objeto en un cuadro y mantener su identidad a lo largo del tiempo, aparecen otros problemas “clásicos”: la oclusión del objeto la superposición y la transformación.

• Oclusión: cuando un objeto que estamos rastreando queda oculto momentáneamente o parcialmente por quedar detrás de una columna, farola ú otro objeto.
• Superposición de objetos: ocurre cuando tenemos a dos jugadores de fútbol con camiseta blanca y uno pasa por detrás de otro, entonces el algoritmo podría ser incapaz de entender cuál es cada uno.
• Transformación del objeto: tenemos identificada a una persona que camina de frente con una camiseta roja y luego cambia de rumbo y su camiseta por detrás es azul. Es la misma persona pero que en el transcurso de su recorrido va cambiando sus “features”.
• Efectos visuales: ocurre cuando al cristal de un coche le da el sol y genera un destello, lo cual dificulta su identificación. O podría ser que pase de una zona soleada a una con sombra generando una variación en sus colores.

Algoritmos de Seguimiento:

Para poder realizar el object tracking y resolver los problemas antes mencionados se desarrollaron diversos algoritmos, siendo los más conocidos sort, deepsort, bytetrack y actualmente siguen apareciendo nuevos.

Lo básico que queremos de un algoritmo de detección es que primero identifique al objeto y que pasado el tiempo mantenga su “etiqueta”. Pero… que lo haga muy rápido, porque si estamos analizando un video en vivo no podemos congelar la imagen durante más de un segundo, ó resultará en una experiencia poco agradable.

Listemos los algoritmo de Tracking y algunas de sus características, más adelante comentaremos con un poco más de detalle el algoritmo de Byte Track, que es el que utilizaremos en el ejercicio.

• Sort (Simple Online Realtime Tracking): utiliza la posición y el tamaño de la caja que contiene al objeto. Se predice la posición/trayectoria por su velocidad constante.
• DeepSort: Mejora a Sort al agregar información sobre la apariencia del objeto mediante un vector creado a partir de las capas ocultas de una red neuronal profunda que debe ser entrenada.
• StrongSort: Modifica las funciones de costo y métricas de DeepSort para mejorar sus resultados.
• FairMOT: integra la identificación del objeto dentro de la propia red de detección encoder-decoder.
• ByteTrack: utiliza las cajas de detección de alta y baja confianza para mantener trayectorias que puedan estar poco visibles durante el video.

En un principio de los tiempos, se intentaba poder identificar a una clase de objeto y mantener su localización. Actualmente y gracias al mayor poder de cómputo, el tipo de tarea/problema se conoce como “Multiple object tracking with Re-Identification“; en donde podemos detectar diversas clases y mantener su identificación con el paso del tiempo.

Casos de Uso

Estos son algunas de las aplicaciones que puedes realizar con Object Tracking

Seguimiento de personas / objeto de interés

Contabilizar vehículos (u objetos)

Entrada en una zona determinada

Trazado de rutas

¿Cómo funciona ByteTrack para seguimiento de Objetos?

ByteTrack utiliza IoU en su algoritmo. La mayoría de métodos obtienen las identidades asociando cajas de detección si los scores son mayores a un umbral (por ej. mayor a 80%). Los objetos con menor score de detección -por ej. objetos que estén parcialmente ocultos tras “una farola”- son eliminados causando trayectorias de identificación erróneas. Para resolver este problema, ByteTrack utiliza los scores de confianza altos y bajos.

IoU: nos da un porcentaje de acierto del área de predicción frente a la bounding-box real que queríamos detectar.

Comprendamos el algoritmo paso a paso:

Inicialización: Tenemos las entradas como una secuencia de Video “V”, el detector de objetos (Yolo) “Det”; el límite de confianza de score “L”. La salida será “T” siendo las rutas que sigue en el video. Comenzamos con T vacíos.

Para cada cuadro de video, predecimos las cajas de detección y scores usando Yolo. Separamos todas las cajas en dos partes: “D_high” y “D_low” según su puntaje alto o bajo del umbral “L”.

Luego de separar las cajas con los puntajes Altos y Bajos, usamos el Kalman Filter para predecir las nuevas ubicaciones en el frame actual de cada Trayectoria T.

La primer asociación se realiza entre las cajas de Score alto D_high y todos los tracks T (incluyendo los tracks perdidos “T_lost”).

Mantenemos las detecciones que quedaron sin asociarse en “D_remain” y los trayectos sin pareja en “T_remain”.

La segunda asociación intentará emparejar las cajas de bajo puntaje D_low y las restantes rutas “T_remain” de la primer asociación.

Seguiremos manteniendo las trayectorias huérfanas en “T_re-remain” y borrar todas las cajas sin emparejar de bajo puntaje.

Para los tracks sin pareja de esta segunda iteración, las pondremos en T_lost. Para cada track en T_lost si se mantiene sin relación por “30 frames”, lo eliminamos de “T”.

Finalmente inicializamos nuevos trayectos desde las cajas de alto score sin emparejar que teníamos en D_remain de la primer asociación.

NOTA: para realizar las asociaciones podemos usar métodos de “location” o “feature”. La principal innovación del algoritmo de ByteTrack es el uso de los scores de alta y baja confianza de las cajas detectadas.

Puedes revisar la implementación oficial en Python de ByteTrack en este enlace.

Comentario sobre Kalman Filter

No sólo la apariencia del objeto (features) es importante si no también la información sobre su movimiento y trayectoria. El Kalman filter predice donde estará un objeto que estaba en el frame t-1 en el próximo frame t. La distancia entre la predicción y la posición real detectada será el costo de la función. El Kalman filter es un filtro Lineal y asume el mismo ruido para todos los objetos.

¿Estado del arte?

En la siguiente gráfica vemos que ByteTrack tiene un buen equilibrio entre velocidad de detección y predicción de trayectorias, siendo el mejor de su momento (oct-2021), hasta principios de 2022. En 2022 fue superado por BoT-SORT y a finales de ese mismo año por SMILETrack.

Ejercicio: seguimiento de Skaters

Vamos a crear un script de 100 líneas en donde utilizaremos un modelo Yolo v8 preentrenado para la detección de 80 clases de objetos diferentes, incluyendo personas y skates. Iteraremos por los frames de un video en donde realizaremos la detección y alimentaremos con sus features al algoritmo de rastreo ByteTrack que se encargará de identificar al objeto.

Si tenemos éxito, veremos cómo el “objeto” se mantiene con el mismo identificador durante el video.

Si el algoritmo falla en su detección, asignará un nuevo ID, pues creerá que se trata de un objeto nuevo.

Crear el Environment

Puedes clonar el repositorio GitHub del ejercicio antes de empezar, para contar con los archivos necesarios.

Crea un nuevo ambiente Python utilizando Anaconda ejecutando:

conda create -n tracking python=3.9 numpy

Activa el ambiente

conda activate tracking

Instala ahora los paquetes con las versiones necesarias mediante pip

pip install -r requirements.txt

Código python

Primero importamos los paquetes que utilizaremos

import cv2
import numpy as np
import torch
from ultralytics.nn.autobackend import AutoBackend
from ultralytics.yolo.data.dataloaders.stream_loaders import LoadImages
from ultralytics.yolo.utils.ops import non_max_suppression, scale_boxes
from ultralytics.yolo.utils.plotting import Annotator, colors

from bytetrack.byte_tracker import BYTETracker

Inicialización de variables, aqui elegimos el video mp4 al que le aplicaremos la detección, en mi ejemplo el archivo se llama skateboard_01.mp4.

save_vid = False
video_file = 'skateboard_01.mp4'
vid_writer = None
save_path = video_file[:-4] + '_output.mp4'

conf_thres = 0.25
iou_thres = 0.45
classes = [0, 36]  # person, skateboard
agnostic_nms = False
max_det = 100
line_thickness = 2
imgsz = (640, 640)
vid_stride = 1

Cargamos el modelo preentrenado “nano” de Yolo (el más pequeño), la primera vez, el modelo se descargará.

detection_model = AutoBackend("yolov8n.pt")
detection_model.warmup()
stride, names, pt = detection_model.stride, detection_model.names, detection_model.pt

Instanciamos el algoritmo de Detección:

bytetracker = BYTETracker(
    track_thresh=0.6, match_thresh=0.8, track_buffer=120, frame_rate=30
)
tracker = bytetracker

Creamos un “loader” de las imágenes del video que vamos a procesar e inicializamos el Archivo de video mp4 de Salida:

dataset = LoadImages(
    video_file,
    imgsz=imgsz,
    stride=stride,
    auto=pt,
    transforms=None,
    vid_stride=vid_stride,
)
path, im, im0s, vid_cap, s = next(iter(dataset))

fps = vid_cap.get(cv2.CAP_PROP_FPS)
w = int(vid_cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH))
h = int(vid_cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT))
vid_writer = cv2.VideoWriter(
    save_path, cv2.VideoWriter_fourcc(*"mp4v"), fps, (w, h)
)

Entramos al Loop principal; aqui, realizaremos la detección de los objetos y luego aplicaremos el algoritmo de seguimiento para “re-identificar” objetos. Luego “imprimimos” en pantalla (frame) una caja y su ID.

for frame_idx, batch in enumerate(dataset):
    path, im, im0s, vid_cap, s = batch
    detections = np.empty((0, 5))
    im = torch.from_numpy(im).to("cpu").float()  # uint8 to fp16/32
    im = torch.unsqueeze(im/255.0, 0)

    result = detection_model(im)

    p = non_max_suppression(
        result, conf_thres, iou_thres, classes, agnostic_nms, max_det=max_det
    )

    for i, det in enumerate(p):
        p, im0, _ = path, im0s.copy(), getattr(dataset, "frame", 0)

        if det is not None and len(det):
            det[:, :4] = scale_boxes(
                im.shape[2:], det[:, :4], im0.shape
            ).round()  # rescale boxes to im0 size

        track_result = tracker.update(det.cpu(), im0)

        annotator = Annotator(im0, line_width=line_thickness, example=str(names))

        # dibujar los contornos de los objetos detectados
        if len(track_result) > 0:
            for j, (output) in enumerate(track_result):
                bbox = output[0:4]
                id = int(output[4])  # integer id
                cls = int(output[5]) # integer class
                conf = output[6]
                label = f"{id} {names[cls]} {conf:.2f}"
                annotator.box_label(bbox, label, color=colors(cls, True))

    im0 = annotator.result()
    cv2.imshow(str(p), im0)  # mostrar en pantalla
    cv2.waitKey(1)

    vid_writer.write(im0)  # guardar frame en video

vid_writer.release()
cv2.destroyAllWindows()

En menos de 100 líneas de código podemos procesar videos y detectar objetos mediante Yolov8 y ByteTrack.

Video de salida ejemplo

Conclusión

En este artículo aprendimos los problemas y puntos clave a resolver para llevar a cabo el seguimiento de objetos en el campo de la Visión Artificial. Cada año aparecen nuevos algoritmos que complementan la detección de múltiples objetos (siendo la mejor en mi opinión Yolo) permitiendo el rastreo en tiempo real y preciso de objetos. Gracias a ello, podemos realizar trazado de rutas ó comprender cuando un objeto entra en una zona determinada para “disparar las alarmas/acciones” necesarias…

Recuerda que tienes el ejercicio completo en mi repositorio de Github. Tienes la opción de ejecutar en una Jupyter Notebook o mediante un script de Python al que puedes pasar como parámetro el video mp4 que quieras probar.

Nos vemos en la próxima!

Recursos / Enlaces

• Repositorio con todos los archivos
• Jupiter Notebook
• Script en Python

Otros artículos de interés (en inglés)

• Understanding Multiple Object Tracking using DeepSORT
• Guide to Object Tracking
• What is Object Tracking in Computer Vision?

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Crearemos nuestra propia IA de generación de texto basada en los diálogos y entrevistas de Ibai Llanos publicados en Youtube. Usaremos un modelo pre-entrenado GPT-2 en castellano disponible desde HuggingFace y haremos el fine-tuning con Pytorch para que aprenda el estilo de escritura deseado.

En este artículo comentaremos brevemente el modelo GPT-2 y crearemos un entorno en Python desde donde poder entrenar y generar texto!

¿Qué son los modelos GPT?

GPT significa “Generative Pre-Training” y es un modelo de Machine Learning creado por OpenAI para la generación de texto. El modelo de Procesamiento del Lenguaje Natural, es un caso particular de Transformers. GPT propone el pre-entrenamiento de un enorme corpus de texto para luego -opcionalmente- realizar el fine-tuning.

El fine-tuning es el proceso de realizar un “ajuste fino” de los parámetros ó capas de la red neuronal, en nuestro caso con un dataset adicional para guiar al modelo a obtener las salidas deseadas.

¿Entonces es aprendizaje no supervisado? Sí; se considera que es aprendizaje no supervisado porque estamos pasando al modelo enormes cantidades de texto, que el modelo organizará automáticamente y le pedimos que “prediga la siguiente palabra” usando como contexto todos los tokens previos (con posicionamiento!). El modelo ajusta sin intervención humana los embeddings y los vectores de Atención. Algunos autores lo consideran aprendizaje “semi-supervisado” porque consideran como “etiqueta de salida” el token a predecir.

Ejemplo: Si tenemos la oración “Buenos días amigos”, el modelo usará “Buenos días” para predecir como etiqueta de salida “amigos”.

Este modelo puede usarse directamente como modelo generativo luego de la etapa de aprendizaje no supervisado (sin hacer fine-tuning).

Al partir de este modelo en crudo y realizar un fine-tuning a nuestro antojo, podemos crear distintos modelos específicos: de tipo Question/Answering, resumen de textos, clasificación, análisis de sentimiento, etc.

Eso es lo que haremos en el ejercicio de hoy: descargar el modelo GPT y realizar el fine-tuning!

¿Cómo es la arquitectura de GPT-2?

GPT es un modelo Transformer. Utiliza sólo la rama “Tansformer-Decoder” a diferencia de modelos como BERT que utilizan la rama Encoder. De esta manera se elimina la Atención cruzada, pues ya no es necesaria y mantiene la “Masked Self-Attention”.

 Entre sus características:

• El Transformer Decoder utiliza Masked Self-Attention. Sólo utiliza los tokens precedentes de la oración para calcular la atención del token final.
• GPT es un modelo con posicionamiento absoluto de embeddings.
• GPT fue entrenado con “Causal Language Modelling” y es poderoso para predecir el “siguiente token” de la oración. Esto le permite generar texto coherente, imitando al lenguaje de los humanos.
• GPT-2 fue entrenado con el texto de 8 millones de páginas web que acumulan más de 40GB.
• GPT-2 tiene 1500 millones de parámetros en su versión Extra-Large.
• El tamaño de vocabulario es de 50.257 tokens.
• Existen 4 modelos de distinto tamaño de GPT-2 según la cantidad de decoders y la dimensionalidad máxima.

Como vemos, la versión pequeña tiene un tamaño aún manejable para entrenar en un ordenador “normal”. Es la versión del modelo que utilizaremos en el ejercicio.

Zero shot Learning

Una ventaja que se consigue al entrenar al modelo con millones de textos de conocimiento general (en contraposición a utilizar textos sobre un sólo tema) es que el modelo consigue habilidades “zero shot”, es decir, logra realizar satisfactoriamente algunas tareas para las que no ha sido entrenado específicamente. Por ejemplo, GPT-2 puede traducir textos de inglés a francés sin haber sido entrenado para ello. También consigue responder a preguntas ó generar código en Java.

¿Por qué usar GPT-2?

Puede que sepas de la existencia de GPT-3 y hasta puede que hayas escuchado hablar sobre el recientemente lanzado “ChatGPT” que algunos denominan como GPT-3.5 ó GPT-4. Entonces, ¿porqué vamos a usar al viejo GPT-2 en este ejercicio?

La respuesta rápida es porque GPT-2 es libre!, su código fue liberado y tenemos acceso al repositorio y a su implementación desde HuggingFace. Existen muchos modelos libres tuneado de GPT-2 y publicados que podemos usar. Si bien cuenta con un tamaño de parámetros bastante grande, GPT-2 puede ser reentrenado en nuestro propio ordenador.

En cuanto a resultados, GPT-2 fue unos de los mejores de su época (Feb 2019), batiendo records y con valores -en algunos casos- similares a los del humano:

En cambio GPT-3 aún no ha sido liberado, ni su código ni su red pre-entrenada, además de que tiene un tamaño inmensamente mayor a su hermano pequeño, haciendo casi imposible que lo podamos instalar ó usar en nuestra computadora de casa ó trabajo.

Es cierto que puedes utilizar GPT-3 mediante la API de pago de OpenAI y también se puede utilizar ChatGPT de modo experimental desde su web. Te animo a que lo hagas, pero no dejes de aprender a utilizar GPT-2 que será de gran ayuda para comprender como ajustar uno de estos modelos de lenguaje para tus propios fines.

¿Qué tiene que ver HuggingFace en todo esto?

HuggingFace se ha convertido en el gran repositorio de referencia de modelos pre-entrenados. Es un sitio web en donde cualquier persona ó insitutición pueden subir sus modelos entrenados para compartirlos.

HuggingFace ofrece una librería python llamada transformers que permite descargar modelos preentrenados de NLP (GPT, BERT, BART,ELECTRA, …), utilizarlos, hacer el fine tuning, reentrenar.

En el ejercicio que haremos instalaremos la librería de HuggingFace para acceder a los modelos de GPT.

Modelo pre-entrenado en Español

Dentro de HuggingFace podemos buscar modelos para NLP y también para Visión Artificial, cómo el de Stable Diffusion, para crear imágenes, como se explica en un anterior post del blog!).

Y podemos encontrar Modelos con distintos fines. En nuestro caso, estamos interesados en utilizar un modelo en Español.

Usaremos el modelo llamado “flax-community/gpt-2-spanish“, puedes ver su ficha aquí, y desde ya, agradecemos enormemente al equipo que lo ha creado y compartido gratuitamente. Ocupa unos 500MB.

Un detalle, que verás en el código: realmente cargaremos una red pre-entrenada con los pesos y el embeddings PERO también usaremos el tokenizador! (es decir, cargaremos 2 elementos del repositorio de HuggingFace, no sólo el modelo).

El proyecto Python: “Tu propio bot influencer”

En otros artículos de NLP de este tipo, utilizan textos de Shakespeare porque es un escritor reconocido, respetado y porque no tiene derechos de autor. Nosotros utilizaremos textos de Ibai Llanos generados a partir de transcripciones generadas automáticamente por Whisper de sus videos de Youtube. Ibai es un reconocido Streamer español de Twitch. ¿Porqué Ibai? Para hacer divertido el ejercicio! Para que sea en castellano, con jerga actual

El proyecto consiste en tomar un modelo GPT-2 pre-entrenado en castellano y realizar el fine-tuning con nuestro propio dataset de texto. Como resultado obtendremos un modelo que será capaz de crear textos “con la manera de hablar” de Ibai.

Aquí puedes encontrar la Jupyter notebook completa en mi repo de Github con el ejercicio que realizaremos. En total son unas 100 líneas de código.

El Dataset educacional: Diálogos de Ibai

El dataset es una selección totalmente arbitraría de videos de Youtube de Ibai con entrevistas y charlas de sus streams en Twitch. En algunos videos juega videojuegos en vivo, entrevista cantantes, futbolistas ó realiza compras de productos usados que le llaman la atención.

Utilicé un notebook de Google Colab con Whisper que es un modelo de machine learning lanzado hace pocos meses (en 2022) que realiza la transcripción automática de Audio a Texto. Usaremos como entradas esos textos. Disclaimer: Pueden contener errores de mala transcripción y también es posible que hubiera palabras que el modelo no comprenda del español.

El archivo de texto que utilizaremos como Dataset con fines educativos, lo puedes encontrar aquí.

Creación del entorno Python con Anaconda

Si tienes instalado Anaconda, puedes crear un nuevo Environment python para este proyecto. Si no, instala anaconda siguiendo esta guía, ó utiliza cualquier manejador de ambientes python de tu agrado.

También puedes ejecutar el código una notebook en la nube con Google Colab y aprovechar el uso de GPU gratuito. En este artículo te cuento sobre cómo usar Colab.

En este ejercicio utilizaremos la librería Pytorch para entrenar la red neuronal. Te recomiendo ir a la web oficial de Pytorch para obtener la versión que necesitas en tu ordenador, porque puede variar la instalación si usas Windows, Linux ó Mac y si tienes o no GPU.

Ejecuta las siguientes líneas en tu terminal:

conda create -n gpt2 python=3.9 -y
# Activa el nuevo ambiente con: 'conda activate gpt2'
conda install numpy tqdm transformers -y
# si tienes GPU instala Pytorch con:
conda install pytorch torchvision torchaudio pytorch-cuda=11.7 -c pytorch -c nvidia
# si no tienes GPU, instala con:
conda install pytorch torchvision torchaudio cpuonly -c pytorch

Importamos las librerías

Ahora pasamos a un notebook o una IDE Python y empezamos importando las librerías python que utilizaremos, incluyendo transformers de HuggingFace:

import os
import time
import datetime
import numpy as np
import random
from tqdm import tqdm
import torch
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader, random_split, RandomSampler
from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM
from transformers import AdamW, get_linear_schedule_with_warmup

Uso de CPU ó GPU

Haremos una distinción; si vamos a utilizar GPU para entrenar ó CPU, definiendo una variable llamada device. Nótese que también alteramos el tamaño que usaremos de batch. En el caso de GPU, podemos utilizar valores 2 ó 3 según el tamaño de memoria RAM que tenga la tarjeta gráfica.

if torch.cuda.is_available():
    print("Usar GPU")
    device = torch.device("cuda")
    batch_size = 3
else:
    print("usar CPU")
    device = torch.device("cpu")
    batch_size = 1

Cargamos el Modelo de HuggingFace

La primera vez que ejecutemos esta celda, tomará unos minutos en descargar los 500MB del modelo y el tokenizador en Español desde HuggingFace, pero luego ya se utilizará esa copia desde el disco, siendo una ejecución inmediata.

Para este ejercicio estamos creando un “token especial” (de control) que llamaremos “ibai” con el que luego indicaremos al modelo que queremos obtener una salida de este tipo.

# Load the GPT tokenizer.
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("flax-community/gpt-2-spanish", bos_token='<|startoftext|>', eos_token='<|endoftext|>', pad_token='<|pad|>')
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained("flax-community/gpt-2-spanish")

control_code = "ibai"

special_tokens_dict = {
         "additional_special_tokens": ['f"<|{control_code}|>"'],
}
num_added_toks = tokenizer.add_special_tokens(special_tokens_dict)
model.resize_token_embeddings(len(tokenizer))
unk_tok_emb = model.transformer.wte.weight.data[tokenizer.unk_token_id, :]
for i in range(num_added_toks):
        model.transformer.wte.weight.data[-(i+1), :] = unk_tok_emb

Cargamos el Dataset “Ibai_textos.txt”

Creamos una clase python que hereda de Dataset que recibe el archivo txt que contiene los textos para fine-tuning.

class GPT2Dataset(Dataset):
  def __init__(self, control_code, tokenizer, archivo_texto, max_length=768):
    self.tokenizer = tokenizer
    self.input_ids = []
    self.attn_masks = []
    print('loading text...')
    sentences = open(archivo_texto, 'r', encoding="utf-8").read().lower().split('n')
    print('qty:',len(sentences))
    for row in tqdm(sentences):
      encodings_dict = tokenizer('<|startoftext|>'+ f"<|{control_code}|>" + row + '<|endoftext|>', truncation=True, max_length=max_length, padding="max_length")
      self.input_ids.append(torch.tensor(encodings_dict['input_ids']))
      self.attn_masks.append(torch.tensor(encodings_dict['attention_mask']))
    
  def __len__(self):
    return len(self.input_ids)
  def __getitem__(self, idx):
    return self.input_ids[idx], self.attn_masks[idx]

Instanciamos la clase, pasando el nombre de archivo “ibai_textos.txt” a utilizar

dataset = GPT2Dataset(control_code, tokenizer, archivo_texto="ibai_textos.txt", max_length=768)
# Split into training and validation sets
train_size = int(0.99 * len(dataset))
val_size = len(dataset) - train_size
train_dataset, val_dataset = random_split(dataset, [train_size, val_size])
print('{:>5,} training samples'.format(train_size))
print('{:>5,} validation samples'.format(val_size))
train_dataloader = DataLoader(
            train_dataset,  # The training samples.
            sampler = RandomSampler(train_dataset), # Select batches randomly
            batch_size = batch_size # Trains with this batch size.
        )

Entrenamos haciendo el Fine-Tuning

Realizando entre 1 y 3 epochs debería ser suficiente para que el modelo quede tuneado.

epochs = 1
learning_rate = 5e-4
warmup_steps = 1e2
epsilon = 1e-8
optimizer = AdamW(model.parameters(), lr = learning_rate, eps = epsilon)
total_steps = len(train_dataloader) * epochs
scheduler = get_linear_schedule_with_warmup(optimizer, num_warmup_steps = warmup_steps, num_training_steps = total_steps)
def format_time(elapsed):
    return str(datetime.timedelta(seconds=int(round((elapsed)))))

Ahora si, a entrenar el modelo durante cerca de 2 horas si tenemos GPU ó durante un día entero en CPU.

El código es bastante estándar en PyTorch para entreno de redes neuronales profundas; un loop principal por epoch donde procesamos por batches las líneas de texto del dataset y hacemos backpropagation.

total_t0 = time.time()
model = model.to(device)
for epoch_i in range(0, epochs):
    print('======== Epoch {:} / {:} ========'.format(epoch_i + 1, epochs))
    print('Training...')
    t0 = time.time()
    total_train_loss = 0
    model.train()
    for step, batch in enumerate(train_dataloader):
        b_input_ids = batch[0].to(device)
        b_labels = batch[0].to(device)
        b_masks = batch[1].to(device)
        model.zero_grad()
        outputs = model(  b_input_ids, labels=b_labels, 
                          attention_mask = b_masks, token_type_ids=None )
        loss = outputs[0]
        batch_loss = loss.item()
        total_train_loss += batch_loss
        # Get sample every x batches.
        if step % sample_every == 0 and not step == 0:
            elapsed = format_time(time.time() - t0)
            print('  Batch {:>5,}  of  {:>5,}. Loss: {:>5,}.   Elapsed: {:}.'.format(step, len(train_dataloader), batch_loss, elapsed))
        loss.backward()
        optimizer.step()
        scheduler.step()
    # Calculate the average loss over all of the batches.
    avg_train_loss = total_train_loss / len(train_dataloader)
    # Measure how long this epoch took.
    training_time = format_time(time.time() - t0)
    print("")
    print("  Average training loss: {0:.2f}".format(avg_train_loss))
    print("  Training epoch took: {:}".format(training_time))
    t0 = time.time()
    total_eval_loss = 0
    nb_eval_steps = 0
print("Training complete!")
print("Total training took {:} (h:mm:ss)".format(format_time(time.time()-total_t0)))

Guardar el modelo, para uso futuro

El tiempo de entreno varía según tu ordenador, memoria RAM y si tienes o no placa de video con GPU.

Luego de varias horas de entreno, mejor guardar el modelo para no tener que reentrenar cada vez y reutilizar el modelo que hicimos. Para guardar hacemos:

output_dir = './model_gpt_ibai/'
if not os.path.exists(output_dir):
    os.makedirs(output_dir)
model_to_save = model.module if hasattr(model, 'module') else model
model_to_save.save_pretrained(output_dir)
tokenizer.save_pretrained(output_dir)

En la notebook con el ejercicio verás también una celda con el código de ejemplo para cargar tu modelo ya entrenado.

Crear Texto al estilo influencer

Generamos 3 salidas preguntando ¿Qué es el fútbol? con máximo de 300 caracteres. Puedes variar estos parámetros para obtener más párrafos y con un máximo de 764 letras.

Fijate que agregamos al prompt el token de control de inicio (startoftext) pero también nuestro token de control que llamamos “ibai”.

model.eval()
prompt = "<|startoftext|>" + "<|ibai|>" + "¿ qué es el fútbol ?"
generated = torch.tensor(tokenizer.encode(prompt)).unsqueeze(0)
generated = generated.to(device)
sample_outputs = model.generate(
                                generated, 
                                num_return_sequences=3,
                                max_length = 300,
                                do_sample=True, 
                                top_k=50, 
                                top_p=0.95
                                )
for i, sample_output in enumerate(sample_outputs):
  print("{}: {}nn".format(i, tokenizer.decode(sample_output, skip_special_tokens=True)))

Y obtenemos como salidas:

• <|ibai|>¿ qué es el fútbol? porque yo creo que son los mejores momentos de la vida del mundo. eh no se. eh y eso es lo que me llama la atención. eh ¡gracias! gracias.
• <|ibai|>¿ qué es el fútbol? fútbol es la suma de sus defectos, del mal que uno puede poner en uno, de un mal que tú quieres que la gente haga como si nada, es decir, yo soy el contrario, yo soy el mejor, soy el peor. es decir, que tú eres el mejor y yo soy el peor. ¡joder, yo soy del mejor! ¡pero, bueno, ya está! ¿ tú eres el que está ahí para que me lo diga? ¿ me crees que estás bueno? no, no.
• <|ibai|>¿ qué es el fútbol? para empezar, el que se mueve por el interés de los futbolistas es increíble. ¿ de quién eres? en el mejor sentido, y además de lo que eres. te he dicho que ya sé que a ti te gusta eso de hacer las cosas, pero eres muy, muy, muy, muy, muy, muy especial, ¿ no? un niño. te lo voy a decir un poco de corazón.

Ahora ya puedes jugar y probar tú mismo con distintas salidas!

Aquí te dejo algunos ejemplos divertidos que conseguí (pinto en negrita el comienzo del prompt enviado al modelo):

• <|ibai|>para mi la vida es una cosa en la que te tienes que esforzar por lo que te gusta, porque quieres algo. cuando me pongo de acuerdo en algo me siento preparado para el momento. el ego que te llevas es la presión de no ser perfecto. y claro, si quieres, no quieres ser tan bueno, eres tú.
• <|ibai|>la música que me gusta escuchar, claro. hay muchas personas que no nos conocen de nada, se nota. es un tío muy, muy, muy directo y creo que a lo mejor es un poco directo, de hecho, hay mucho ego en su actitud. la gente en general está bastante influenciada por él.
• <|ibai|>un día todos deberíamos tener una vida, que es el futuro, una vida en paz con uno mismo, con la sociedad, y eso no es tan complicado como parece. y te digo lo de
• <|ibai|>la felicidad es cuando hay armonía, que el mundo entero tiene su armonía. bueno, amigos, es que estamos unidos, a mí la música me relaja. bueno, es que no quiero dejar de escucharme ni de escuchar. y la música, de hecho, no es mi música, es mi vida.
• <|ibai|>si voy a un restaurante, voy a un restaurante de argentina. me voy a un restaurante argentino. ¡ah, la verdad que me lo estoy pasando bien!
• <|ibai|>la navidad es muy importante, porque es la época que vivimos. ¿ no crees que la navidad sería algo diferente de como la vivimos nosotros? en vez de algo muy tradicional, de un poco de juerga y de hacer una noche loca. no sé si la navidad es de las fechas en las que más fiesta hay. de verdad, no sé si es de las fechas en las que más fiesta hay o más fiesta no hay.
• <|ibai|>en el próximo mes voy a empezar el segundo año. me llevo la bici para el club. de momento, voy a aprender a convivir con mis seguidores. y de hecho, hoy estoy hablando de eso.
• <|ibai|>la inteligencia artificial, la realidad aumentada, ¿ qué pasa, tío? en este mundo hay gente que intenta crear un juego de magia que le pueda pasar un poquito de mal. bueno, que sí, que le pasa con las personas.
• <|ibai|>la inteligencia artificial se está dando en todos los ámbitos. se está dando en todos los ámbitos, es cierto. en general, es un mundo donde la inteligencia artificial y el cerebro humano son los dos primeros motores.
• <|ibai|>¿ qué es la inteligencia artificial? inteligencia artificial, es la de verdad. si la inteligencia artificial es más potente, es más fácil trabajar con ella. y es más difícil tener más inteligencia. porque la inteligencia artificial es la de verdad.
• <|ibai|>yo sé mucho sobre el tema, pero me hace un poco de gracia. y también quiero que vosotros tengáis una gran audiencia, que leéis un libro, porque yo creo que eso es una idea que está muy bien. y es que si a tu amiga le pasa lo mismo que a ti, se va al final. por eso te pido que se ponga a grabar el libro, porque yo creo que eso, como el libro ya está hecho, le va a quedar espectacular.
• <|ibai|>el amor es el camino, y no te vas a quedar ahí, a las 9. 40 am. el amor es un sentimiento que debe de ser muy fuerte en tu vida. a ver, yo creo que en la vida hay un tipo de personas que te hacen sentir una persona especial en tu vida. y el amor, que es la otra persona, también lo es.

Resumen

En estos días estamos viendo cómo ChatGPT está siendo trending topic por ser el modelo GPT más poderoso y versátil de OpenAI, con capacidad de responder a cualquier pregunta, traducir idiomas, dar definiciones, crear poesía, historias y realizar snippets de código python.

En este artículo te acercamos un poco más a conocer qué son los modelos GPT que están revolucionando el campo del NLP mediante un ejercicio práctico.

Ya conoces un poco más sobre la librería transformers de HuggingFace, sobre los distintos modelos que puedes descargar en tu ordenador y personalizar. Como siempre, esto es sólo la punta del iceberg, te invito a que sigas investigando y aprendiendo más sobre todo ello y me dejes tus comentarios al respecto.

Nos vemos en el próximo post!

Puedes descargar la notebook con el ejercicio completo y el archivo con los textos de Ibai.

Otros Enlaces de interés

• The journey of OpenAI GPT Models
• The Illustrated GPT-2
• ¿Cómo funcionan los Transformers?

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Los Transformers aparecieron como una novedosa arquitectura de Deep Learning para NLP en un paper de 2017 “Attention is all you need” que presentaba unos ingeniosos métodos para poder realizar traducción de un idioma a otro superando a las redes seq-2-seq LSTM de aquel entonces. Pero lo que no sabíamos es que este “nuevo modelo” podría ser utilizado en más campos como el de Visión Artificial, Redes Generativas, Aprendizaje por Refuerzo, Time Series y en todos ellos batir todos los records! Su impacto es tan grande que se han transformado en la nueva piedra angular del Machine Learning.

En este artículo repasaremos las piezas fundamentales que componen al Transformer y cómo una a una colaboran para conseguir tan buenos resultados. Los Transformers y su mecanismo de atención posibilitaron la aparición de los grandes modelos generadores de texto GPT2, GPT3 y BERT que ahora podían ser entrenados aprovechando el paralelismo que se alcanza mediante el uso de GPUs.

Agenda

• ¿Qué son los transformers?
• Arquitectura
  • General
  • Embeddings
  • Positional Encoding
  • Encoder
    • Mecanismo de Atención
    • Add & Normalisation Layer
    • Feedforward Network
  • Decoder
  • Salida del Modelo
• Aplicaciones de los Transformers
  • BERT
  • GPT-2
  • GPT-3
• Resumen

¿Qué son los transformers en Machine Learning?

En el paper original de 2017 “Attention is all you need” aparece el diagrama con la novedosa arquitectura del Transformer, que todos deberíamos tatuarnos en un brazo. Esta arquitectura surge como una solución a problemas de aprendizaje supervisado en Procesamiento del Lenguaje Natural, obteniendo grandes ventajas frente a los modelos utilizados en ese entonces. El transformer permitía realizar la traducción de un idioma a otro con la gran ventaja de poder entrenar al modelo en paralelo; lo que aumentaba drásticamente la velocidad y reducción del coste; y utilizando como potenciador el mecanismo de atención, que hasta ese momento no había sido explotado del todo. Veremos que en su arquitectura utiliza diversas piezas ya existentes pero que no estaban combinadas de esta manera. Además el nombre de “Todo lo que necesitas es Atención” es a la vez un tributo a los Beatles y una “bofetada” a los modelos NLP centrados en Redes Recurrentes que en ese entonces estaban intentando combinarlos con atención. De esta sutil forma les estaban diciendo… “tiren esas redes recurrentes a la basura”, porque el mecanismo de atención NO es un complemento… es EL protagonista!

All you need is Love Attention

The Beatles

Con el tiempo, esta arquitectura resultó ser flexible y se pudo utilizar para tareas más allá del NLP, además de para la generación de texto, clasificación, resumen de contenidos también pudo traspasar esa frontera y ser aplicado en Visión Artificial, Generación de Audio, Predicción de Series Temporales y Aprendizaje por Refuerzo.

La Arquitectura Encoder-Decoder del Transformer

Veamos primero la gran foto de los Transformers.

Visión General

Estás viendo el dibujo que deberías de llevar en tu próxima camiseta:

La primera impresión puede ser algo intimidante, pero vayamos poco a poco. Si pensamos en el modelo como una caja negra, sería simplemente:

Entrada -> Transformer -> Salida

Vemos que con una entrada de texto “Hola” obtenemos la salida “Hello”.

Si hacemos un poco de zoom en esa caja, veremos dos componentes principales: Encoders y Decoders.

La entrada pasará por una serie de Encoders que se encadenan uno tras otro y luego envían su salida a otra serie de Decoders hasta emitir la Salida final. En el paper original, se utilizan 6 encoders y 6 decoders. Notaremos un recuadro llamado “Target” donde estamos pasando el Output Deseado al modelo para entrenar; pero obviamente que no lo pasaremos al momento de la inferencia; al menos no completo (más adelante en el artículo).

Observamos ahora con mayor detalle cómo está compuesto un Encoder y un Decoder y veremos que son bastante parecidos por dentro.

En su interior tanto Encoder como decoder cuentan con un componente de Atención (o dos) y una red neuronal “normal” como salidas.

Para comenzar a evaluar con mayor detalle las partes del Transformer, primero deberemos generar un Embedding de la entrada y luego entrar al Encoder. Así que veamos eso primero.

Embeddings

El uso de embeddings existía en NLP desde antes de los Transformers, puede que estés familiarizado con modelos como el word-2-vec y puede que ya hayas visto las proyecciones creadas con miles de palabras donde los embeddings logran agrupar palabras de manera automática en un espacio multidimensional. Entonces conceptos como “hombre y mujer”, distanciado de “perro y gato” veremos nombres de países juntos y profesiones ó deportes también agrupados en ese espacio. Primero convertimos las palabras a tokens, es decir a un valor numérico asociado, porque recordemos que las redes neuronales únicamente pueden procesar números y no cadenas de texto.

Entonces convertimos una palabra a un número, ese número a un vector de embeddings de 512 dimensiones (podría ser de otro valor, pero el propuesto en el paper fue este).

Entonces:

1. Palabra -> Token(*)
2. Token -> Vector n-dimensional

(*) NOTA: una palabra podría convertirse en más de un token

La parte novedosa que introduce el paper de los transformers, es el “Positional Encoding” a esos embeddings…

Positional Encoding

Una vez que tenemos los embeddings, estaremos todos de acuerdo que el orden en que pasemos las palabras al modelo, será importante. De hecho podríamos alterar totalmente el significado de una oración si mezclamos el orden de sus palabras o hasta podría carecer totalmente de significado.

La casa es verde != verde casa la es

Entonces necesitamos pasar al modelo los tokens pudiendo especificar de alguna manera su posición.

Aquí, de paso comentaremos dos novedades de los Transformers: la solución a este posicionamiento pero también esto permite el poder enviar en simultáneo TODOS los tokens al modelo, algo que anteriormente no se podía hacer, por lo que se pasaba “palabra por palabra” una después de la otra, resultando en una menor velocidad.

Para resolver el posicionamiento, se agrega una valor secuencial al embedding que se asume que la red podrá interpretar. Si aparece el token “perro” como segunda palabra ó como décima, mantendrá en esencia el mismo vector (calculado anteriormente en el embedding) pero con un ligero valor adicional que lo distinguirá y que será el que le de la pista a la red neuronal de interpretar su posición en la oración.

En el paper se propone una función sinusoidal sobre el vector de 512 dimensiones del embedding. Entonces ese vector de embeddings del token “perro” será distinto si la palabra aparece primera, segunda, tercera.

Y ahora sí, podemos dar entrada al Encoder de los Transformers.

Encoder

El Encoder está compuesto por la capa de “Self attention” y esta conectada a una red feed forward. Entre las entradas y salidas se aplica la Skip Connection (ó ResNet) y un Norm Layer.

El mecanismo de Atención, es una de las implementaciones novedosas que propone el paper. Veremos que logra procesar en paralelo, manteniendo la ventaja de entreno mediante GPU.

El Encoder tiene como objetivo procesar la secuencia de los tokens de entrada y ser a su vez la entrada del mecanismo de atención del Decoder. No olvides que realmente se encadenan varios Encoders con varios Decoders (no se utilizan sólo uno en la práctica).

El -dichoso- mecanismo de Atención

Primero que nada, ¿Para qué queremos un mecanismo de Atención? El mecanismo de atención nos ayuda a crear y dar fuerza a las relaciones entre palabras en una oración. Si tenemos el siguiente enunciado:

El perro estaba en el salón, durmiendo tranquilo.

Nosotros comprendemos fácilmente que la palabra “tranquilo” se refiere al perro y no al “salón”. Pero a la red neuronal que comienza “en blanco”, sin saber nada de las estructuras del lenguaje (español, pero podría ser cualquier idioma), y que además ve la misma frase como valores numéricos:

5 186 233 7 5 1433 567 721

NOTA: no olvides que cada token, por ej. el nº5 corresponde a un embedding de n-dimensiones de 512 valores. Por simplificar usamos el 5 como reemplazo de “El”, por no escribir sus 512 componentes.

¿Cómo podrá entender que ese último token “721” está afectando a la segunda palabra “186”?
Por eso surgen los mecanismos de atención; para lograr dar más -o menos- importancia a una palabra en relación a las otras de la oración.

La solución que presentan los Transformers en cuanto a la atención, es la construcción de un “Diccionario Blando” (Soft Dictionary). ¿Qué es esto de un diccionario blando?
En programación, es probable que conozcas el uso de diccionarios de tipo “clave-valor” un típico “hashmap” en donde ante una entrada, obtengo un valor dict[“perro”]=0.78.
Para el “diccionario de atenciones” podría ser que si pedimos la atención de “tranquilo vs perro” de la oración, nos devuelva un 1 indicando mucha atención, pero si le pedimos “tranquilo vs salón” nos devuelva un -1.

Pero… eso no es todo. Nuestro Diccionario es “Suave/Blando”, esto quiere decir que no se va a saber “de memoria” el resultado de una clave. Si alteramos un poco la oración, el diccionario tradicional fallaría:

El perro estaba durmiendo en un salón tranquilo.

Ahora la clave de atención para “tranquilo vs salón” deberá pasar de -1 a ser cercana a 1.

Para poder calcular la atención, se utilizan 3 matrices llamadas “Query-Key-Value” que van a operar siguiendo una fórmula que nos devuelve un “score” o puntaje de atención.

• En la matriz Q de Query tendremos los tokens (su embedding) que estamos evaluando.
• En la matriz K de Key tendremos los tokens nuevamente, como claves del diccionario.
• En la matriz V de Value tendremos todos los tokens (su embedding) “de salida”.

El resultado de la atención será aplicar la siguiente fórmula:

Si nos olvidamos del Softmax y el “multihead” (se definirá a continuación), podemos simplificar la fórmula diciendo que:
La atención será multiplicación matricial Q por la transpuesta de K; a eso le llamamos “factor”; y ese factor multiplicado por V.

¿Y eso qué significa? ¿Por qué estamos operando de esa manera? Si recuerdas, tanto Q como K son los valores de los Embeddings, es decir, cada token es un vector n-dimensional. Al hacer el producto vectorial obtenemos matemáticamente la “Similitud” entre los vectores. Entonces si el embedding estuviera funcionando bien, la similitud entre “nieve” y “blanco” deberían estar más cercanas que “nieve” y “negro”. Entonces cuando dos palabras sean similares, tendremos un valor positivo y mayor que si son opuestos, donde obtendríamos un valor negativo (dirección contraria). Este factor se multiplica por la matriz de Valor conformando el Score final de atención para cada relación entre pares de <<palabras>> que estamos evaluando.

Como estamos trabajando con matrices, seguimos aprovechando la capacidad de calcular todo a la vez y poder hacerlo acelerado por GPU.

Más de una atención: Multi-Head Attention

…hay más en el paper, porque el tipo de atención que vamos a calcular se llama “Multi-head Attention“. ¿Qué son esas “Multi-cabezas”??? Lo que se hace es que en vez de calcular la atención de todos los tokens de la oración una vez con las 512 dimensiones (provenientes del embedding), subdividiremos esos valores en grupos y de cada uno, calcular su atención. En el paper proponen “8 heads” con lo que entonces calcularemos “8 atenciones de a 64 valores del embeddings” por cada token! Esto a mi modo de entender es algo bastante arbitrario pero por arte de “magia matemática” funciona… Luego de calcular esas 8 cabezas, (esas 8 atenciones) haremos un promedio de los valores de cada atención entre tokens.

Si volvemos al ejemplo para la clave de “tranquilo vs perro” calcularemos 8 atenciones y al promediarlas deberíamos obtener un valor cercano a 1 (para la 1er oración).

Cuando terminemos de entrenar el modelo Transformer completo, podríamos intentar analizar y entender esas matrices de atención creadas y tratar de comprenderlas. Algunos estudios muestran que la “multi-atención” logra representar relaciones como la de “artículo-sustantivo” ó “adjetivo-sustantivo”, “verbo sustantivo” lo cual me sigue pareciendo algo increíble.

3 tipos de atención: Propia, Cruzada y Enmascarada

Prometo que esto ya es lo último que nos queda comprender sobre los mecanismos de atención… A todo lo anterior, hay que sumar que tenemos 3 tipos distintos de atención

1. Self Attention
2. Cross Attention
3. Masked Attention

Su comportamiento es igual que al descripto anteriormente pero con alguna particularidad:

Self Attention se refiere que crearemos los valores y las matrices de Q-K-V a partir de las propias entradas de los tokens de entrada.

En la Atención Cruzada, vemos cómo utilizamos como entradas en el Decoder los valores obtenidos en el Encoder. Esto es lo que hará que con sólo el valor (Value) del Output pueda modelar la salida de atención buscada, esto es importante porque al final es lo que condicionará mayormente la “traducción” que está haciendo internamente el Decoder!

Y la llamada “Masked attention” se refiere a que enmascaramos parte triangular superior de la matriz de atención al calcularla para no caer en “data-leakage”, es decir, para no “adelantar información futura” que el Output no podría tener en su momento. Esto puede resultar confuso, intentaré aclararlo un poco más. En el Encoder, cuando tenemos los valores de entrada y hacemos “self-attention” dijimos que calculamos la atención de “todos contra todos” porque todos los tokens de entrada son conocidos desde el principio. Si recordamos la frase anterior:

El perro estaba en el salón, durmiendo tranquilo.

Aquí podemos calcular tanto la atención para la clave “perro-tranquilo” y también la de “tranquilo-perro”

Sin embargo -si suponemos que estamos traduciendo al inglés- en el output tendremos

“The dog was in the living room, sleeping peacefully”

PERO hay un detalle; para poder generar el output al momento de la inferencia, generaremos de a una palabra por vez, entonces iremos produciendo el siguiente output:

T1 – The
T2 – The dog
T3 – The dog was
T4 – The dog was in …

Esto quiere decir que vamos generando los tokens de a uno a la vez por lo que al principio no podríamos conocer la relación entre “dog-peacefully” pues esta relación aún no existe!

Entonces diferenciemos esto:

-> Al momento de entrenar el modelo pasamos el output deseado COMPLETO a las matrices de QKV de “Masked Attention” para entrenar en paralelo; al estar enmascarado, es como si estuviésemos simulando la secuencia “The, The dog, The dog was…”

-> Al momento de inferencia REALMENTE tendremos uno a uno los tokens como una secuencia temporal, realmente, iremos agregando de a una palabra del output a la cadena de salida a la vez.

Short residual skip Connections y Layer Normalization

Al utilizar Skip Connections permitimos mantener el valor de origen del input a través de las deep neural networks evitando que sus pesos se desvanezcan con el paso del tiempo. Esta técnica fue utilizada en las famosas ResNets para clasificación de imágenes y se convirtieron en bloques de construcción para redes profundas. También es sumamente importante la Normalización en RRNN. Previene que el rango de valores entre capas cambie “demasiado bruscamente” logrando hacer que el modelo entrene más rápido y con mayor capacidad de generalización.

Feed Forward Network

La salida final del Encoder la dará una Red Neuronal “normal”, también llamada MLP ó capa densa. Se agregarán dos capas con Dropout y una función de activación no lineal.

Decoder

Ahora que conocemos los componentes del Encoder, podemos ver que con esos mismos bloques podemos crear el Decoder.

Al momento de entrenar, estaremos pasando el Input “hola amigos” y Output “hello friends” (su traducción) al mismo tiempo al modelo.

Tradicionalmente, usamos la salida únicamente para “validar” el modelo y ajustar los pesos de la red neuronal (durante el backpropagation). Sin embargo en el Transformer estamos usando la salida “hello friends” como parte del aprendizaje que realiza el modelo.

Entonces, el output “hello friends” es también la “entrada” del decoder hacia embeddings, posicionamiento y finalmente ingreso a la Masked Self Attention que comentamos antes (para los valores de Q,K,V).

De aquí, y pasando por la Skip Connection y Normalización (en la gráfica “Add & Norm) entramos al segundo mecanismo de Atención Cruzada que contiene para las matrices Query y Key” la salida del Encoder y como Value la salida de la Masked Attention.

Nuevamente Suma y Normalización, entrada a la Feed Forward del Decoder.

RECORDAR: “N encoder y N decoders”

No olvidemos que si bien estamos viendo en mayor detalle “un encoder” y “un decoder”, la arquitectura completa del Transformer implica la creación de (en el paper original) 6 encoders encadenados que enlazan con otros 6 decoders.

Salida final del Modelo

La salida final del modelo pasa por una última capa Lineal y aplicar Softmax. El Softmax, por si no lo recuerdas nos dará un valor de entre 0 y 1 para cada una de las posibles palabras (tokens) de salida. Entonces si nuestro “lenguaje” total es de 50.000 posibles tokens (incluyendo signos de puntuación, admiración, interrogación), encontraremos a uno de ellos con valor más alto, que será la predicción.

Si yo te dijera “en casa de herrero cuchillo de …” y vos tuvieras que predecir la próxima palabra, de entre todas las posibles en el castellano seguramente elegirías “palo” con probabilidad 0,999. Ahí acabas de aplicar Softmax intuitivamente en tu cabeza, y descartaste al resto de 49.999 palabras restantes.

Repaso de la arquitectura

Repasemos los puntos fuertes de la arquitectura de los Transformers:

• La arquitectura de Transformers utiliza Encoders y Decoders
• El Transformer permite entrenar en paralelo y aprovechar el GPU
• Utiliza un mecanismo de atención que cruza en memoria “todos contra todos los tokens” y obtiene un score. Los modelos anteriores como LSTM no podían memorizar textos largos ni correr en paralelo.
• El mecanismo de atención puede ser de Self Attention en el Encoder, Cross Attention ó Masked Attention en el Decoder. Su funcionamiento es igual en todos los casos, pero cambian los vectores que utilizamos como entradas para Q,K,V.
• Se utiliza El Input pero también la Salida (el Output del dataset) para entrenar al modelo.

Aplicaciones de los Transformers

Los Transformers se convirtieron en el modelo “de facto” para todo tipo de tareas de NLP, incluyendo Traducción de idiomas (como vimos), clasificación de texto, resumen de textos y Question-Answering. Sólo basta con modificar los datasets que utilizamos para entrenar al modelo y la “salida final del modelo”, manteniendo al resto de arquitectura.

A raíz de poder entrenar mediante GPU, reducción de tiempo y dinero, surgieron varios modelos para NLP que fueron entrenados con datasets cada vez más grandes, con la creencia de que cuantas más palabras, más acertado sería el modelo, llevándolos al límite. Ahora, parece que hemos alcanzado un tope de acuracy, en el cual no vale la pena seguir extendiendo el vocabulario.

Vemos 3 de estos grandes modelos de NLP y sus características

BERT – 2018

BERT (Bidirectional Encoder Representations from Transformers) aparece en 2018, desarrollado por Google y utiliza sólo la parte del Encoder de los Transformers. Este modelo fue entrenado con todos los artículos de la Wikipedia en Inglés que contiene más de 2500 millones de palabras. Esto permitió generar un modelo “pro-entrenado” en inglés muy poderoso que podía ser utilizado para múltiples tareas de NLP. Además, al ser Open Source, permitió la colaboración y extensión por parte de la comunidad científica. El poder utilizar un modelo pre-entrenado tan grande, preciso y potente, permite justamente “reutilizar” ese conocimiento sin necesidad de tener que entrenar nuevamente un modelo de NLP, con el coste y tiempo (e impacto medioambiental) que puede conllevar.

Además BERT contenía algunas novedades, por ejemplo, en vez de utilizar un “Embeddings único y estático”, implementó un mecanismo en donde la misma palabra (token) podría devolver un vector distinto (de “embeddings”) de acuerdo al contexto de la oración de esa palabra.

Cuando salió BERT, batió muchos de los records existentes en datasets como SQuAD, GLUE y MultiNLI.

GPT-2 – 2019

GPT es un modelo de generación de texto creado por Open AI en 2019 y que contiene 1500 millones de parámetros en la configuración de su red neuronal profunda.

Al ser entrenado para generar “siguiente palabra”, pasa a convertirse en un problema de tipo “no supervisado”. Su re-entreno fue realizado usando BooksCorpus, un dataset que contiene más de 7,000 libros de ficción no publicados de diversos géneros.

Este modelo generó polémica en su momento debido a que empezaba a crear textos similares a lo que podía escribir una persona, con lo cual antes de ser lanzado, se temió por su mal uso para generar contenido falso en internet. Había sido anunciado en febrero y recién fue accesible al público, de manera parcial en Agosto. Los modelos de tipo GPT utilizan únicamente la parte de “Decoder” del Transformer.

Ejercicio Práctico: Crea tu propio chatbot con GPT-2 en Español!

GPT-3 – 2020

Lanzado en 2020, la red de GPT-3 tiene 175.000 millones de parámetros. Entrenado con textos de internet que contienen más de 500.000 millones de tokens.

En GPT-3, la generación de textos por la IA puede alcanzar un nivel literario que pasa inadvertido por los humanos, el modelo es capaz de mantener la coherencia en textos largos y debido a su gran conocimiento del mundo, crear un contexto y párrafos muy reales.

Otra de las novedades que trajo GPT3 es que lograba realizar tareas “inesperadas” de manera correcta, sin haber sido entrenado para ello. Por ejemplo, puede realizar Question-Answer, crear diálogos ó hasta escribir código en Python, Java o traducir idiomas. A este tipo de aprendizaje “no buscado” le llamamos “One Shot Learning”.

El Codigo de GPT-3 aún no ha sido liberado, hasta la fecha.

Más allá del NLP

Al comportarse tan bien para tareas de NLP, se comenzó a utilizar esta arquitectura adaptada para Clasificación de imágenes en Computer Vision y también logró superar en muchos casos a las Redes Convolucionales! A este nuevo modelo se le conoce como Vision Transformer o “Vit”.

También podemos utilizar Transformers para pronóstico de Series Temporales (Time Series). Este caso de uso tiene mucha lógica si lo pensamos, porque al final es muy parecido a “predecir la próxima palabra”, pero en su lugar “predecir la próxima venta”, ó stock…

Los Transformers están siendo utilizados en modelos generativos de música o como parte de los modelos de difusión text-to-image como Dall-E2 y Stable Diffusion.

Por último, los Transformers también están siendo utilizados en Aprendizaje por Refuerzo, donde también tienen sentido, pues la fórmula principal de este tipo de problemas también contiene una variable temporal/secuencial.

Y en todos estos campos, recién está empezando la revolución! No digo que será el Transformer quien reemplace al resto de Arquitecturas y modelos de Machine Learning existentes, pero está siendo un buen motivo para cuestionarlos, replantearlos y mejorar!

Resumen

Los Transformers aparecieron en un paper de 2017 implementando un eficiente mecanismo de atención como punto clave para resolver problemas de traducción en el campo del Procesamiento del Lenguaje Natural. Como bien sabemos, el lenguaje escrito conlleva implícitamente un orden temporal, secuencial que hasta aquel entonces era una de las barreras para no poder crear modelos extensos, pues impedía el aprovechamiento de GPU. La nueva arquitectura rompía esa barrera utilizando unos sencillos trucos: utilizar todos los token al mismo tiempo (en vez de uno en uno) y enmascarar la multiplicación matricial para impedir el data leakage en el caso del decoder.

Además, resolvió el Posicionamiento de los token y aprovechó técnicas ya existentes como el uso de Skip Connections y Normalization Layers.

Todo ello posibilitó la creación de los grandes modelos actuales, BERT, GPT y la aparición de muchísimos modelos disponibles “pre-entrenados” que pueden ser descargados y reutilizados para fine-tuning por cualquier persona.

Como si esto fuera poco, los Transformers tienen la flexibilidad suficiente para traspasar el área de NLP y contribuir al resto de áreas del Machine Learning obteniendo resultados impresionantes.

Habrá que agradecer a Ashish Vaswani, Noam Shazeer, Niki Parmar, Jakob Uszkoreit, Llion Jones, Aidan N. Gomez, Lukasz Kaiser, Illia Polosukhin por su obra maestra.

Material Extra

Enlaces a más info sobre Transformers!

• How to code Transformers
• How Transformers Work
• Understanding Transformers
• NUEVO: articulo del blog en Español: Ejercicio Python Generación de texto con GPT-2

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Estamos viviendo unos días realmente emocionantes en el campo de la inteligencia artificial, en apenas meses, hemos pasado de tener modelos enormes y de pago en manos de unas pocas corporaciones a poder desplegar un modelo en tu propio ordenador y lograr los mismos -increíbles- resultados de manera gratuita. Es decir, ahora mismo, está al alcance de prácticamente cualquier persona la capacidad de utilizar esta potentísima herramienta y crear imágenes en segundos (ó minutos) y a coste cero.

En este artículo les comentaré qué es Stable Diffusion y por qué es un hito en la historia de la Inteligencia Artificial, veremos cómo funciona y tienes la oportunidad de probarlo en la nube o de instalarlo en tu propio ordenador sea Windows, Linux ó Mac, con o sin placa GPU.

Reseña de los acontecimientos

• 2015: Paper que propone los Diffusion Models.
• 2018 -2019 Text to Image Synthesis – usando GANS se generan imágenes de 64×64 pixels, utiliza muchos recursos y baja calidad de resultados.
• Enero 2021: Open AI anuncia Dall-E, genera imágenes interesantes, pequeñas, baja resolución, lentas.
• Febrero 2021: CLIP de Open AI (Contrastive Language-Image Pretraining), un codificador dual de lenguaje-imagen muy potente.
• Julio 2021: Image Text Contrastive Learning Mejora sobre las Gans “image-text-label” space.
• Marzo 2022: GLIDE: esta red es una mejora sobre Dall-E, tambien de openAI pero usando DIFFUSION model.
• Abril 2022: Dall-E 2 de Open AI, un modelo muy bueno de generación de imágenes. Código cerrado, acceso por pedido y de pago.
• Mayo 2022: Imagen de Google.
• Agosto de 2022: Lanzamiento de Stable Diffusion 1.4 de Stability AI al público. Open Source, de bajos recursos, para poder ejecutar en cualquier ordenador.

¿Qué es Stable Diffusion?

Stable Diffusion es el nombre de un nuevo modelo de Machine Learning de Texto-a-Imagen creado por Stability Ai, Comp Vis y LAION. Entrenado con +5 mil millones de imágenes del dataset Laion-5B en tamaño 512 por 512 pixeles. Su código fue liberado al público el 22 de Agosto de 2022 y en un archivo de 4GB con los pesos entrenados de una red neuronal que podemos descargar desde HuggingFace, tienes el poder de crear imágenes muy diversas a partir de una entrada de texto.

Stable Diffusion es también una gran revolución en nuestra sociedad porque trae consigo diversas polémicas; al ofrecer esta herramienta a un amplio público, permite generar imágenes de fantasía de paisajes, personas, productos… ¿cómo afecta esto a los derechos de autor? Qué pasa con las imágenes inadecuadas u ofensivas? Qué pasa con el sesgo de género? Puede suplantar a un diseñador gráfico? Hay un abanico enorme de incógnitas sobre cómo será utilizada esta herramienta y la disrupción que supone. A mí personalmente me impresiona por el progreso tecnológico, por lo potente que es, los magnificos resultados que puede alcanzar y todo lo positivo que puede acarrear.

¿Por qué tanto revuelo? ¿Es como una gran Base de datos de imágenes? – ¡No!

Es cierto que fue entrenada con más de 5 mil millones de imágenes. Entonces podemos pensar: “Si el modelo vio 100.000 imágenes de caballos, aprenderá a dibujar caballos. Si vio 100.000 imágenes de la luna, sabrá pintar la luna. Y si aprendió de miles de imágenes de astronautas, sabrá pintar astronautas“. Pero si le pedimos que pinte “un astronauta a caballo en la luna” ¿qué pasa? La respuesta es que el modelo que jamás había visto una imagen así, es capaz de generar cientos de variantes de imágenes que cumplen con lo solicitado… esto ya empieza a ser increíble. Podemos pensar: “Bueno, estará haciendo un collage, usando un caballo que ya vio, un astronauta (que ya vió) y la luna y hacer una composición“. Y no; no es eso lo que hace, ahí se vuelve interesante: el modelo de ML parte de un “lienzo en blanco” (en realidad es una imagen llena de ruido) y a partir de ellos empieza a generar la imagen, iterando y refinando su objetivo, pero trabajando a nivel de pixel (por lo cual no está haciendo copy-paste). Si creyéramos que es una gran base de datos, les aseguro que no caben las 5.500.000.000 de imágenes en 4 Gygabytes -que son los pesos del modelo de la red- pues estaría almacenando cada imagen (de 512x512px) en menos de 1 Byte, algo imposible.

¿Cómo funciona Stable Diffusion?

Veamos cómo funciona Stable Diffusion!

Stable Diffusion está basado en otro modelo llamado “Latent Diffusion” que proviene de modelos de difusión de ML que están entrenados para “eliminar el ruido de “imágenes sucias” paso a paso”. Esto quiere decir que al modelo le entrenamos con fotos donde ensuciamos ciertos pixeles, con manchas, desenfoque (blur) o distorsiones que agregamos a propósito y le pedimos como salida la imagen correcta (la imagen original sin ruido). Entonces, la red neuronal del modelo aprende a “quitar el ruido”, es decir, transformar esas manchas (ruido) en la imagen original.

Los modelos de difusión lograron resultados muy buenos como generadores de imágenes aunque su contra es que como trabajan a nivel de pixel requieren de mucha memoria RAM y toman tiempo para crear imágenes de alta definición.

La mejora introducida por los modelos “Latent Diffusion” es que el modelo es entrenado para generar “representaciones de imágenes latentes” (comprimidas). Sus tres componente principales son:

1. Autoencoder (VAE)
2. U-Net
3. Text-Encoder

1-Autoencoder (VAE)

El modelo VAE tiene dos partes, un codificador y un decodificador. En codificador es usado para convertir la imagen en una representación latente de baja dimensión, que servirá como entrada a la “U-Net”. El decodificador por el contrario, transforma la representación latente nuevamente en una imagen.

Durante el entrenamiento de difusión latente, se usa el codificador para obtener las representaciones latentes de las imágenes para el proceso de difusión directa, se aplica más y más ruido en cada paso. Durante la inferencia, se realiza el proceso inverso de difusión donde “expande los latentes” para convertirlos nuevamente en imágenes con el decodificador VAE. Para la inferencia sólo necesitamos el decodificador.

2-U-Net

La U-Net tiene una mitad de camino “de contracción” y otra mitad de “expansión“, ambos compuestos por bloques ResNet (para soportar redes profundas sin desvanecer el aprendizaje). La primera mitad de la U-Net reduce la imagen a una representación de baja resolución (similar a un encoder) y la segunda parte intentará generar la imagen original en alta resolución (similar a un decoder). La salida de la U-Net predice el “ruido residual” que puede ser usado para calcular la representación “sin ruido” de la imagen.

Para prevenir que la U-Net pierda información importante durante el downsampling, se agregan conexiones de “atajo corto” (skip connections) entre los dos caminos: encoder y decoder. Además la U-Net de stable diffusion puede condicionar su salida respecto de los text-embeddings de las capas de cross-attention. Las capas de “Atención Cruzada” se agregan tanto en las partes de codificación y decodificación de la U-Net, entre los bloques ResNet. A eso se le llama Difusión guiada ó Difusión condicionada.

3-Text-Encoder

El Text-Encoder es el responsable de transformar el mensaje de entrada por ejemplo “Ilustración de Taylor Swift con un pingüino bailando en la ciudad” en un espacio de embeddings que puede ser comprendido por la U-Net. Se utiliza un encoder de tipo Transformers que mapea la secuencia de palabras de entrada en una secuencia latente del embedding de textos.

Stable Diffusion no entrena al Text-Encoder durante la etapa de entrenamiento del modelo si no que utiliza un encoder ya entrenado de CLIP.

Resumen de la arquitectura de Stable Difussion

El modelo al completo, como lo muestra la web oficial de Stable Diffusion es así:

Al momento de entrenar, la red tiene como entrada una imagen y un texto asociado. La red convertirá la imagen “en ruido” por completo y luego la intentará reconstruir. No olvidemos que es un problema de Aprendizaje supervisado, por lo cual, contamos con el dataset completo, con F(x)=Y desde el inicio.

1. A la izquierda, en rojo “Pixel Space” tenemos la “x” inicial que entrará en el Encoder de la VAE.
2. En verde, Espacio Latente, Arriba el Proceso de Difusión, lleva “z” a “zT” agregando ruido a la imagen
3. En verde, Espacio Latente, Abajo, de derecha a izquierda, entra “zT” a la U-Net e intentará reconvertirla en “z”.
4. Conditioning, a la derecha, utiliza el modelo CLIP con el texto asociado a la imagen y dirige la salida de la U-Net.
5. Por último, luego de iterar varias veces la U-Net y obtener una “z buena” (que es la imagen en estado latente), la decodificamos a pixeles utilizando el Decoder de la VAE (en el Pixel Space) y obtendremos una imagen similar a la “x” inicial.

Esta es la arquitectura para entrenar al modelo. Si vas a utilizar la red una vez entrenada, realmente realizaremos el “camino de inferencia“, veamos:

Al hacer la Inferencia, creamos una imagen:

Al momento de hacer la inferencia crearemos una imágen desde ruido! Por eso, el primer paso, es crear una imagen de 512×512 completamente de pixeles aleatorios!

Veamos la gráfica de inferencia que nos propone Stability.ai

Entonces, generamos la imagen de ruido y a partir de ella, la pasaremos a la U-Net que junto con el texto de entrada irá condicionando la salida, una y otra vez, intentará “quitar el ruido” para volver a una imagen original inexistente…

¿Te das cuenta? estamos engañando a la red neuronal, para que genere un gráfico que nunca antes existió…

La pobre Red Neuronal, es como si fuera un escultor con un cincel al que le damos un bloque de piedra enorme y le decimos “Quiero a Taylor Swift con un pingüino, hazlo!“.

Entonces, en cada iteración, creará desde el ruido, una imagen

Pero… ¿Qué imágenes puedes crear con Stable Diffusion?

Veamos algunos ejemplos de imágenes creadas por Stable Diffusion para ver si te convenzo de que esto es realmente algo grande… y luego ya puedes decidir si quieres probarlo y hasta instalarlo en tu propio equipo.

Aquí algunas imágenes encontradas en diversos canales:

En Lexica, que por cierto, te recomiendo visitar su web, pues tiene imágenes junto a los prompts para generarlas.

En Instagram

Imágenes encontradas en Reddit

Imágenes encontradas en Twitter

¡Quiero usar Stable Diffusion! ¿Cómo hago?

Puedes pagar por el servicio, ejecutar en la nube ó instalarlo en tu propia computadora.

1-Probarlo gratis, lo primero! (pagar luego…)

Desde la web de los creadores puedes dar tus primeros pasos. Tienes que registrarte y obtienes unos créditos gratuitos, luego que se acaben, tendrás que pagar. Debes entrar en https://beta.dreamstudio.ai/dream

Veremos en la parte de abajo, centro la caja de texto donde podemos ingresar el “prompt” con lo que queremos dibujar. Sobre la derecha los parámetros de configuración, que comentaremos luego, pero lo básico es que puedes elegir el tamaño de imagen y cantidad de imágenes a generar.

Ten en cuenta que tienes unos créditos (gratuitos) limitados para utilizar, por lo que debes estar atento a lo que vas consumiendo.

2-Instalar StableDiffusion en tu Computadora

Podemos instalar Stable Difussion en Windows y en Linux con “Instaladores automáticos” siguiendo las instrucciones del repositorio de Automatic1111. Para Windows hay otro instalador aqui .

Puedes instalar en ordenadores Mac (y aprovechar las GPUS de los chips M1 y M2) desde el repositorio de InvokeAI siguiendo las instrucciones para Macintosh.

Si te atreves a instalarlo de manera un poco más “manual”, puedes aventurarte a seguir las instrucciones del Repositorio Oficial de Stable Diffusion. No es difícil, básicamente, si tienes instalado Anaconda en tu ordenador, es clonar el repo y crear el environment de python siguiendo los pasos.

Un paso Clave: descargar el modelo de la red de HuggingFace

Casi todos los modos de instalar que vimos anteriormente, necesitan de un paso manual que es el de obtener y descargar el modelo desde la web de HuggingFace que ocupa 4.27 Gygabytes. Para ello, debes registrarte en HuggingFace e ir a la página del modelo. Deberás aceptar las condiciones de uso, y luego podrás descargar el último modelo, al momento de escribir este artículo es el archivo sd-v1-4.ckpt. Una vez descargado, lo deberás copiar en la carpeta models/ldm/stable-diffusion-1/ y renombrar el archivo como model.ckpt.

Eso es todo! Voilá, crea todas las imágenes que quieras! Tienes el mundo en tus manos!

Tiempos de “Rendering”

Si tienes una tarjeta gráfica con GPU, en mi caso la Nvidia RTX3080 tarda 5 segundos en crear una imágen de 512x512px. Si no tienes tarjeta puedes crear imágenes usando CPU pero tardarán unos 6 minutos (en un ordenador del año 2015 Core i5 y 8GB de memoria). En ordenadores Macbook con chip M2 tarda aproximadamente 1 minuto por imagen.

3-Usar StableDiffusion gratis y con GPU desde la nube de Google Colab

Otra opción para utilizar este genial modelo de forma gratuita es utilizar las notebooks de Google Colab y activar la opción de GPU. Existen varias notebooks compartidas que puedes utilizar como template con la instalación, aquí te recomiendo esta notebook y un hilo en Twitter en español, que te ayuda a seguir los pasos.

¿Cómo Funcionan los Transformers?

Entendiendo los parámetros de entrada de Stable Diffusion

Tanto en la versión web, la de instaladores, manual ó en la nube; contaremos con los mismos parámetros para configurar la red neuronal. Estos son:

• Alto y Ancho de imagen: deben ser múltiplos de 64, tamaño mínimo de 256 y máximo de 1024px. Sin embargo la recomendación es utilizar 512×512 pues es el tamaño con el que se entrenó la red.
• Steps: es la cantidad de iteraciones que realizará la U-Net durante la inferencia. Cuanto más iteramos, mayor “ruido” quitaremos de la imagen, es decir, quedará mejor definida. Pero también tardará más tiempo. Teniendo en cuenta el sampler que utilicemos, un valor de entre 25 y 50 estará bien.
• CFG Scale: este es un valor curioso, pues determina el “grado de libertad” que damos a la propia red para ser creativa. El valor por defecto es 7.5. Si disminuimos el valor, se centrará más en nuestro Prompt. Si aumentamos el valor (más de 10) empezará a improvisar y a hacer dibujos más delirantes y más a su antojo.
• Número de Imágenes: la cantidad de diversas imágenes que se crearán durante la inferencia. Cuantas más creamos más memoria RAM necesitaremos, tener en cuenta.
• Sampler: será la función con la que se creará el “denoising” en la U-Net y tiene implicancias en la imagen que se generará. El Sampler más avanzado (de momento) es el DPM2 y necesita más steps para lograr buenos resultados, llevando más tiempo. Curiosamente, el sampler llamado Euler Ancestral es el más básico y logra muy buenas imágenes en unas 20 iteraciones (menor tiempo).
• Seed ó Semilla: La semilla está relacionada con la imagen con ruido que generamos inicialmente desde donde la red empezará a dibujar. Con una misma semilla podremos replicar una imagen todas la veces que queramos para un mismo prompt. Si no asignamos un valor de semilla, se generará aleatoriamente, obteniendo siempre imágenes distintas para el mismo prompt.

El Prompt Engineering

Se le llama Prompt Engineering al arte de introducir textos que generen buenas imágenes. Lo cierto es que no es tan fácil como parece la creación de imágenes, es decir, la red siempre creará imágenes, pero para que destaquen realmente, hay que agregar las keywords adecuadas. Por suerte ya hay personas que descubrieron muchos de esos tweaks

Los truquillos en el Prompt

Varios exploradores recomiendan seguir una fórmula de tipo:

Tipo imagen – objeto – lugar – tiempo – estilo ó autor

Por ejemplo:

Pintura de un gato con gafas en un teatro, 1960, por Velazquez

Y esto mismo… pero en inglés, obtenemos:

Hay algunas palabras que se agregan al final, que son muy útiles, poner “trending on ArtStation”, “highly detailed”, “unreal engine 5”.

Aqui te dejo un enlace a un artículo maravilloso que muestra con ejemplo de muchas de las combinaciones.

imágenes generadas con Imágenes: “img2Img”

Además del txt2Img (que a partir de un texto, generemos una imagen), tenemos otra opción llamada img2img.

Con esta opción ingresamos una imagen creada por nosotros con el “paintbrush” u otra herramienta similar y la utilizaremos como imagen de inicio para generar una nueva imagen. Esto tiene mucha lógica si lo piensas, en vez de empezar con una imagen llena de ruido, le damos unas “guías” a la red neuronal para que pueda crear la imagen. Y los resultados son increíbles!

Por si fuera poco, Inpainting y Outpainting

El Inpainting permite crear una máscara dentro de una imagen y que el modelo dibuje dentro, manteniendo el estilo pictórico y la coherencia.

También existe el llamado OutPainting, que nos permite “extender” una imagen, logrando obras increíbles, será mejor que lo veas!

Resumen y Conclusiones

A estas alturas, espero que estes tan emocionado como yo con esta nueva tecnología y esto es sólo el comienzo! Los modelos de Machine Learning de texto-a-imagen acaban de aterrizar y se perfeccionarán; uno de los puntos fuertes y gran acierto de Stable Diffusion es que al lanzarse a todo el público, logró captar a una gran comunidad de desarrolladores, artistas y curiosos que colaboran y que potencian sus capacidades aún más! Al momento de escribir el artículo, han pasado menos de 2 meses y aparecieron muchísimos proyectos relacionados. Además se comenta que está por aparecer la nueva versión del modelo de pesos entrenado 1.5 dentro de poco. Algunos usuarios hasta crearon videos mediante Stable Diffusion y otros empiezan a mezclar la red con las 3 dimensiones para crear objetos.

En próximos artículos veremos en mayor profundidad y en código Python el uso de redes VAE, U-Net y Transformers.

Hasta pronto!

Material Adicional:

Aquí comparto dos videos muy buenos sobre Arte con IA y otro sobre Stable Diffusion

Otros artículos relacionados de interés:

• Clasificación de Imágenes
• Detección de objetos en imágenes

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Como siempre, podrás descargar todo el código de la Jupyter Notebook desde mi cuenta de Github (que contiene información extra). Y como BONUS encuentra una notebook con las funciones más útiles de Pandas!

¿Qué es el EDA?

Eda es la sigla en inglés para Exploratory Data Analysis y consiste en una de las primeras tareas que tiene que desempeñar el Científico de Datos. Es cuando revisamos por primera vez los datos que nos llegan, por ejemplo un archivo CSV que nos entregan y deberemos intentar comprender “¿de qué se trata?”, vislumbrar posibles patrones y reconociendo distribuciones estadísticas que puedan ser útiles en el futuro.

OJO!, lo ideal es que tengamos un objetivo que nos hayan “adjuntado” con los datos, que indique lo que se quiere conseguir a partir de esos datos. Por ejemplo, nos pasan un excel y nos dicen “Queremos predecir ventas a 30 días”, ó “Clasificar casos malignos/benignos de una enfermedad”, “Queremos identificar audiencias que van a realizar re-compra de un producto”, “queremos hacer pronóstico de fidelización de clientes/abandonos”, “Quiero detectar casos de fraude en mi sistema en tiempo real”.

EDA deconstruido

Al llegar un archivo, lo primero que deberíamos hacer es intentar responder:

• ¿Cuántos registros hay?
  • ¿Son demasiado pocos?
  • ¿Son muchos y no tenemos Capacidad (CPU+RAM) suficiente para procesarlo?
• ¿Están todas las filas completas ó tenemos campos con valores nulos?
  • En caso que haya demasiados nulos: ¿Queda el resto de información inútil?
• ¿Que datos son discretos y cuales continuos?
  • Muchas veces sirve obtener el tipo de datos: texto, int, double, float
• Si es un problema de tipo supervisado:
  • ¿Cuál es la columna de “salida”? ¿binaria, multiclase?
  • ¿Esta balanceado el conjunto salida?
• ¿Cuales parecen ser features importantes? ¿Cuales podemos descartar?
• ¿Siguen alguna distribución?
• ¿Hay correlación entre features (características)?
• En problemas de NLP es frecuente que existan categorías repetidas ó mal tipeadas, ó con mayusculas/minúsculas, singular y plural, por ejemplo “Abogado” y “Abogadas”, “avogado” pertenecerían todos a un mismo conjunto.
• ¿Estamos ante un problema dependiente del tiempo? Es decir un TimeSeries.
• Si fuera un problema de Visión Artificial: ¿Tenemos suficientes muestras de cada clase y variedad, para poder hacer generalizar un modelo de Machine Learning?
• ¿Cuales son los Outliers? (unos pocos datos aislados que difieren drásticamente del resto y “contaminan” ó desvían las distribuciones)
  • Podemos eliminarlos? es importante conservarlos?
  • son errores de carga o son reales?
• ¿Tenemos posible sesgo de datos? (por ejemplo perjudicar a clases minoritarias por no incluirlas y que el modelo de ML discrimine)

Puede ocurrir que tengamos set de datos incompletos y debamos pedir a nuestro cliente/proveedor ó interesado que nos brinde mayor información de los campos, que aporte más conocimiento ó que corrija campos.

¿Qué son los conjuntos de Train, Test y Validación en Machine Learning?

También puede que nos pasen múltiples fuentes de datos, por ejemplo un csv, un excel y el acceso a una base de datos. Entonces tendremos que hacer un paso previo de unificación de datos.

¿Qué sacamos del EDA?

El EDA será entonces una primer aproximación a los datos, ATENCIóN, si estamos mas o menos bien preparados y suponiendo una muestra de datos “suficiente”, puede que en “unas horas” tengamos ya varias conclusiones como por ejemplo:

• Esto que quiere hacer el cliente CON ESTOS DATOS es una locura imposible! (esto ocurre la mayoría de las veces jeje)
• No tenemos datos suficientes ó son de muy mala calidad, pedir más al cliente.
• Un modelo de tipo Arbol es lo más recomendado usar
  • (reemplazar Arbol, por el tipo de modelo que hayamos descubierto como mejor opción!)
• No hace falta usar Machine Learning para resolver lo que pide el cliente. (ESTO ES MUY IMPORTANTE!)
• Es todo tan aleatorio que no habrá manera de detectar patrones
• Hay datos suficientes y de buena calidad como para seguir a la próxima etapa.

A estas alturas podemos saber si nos están pidiendo algo viable ó si necesitamos más datos para comenzar.

Repito por si no quedó claro: el EDA debe tomar horas, ó puede que un día, pero la idea es poder sacar algunas conclusiones rápidas para contestar al cliente si podemos seguir o no con su propuesta.

Luego del EDA, suponiendo que seguimos adelante podemos tomarnos más tiempo y analizar en mayor detalle los datos y avanzar a nuevas etapas para aplicar modelos de Machine Learning.

Técnicas para EDA

Vamos a lo práctico!, ¿Que herramientas tenemos hoy en día? La verdad es que como cada conjunto de datos suele ser único, el EDA se hace bastante “a mano”, pero podemos seguir diversos pasos ordenados para intentar acercarnos a ese objetivo que nos pasa el cliente en pocas horas.

A nivel programación y como venimos utilizando Python, encontramos a la conocida librería Pandas, que nos ayudará a manipular datos, leer y transformarlos.

Instala el ambiente de desarrollo Python en tu ordenador siguiendo esta guía

Otra de las técnicas que más nos ayudaran en el EDA es visualización de datos (que también podemos hacer con Pandas).

Finalmente podemos decir que nuestra Intuición -basada en Experiencia previa, no en corazonadas- y nuestro conocimiento de casos similares también nos pueden aportar pistas para saber si estamos ante datos de buena calidad. Por ejemplo si alguien quiere hacer reconocimiento de imágenes de tornillos y tiene 25 imágenes y con muy mala resolución podremos decir que no tenemos muestras suficientes -dado nuestro conocimiento previo de este campo-.

Vamos a la práctica!

Un EDA de pocos minutos con Pandas (Python)

Vamos a hacer un ejemplo en pandas de un EDA bastante sencillo pero con fines educativos.

Vamos a leer un csv directamente desde una URL de GitHub que contiene información geográfica básica de los países del mundo y vamos a jugar un poco con esos datos.

import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import statsmodels.api as sm

url = 'https://raw.githubusercontent.com/lorey/list-of-countries/master/csv/countries.csv'
df = pd.read_csv(url, sep=";")
print(df.head(5))

Veamos los datos básicos que nos brinda pandas:
Nombre de columnas

print('Cantidad de Filas y columnas:',df.shape)
print('Nombre columnas:',df.columns)

Columnas, nulos y tipo de datos

df.info()

descripción estadística de los datos numéricos

df.describe()

Verifiquemos si hay correlación entre los datos

corr = df.set_index('alpha_3').corr()
sm.graphics.plot_corr(corr, xnames=list(corr.columns))
plt.show()

Cargamos un segundo archivo csv para ahondar en el crecimiento de la población en los últimos años, filtramos a España y visualizamos

url = 'https://raw.githubusercontent.com/DrueStaples/Population_Growth/master/countries.csv'
df_pop = pd.read_csv(url)
print(df_pop.head(5))
df_pop_es = df_pop[df_pop["country"] == 'Spain' ]
print(df_pop_es.head())
df_pop_es.drop(['country'],axis=1)['population'].plot(kind='bar')

Hagamos la comparativa con otro país, por ejemplo con el crecimiento poblacional en Argentina

df_pop_ar = df_pop[(df_pop["country"] == 'Argentina')]

anios = df_pop_es['year'].unique()
pop_ar = df_pop_ar['population'].values
pop_es = df_pop_es['population'].values

df_plot = pd.DataFrame({'Argentina': pop_ar,
                    'Spain': pop_es}, 
                       index=anios)
df_plot.plot(kind='bar')

Ahora filtremos todos los paises hispano-hablantes

df_espanol = df.replace(np.nan, '', regex=True)
df_espanol = df_espanol[ df_espanol['languages'].str.contains('es') ]
df_espanol

Visualizamos…

df_espanol.set_index('alpha_3')[['population','area']].plot(kind='bar',rot=65,figsize=(20,10))

Vamos a hacer detección de Outliers, (con fines educativos) en este caso definimos como limite superior (e inferior) la media más (menos) “2 veces la desviación estándar” que muchas veces es tomada como máximos de tolerancia.

anomalies = []

# Funcion ejemplo para detección de outliers
def find_anomalies(data):
    # Set upper and lower limit to 2 standard deviation
    data_std = data.std()
    data_mean = data.mean()
    anomaly_cut_off = data_std * 2
    lower_limit  = data_mean - anomaly_cut_off 
    upper_limit = data_mean + anomaly_cut_off
    print(lower_limit.iloc[0])
    print(upper_limit.iloc[0])

    # Generate outliers
    for index, row in data.iterrows():
        outlier = row # # obtener primer columna
        # print(outlier)
        if (outlier.iloc[0] > upper_limit.iloc[0]) or (outlier.iloc[0] < lower_limit.iloc[0]):
            anomalies.append(index)
    return anomalies

find_anomalies(df_espanol.set_index('alpha_3')[['population']])

Detectamos como outliers a Brasil y a USA. Los eliminamos y graficamos ordenado por población de menor a mayor.

# Quitemos BRA y USA por ser outlies y volvamos a graficar:
df_espanol.drop([30,233], inplace=True)
df_espanol.set_index('alpha_3')[['population','area']].sort_values(["population"]).plot(kind='bar',rot=65,figsize=(20,10))

En pocos minutos hemos podido responder: cuántos datos tenemos, si hay nulos, los tipos de datos (entero, float, string), la correlación, hicimos visualizaciones, comparativas, manipulación de datos, detección de ouliers y volver a graficar. ¿No está nada mal, no?

Más cosas! que se suelen hacer:

Otras pruebas y gráficas que se suelen hacer son:

• Si hay datos categóricos, agruparlos, contabilizarlos y ver su relación con las clases de salida
• gráficas de distribución en el tiempo, por ejemplo si tuviéramos ventas, para tener una primera impresión sobre su estacionalidad.
• Rankings del tipo “10 productos más vendidos” ó “10 ítems con más referencias por usuario”.
• Calcular importancia de Features y descartar las menos útiles.

Conclusiones

En el artículo vimos un repaso sobre qué es y cómo lograr hacer un Análisis Exploratorio de Datos en pocos minutos. Su importancia es sobre todo la de darnos un vistazo sobre la calidad de datos que tenemos y hasta puede determinar la continuidad o no de un proyecto.

Siempre dependerá de los datos que tengamos, en cantidad y calidad y por supuesto nunca deberemos dejar de tener en vista EL OBJETIVO, el propósito que buscamos lograr. Siempre debemos apuntar a lograr eso con nuestras acciones.

Como resultado del EDA si determinamos continuar, pasaremos a una etapa en la que ya preprocesaremos los datos pensando en la entrada a un modelo (ó modelos!) de Machine Learning.

La detección de Outliers podría comentarse en un artículo completo sobre el tema… YA salió!

¿Conocías el EDA? ¿Lo utilizas en tu trabajo? Espero tus comentarios!

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Recursos

Como siempre, puedes descargar la notebook relacionada con este artículo desde aquí:

• Descargar notebook ejemplo EDA para Machine Learning (GitHub)

BONUS track: Notebook sobre manipulación de datos con Pandas

Como Bonus…. te dejo una notebook con los Casos más comunes de uso de Manipulación de datos con Pandas!

• Descargar Notebook Educativa sobre uso de Pandas

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• EDA House Prices Data (python)
• ML project in Python
• EDA example in Python
• EDA Tutorial

The post Análisis Exploratorio de Datos con Pandas en Python first appeared on Aprende Machine Learning.

Una de las herramientas más conocidas y utilizadas que aportó el Machine Learning fueron los sistemas de Recomendación. Son tan efectivas que estamos invadidos todos los días por recomendaciones, sugerencias y “productos relacionados” aconsejados por distintas apps y webs.

Sin dudas, los casos más conocidos de uso de esta tecnología son Netflix acertando en recomendar series y películas, Spotify sugiriendo canciones y artistas ó Amazon ofreciendo productos de venta cruzada <<sospechosamente>> muy tentadores para cada usuario.

Pero también Google nos sugiere búsquedas relacionadas, Android aplicaciones en su tienda y Facebook amistades. O las típicas “lecturas relacionadas” en los blogs y periódicos.

Todo E-Comerce que se precie de serlo debe utilizar esta herramienta y si no lo hace… estará perdiendo una ventaja competitiva para potenciar sus ventas.

¿Qué son los Sistemas ó Motores de Recomendación?

Los sistemas de recomendación, a veces llamados en inglés “recommender systems” son algoritmos que intentan “predecir” los siguientes ítems (productos, canciones, etc.) que querrá adquirir un usuario en particular.

Antes del Machine Learning, lo más común era usar “rankings” ó listas con lo más votado, ó más popular de entre todos los productos. Entonces a todos los usuarios se les recomendaba lo mismo. Es una técnica que aún se usa y en muchos casos funciona bien, por ejemplo, en librerías ponen apartados con los libros más vendidos, best sellers. Pero… ¿y si pudiéramos mejorar eso?… ¿si hubiera usuarios que no se guían como un rebaño y no los estamos reteniendo?…

Los Sistemas de Recomendación intentan personalizar al máximo lo que ofrecerán a cada usuario. Esto es ahora posible por la cantidad de información individual que podemos recabar de las personas y nos da la posibilidad de tener una mejor tasa de aciertos, mejorando la experiencia del internauta sin ofrecer productos a ciegas.

Tipos de motores

Entre las estrategias más usadas para crear sistemas de recomendación encontramos:

• Popularity: Aconseja por la “popularidad” de los productos. Por ejemplo, “los más vendidos” globalmente, se ofrecerán a todos los usuarios por igual sin aprovechar la personalización. Es fácil de implementar y en algunos casos es efectiva.
• Content-based: A partir de productos visitados por el usuario, se intenta “adivinar” qué busca el usuario y ofrecer mercancías similares.
• Colaborative: Es el más novedoso, pues utiliza la información de “masas” para identificar perfiles similares y aprender de los datos para recomendar productos de manera individual.

En este artículo comentaré mayormente el Collaborative Filtering y realizaremos un ejercicio en Python.

¿Cómo funciona Collaborative Filtering?

Para explicar cómo funciona Collaborative Filtering vamos a entender cómo será el dataset.

Ejemplo de Dataset

Necesitaremos, “ítems” y las valoraciones de los usuarios. Los ítems pueden ser, canciones, películas, productos, ó lo que sea que queremos recomendar.

Entonces nos quedará una matriz de este tipo, donde la intersección entre fila y columna es una valoración del usuario:

Entonces veremos que tenemos “huecos” en la tabla pues evidentemente no todos los usuarios tienen o “valoraron” todos los ítems. Por ejemplo si los ítems fueran “películas”, es evidente que un usuario no habrá visto <<todas las películas del mundo>>… entonces esos huecos son justamente los que con nuestro algoritmo “rellenaremos” para recomendar ítems al usuario.

Una matriz con muchas celdas vacías se dice -en inglés- que es sparce (y suele ser normal) en cambio si tuviéramos la mayoría de las celdas cubiertas con valoraciones, se llamará dense.

Tipos de Collaborative Filtering

• User-based: (Este es el que veremos a continuación)
  • Se identifican usuarios similares
  • Se recomiendan nuevos ítems a otros usuarios basado en el rating dado por otros usuarios similares (que no haya valorado este usuario)
• Item-based:
  • Calcular la similitud entre items
  • Encontrar los “mejores items similares” a los que un usuario no tenga evaluados y recomendárselos.

Predecir gustos (User-based)

Collaborative Filtering intentará encontrar usuarios similares, para ofrecerle ítems “bien valorados” para ese perfil en concreto (lo que antes llamé “rellenar los huecos” en la matriz). Hay diversas maneras de medir ó calcular la similitud entre usuarios y de ello dependerá que se den buenas recomendaciones. Pero tengamos en cuenta que estamos hablando de buscar similitud entre “gustos” del usuario sobre esos ítems, me refiero a que no buscaremos perfiles similares por ser del mismo sexo, edad ó nivel educativo. Sólo nos valdremos de los ítems que ha experimentado, valorado (y podría ser su secuencia temporal) para agrupar usuarios “parecidos”.

Una de las maneras de medir esa similitud se llama “distancia por coseno de los vectores“ y por simplificar el concepto, digamos que crea un espacio vectorial con n dimensiones correspondientes a los n items y sitúa los vectores siendo su medida el “valor rating” de cada usuario -a ese item-. Luego calcula el ángulo entre los vectores partiendo de la “coordenada cero”. A “poca distancia” entre ángulos, se corresponde con usuarios con mayor similitud.

Este método no es siempre es perfecto… pero es bastante útil y rápido de calcular.

Calcular los Ratings

Una vez que tenemos la matriz de similitud, nos valdremos de otra operación matemática para calcular las recomendaciones.

Lo haremos es: cada rating se multiplica por el factor de similitud de usuario que dio el rating. La predicción final por usuario será igual a la suma del peso de los ratings dividido por la “suma ponderada”.

Bueno, no te preocupes que este cálculo luego lo verás en código y no tiene tanto truco…

Ejercicio en Python: “Sistema de Recomendación de Repositorios Github”

Vamos a crear un motor de recomendación de repositorios Github. Es la propuesta que hago en el blog… porque los recomendadores de música, películas y libros ya están muy vistos!.

La idea es que si este recomendador le parece de interés a los lectores, en un futuro, publicarlo online para extender su uso. Inicialmente contaremos con un set de datos limitado (pequeño), pero que como decía, podremos llevar a producción e ir agregando usuarios y repositorios para mejorar las sugerencias.

Vamos al código!

Cargamos las librerías que utilizaremos

import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.metrics import mean_squared_error
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.neighbors import NearestNeighbors
import matplotlib.pyplot as plt
import sklearn

Cargamos y previsualizamoás los 3 archivos de datos csv que utilizaremos:

df_users = pd.read_csv("users.csv")
df_repos = pd.read_csv("repos.csv")
df_ratings = pd.read_csv("ratings.csv")
print(df_users.head())
print(df_repos.head())
print(df_ratings.head())

Vemos que tenemos un archivo con la información de los usuarios y sus identificadores, un archivo con la información de los repositorios y finalmente el archivo “ratings” que contiene la valoración por usuario de los repositorios. Como no tenemos REALMENTE una valoración del 1 al 5 -como podríamos tener por ejemplo al valorar películas-, la columna rating es el número de usuarios que tienen ese mismo repositorio dentro de nuestra base de datos. Sigamos explorando para comprende un poco mejor:

n_users = df_ratings.userId.unique().shape[0]
n_items = df_ratings.repoId.unique().shape[0]
print (str(n_users) + ' users')
print (str(n_items) + ' items')

30 users
167 items

Vemos que es un dataset reducido, pequeño. Tenemos 30 usuarios y 167 repositorios valorados.

plt.hist(df_ratings.rating,bins=8)

Tenemos más de 80 valoraciones con una puntuación de 1 y unas 40 con puntuación en 5. Veamos las cantidades exactas:

df_ratings.groupby(["rating"])["userId"].count()

rating
1 94
2 62
3 66
4 28
5 40
6 12
7 14
8 8
Name: userId, dtype: int64

plt.hist(df_ratings.groupby(["repoId"])["repoId"].count(),bins=8)

Aquí vemos la cantidad de repositorios y cuantos usuarios “los tienen”. La mayoría de repos los tiene 1 sólo usuario, y no los demás. Hay unos 30 que los tienen 2 usuarios y unos 20 que coinciden 3 usuarios. La suma total debe dar 167.

Creamos la matriz usuarios/ratings

Ahora crearemos la matriz en la que cruzamos todos los usuarios con todos los repositorios.

df_matrix = pd.pivot_table(df_ratings, values='rating', index='userId', columns='repoId').fillna(0)
df_matrix

Vemos que rellenamos los “huecos” de la matriz con ceros. Y esos ceros serán los que deberemos reemplazar con las recomendaciones.

Sparcity

Veamos el porcentaje de sparcity que tenemos:

ratings = df_matrix.values
sparsity = float(len(ratings.nonzero()[0]))
sparsity /= (ratings.shape[0] * ratings.shape[1])
sparsity *= 100
print('Sparsity: {:4.2f}%'.format(sparsity))

Sparsity: 6.43%

Esto serán muchos “ceros” que rellenar (predecir)…

Dividimos en Train y Test set

Separamos en train y test para -más adelante- poder medir la calidad de nuestras recomendaciones.

¿Porqué es tan importante dividir en Train, Test y Validación del Modelo?

ratings_train, ratings_test = train_test_split(ratings, test_size = 0.2, random_state=42)
print(ratings_train.shape)
print(ratings_test.shape)

(24, 167)
(6, 167)

Matriz de Similitud: Distancias por Coseno

Ahora calculamos en una nueva matriz la similitud entre usuarios.

sim_matrix = 1 - sklearn.metrics.pairwise.cosine_distances(ratings)
print(sim_matrix.shape)

(30, 30)

plt.imshow(sim_matrix);
plt.colorbar()
plt.show()

Cuanto más cercano a 1, mayor similitud entre esos usuarios.

Predicciones -ó llamémosle “Sugeridos para ti”-

#separar las filas y columnas de train y test
sim_matrix_train = sim_matrix[0:24,0:24]
sim_matrix_test = sim_matrix[24:30,24:30]

users_predictions = sim_matrix_train.dot(ratings_train) / np.array([np.abs(sim_matrix_train).sum(axis=1)]).T

plt.rcParams['figure.figsize'] = (20.0, 5.0)
plt.imshow(users_predictions);
plt.colorbar()
plt.show()

Vemos pocas recomendaciones que logren puntuar alto. La mayoría estará entre 1 y 2 puntos. Esto tiene que ver con nuestro dataset pequeño.

Vamos a tomar de ejemplo mi usuario de Github que es jbagnato.

USUARIO_EJEMPLO = 'jbagnato'
data = df_users[df_users['username'] == USUARIO_EJEMPLO]
usuario_ver = data.iloc[0]['userId'] - 1 # resta 1 para obtener el index de pandas.

user0=users_predictions.argsort()[usuario_ver]

# Veamos los tres recomendados con mayor puntaje en la predic para este usuario
for i, aRepo in enumerate(user0[-3:]):
    selRepo = df_repos[df_repos['repoId']==(aRepo+1)]
    print(selRepo['title'] , 'puntaje:', users_predictions[usuario_ver][aRepo])

4 ytdl-org / youtube-dl
Name: title, dtype: object puntaje: 2.06
84 dipanjanS / practical-machine-learning-with-py…
Name: title, dtype: object puntaje: 2.44
99 abhat222 / Data-Science–Cheat-Sheet
Name: title, dtype: object puntaje: 3.36

Vemos que los tres repositorios con mayor puntaje para sugerir a mi usuario son el de Data-Science–Cheat-Sheet con una puntuación de 3.36, practical-machine-learning-with-py con 2.44 y youtube-dl con 2.06. Lo cierto es que no son puntuaciones muy altas, pero tiene que ver con que la base de datos (nuestro csv) tiene muy pocos repositorios y usuarios cargados.

Validemos el error

Sobre el test set comparemos el mean squared error con el conjunto de entrenamiento:

def get_mse(preds, actuals):
    if preds.shape[1] != actuals.shape[1]:
        actuals = actuals.T
    preds = preds[actuals.nonzero()].flatten()
    actuals = actuals[actuals.nonzero()].flatten()
    return mean_squared_error(preds, actuals)

get_mse(users_predictions, ratings_train)

# Realizo las predicciones para el test set
users_predictions_test = sim_matrix.dot(ratings) / np.array([np.abs(sim_matrix).sum(axis=1)]).T
users_predictions_test = users_predictions_test[24:30,:]

get_mse(users_predictions_test, ratings_test)

3.39
4.72

Vemos que para el conjunto de train y test el MAE es bastante cercano. Un indicador de que no tiene buenas predicciones sería si el MAE en test fuera 2 veces más (ó la mitad) del valor del de train.

Hay más…

En la notebook completa -en Github-, encontrarás más opciones de crear el Recomendador, utilizando K-Nearest Neighbors como estimador, y también usando la similitud entre ítems (ítem-based). Sin embargo para los fines de este artículo espero haber mostrado el funcionamiento básico del Collaborative Filtering. Te invito a que luego lo explores por completo.

Conclusiones

Vimos que es relativamente sencillo crear un sistema de recomendación en Python y con Machine Learning. Como muchas veces en Data-Science una de las partes centrales para que el modelo funcione se centra en tener los datos correctos y un volumen alto. También es central el valor que utilizaremos como “rating” -siendo una valoración real de cada usuario ó un valor artificial que creemos adecuado-. Recuerda que me refiero a rating como ese puntaje que surge de la intersección entre usuario e ítems en nuestro dataset. Luego será cuestión de evaluar entre las opciones de motores user-based, ítem-based y seleccionar la que menor error tenga. Y no descartes probar en el “mundo real” y ver qué porcentaje de aciertos (o feedback) te dan los usuarios reales de tu aplicación!

Existen algunas librerías que se utilizan para crear motores de recomendación como “surprise”. También te sugiero que las explores.

Por último, decir que -como en casi todo el Machine Learning- tenemos la opción de crear Redes Neuronales con Embeddings como recomendados y hasta puede que sean las que mejor funcionan para resolver esta tarea!… pero queda fuera del alcance de este tutorial. Dejaré algún enlace por ahí abajo

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Recursos del Artículo

Descarga los 3 archivos csv y el Notebook con el ejercicio Python completo (y adicionales!)

• users.csv
• repos.csv
• ratings.csv
• Ejercicio-Sistemas-de-Recomendación – Jupyter Notebook

Otros artículos de interés (en inglés)

• Build a Recommendation Engine
• Collaborative Filtering and Embeddings
• How to build a simple song-recommender-system
• Collaborative Filtering with Python
• Machine Learning for Recommender Systems

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No olvides seguir los 7 pasos del Machine Learning

Vamos al grano!

Con el objetivo de ilustrar mejor estos consejos, nos centraremos en la aplicación del Machine Learning de Clasificar, pero esto podría servir para otros usos.

Los 3 componentes del Aprendizaje Automático

Supongamos que tienes un problema al que crees que puedes aplicar ML. ¿Qué modelo usar? Deberá ser una combinación de estos 3 componentes: Representación, evaluación y optimización.

• Representación: Un clasificador deberá poder ser representado en un lenguaje formal que entienda el ordenador. Deberemos elegir entre los diversos algoritmos que sirven para resolver el problema. A este conjunto de “clasificadores aptos” se les llamará “espacio de hipótesis del aprendiz”. Ej: SVM, Regresión Logística, K-nearest neighbor, árboles de decisión, Redes Neuronales, etc.
• Evaluación: Se necesitará una función de evaluación para distinguir entre un buen clasificador ó uno malo. También es llamada función objetivo ó scoring function. Ejemplos son accuracy, likelihood, information gain, etc.
• Optimización: necesitamos un método de búsqueda entre los clasificadores para mejorar el resultado de la Evaluación. Su elección será clave. EJ: Descenso por gradiente, mínimos cuadrados, etc.

Lo más importante es lograr la Generalización de la máquina

El objetivo fundamental del Machine Learning es lograr la generalización del conocimiento más allá de las muestras tomadas en el conjunto de entrenamiento. Es es porque por más que entrenemos con muchísimos datos, es poco probable que se vuelvan a dar esos mismos casos al testear nuestra máquina. Por más que usemos “un millón de fotos de gatitos” para entrenar, siempre habrá fotos nuevas ó distintas que nuestro modelo desconoce. Entonces la magia ocurrirá si nuestro algoritmo es capaz de generalizar lo aprendido durante el entrenamiento y puede detectar “al gatito millón uno”. Siempre es conveniente guardar una parte de nuestro set de datos para poder validar lo aprendido durante el entrenamiento, con muestras que la máquina nunca ha visto y comprobar que sigue dando un buen resultado.

Los datos solos, no alcanzan

Siendo la generalización el objetivo del ML trae como consecuencia que sólo con datos “no alcanza”, no importa con cuántos contemos.

¿Entonces cómo podemos pretender que nuestras máquinas aprendan algo? Afortunadamente, en este proceso de inducción que realizamos con los algoritmos logramos llegar a ciertos niveles que nos dan buenos resultados.

El machine learning no hace magia. Sin datos no funcionará. Lo que hace es “sacar más con poco“. Y claro, cuantos más datos mejor. Pero no lo son todo. Deberemos combinar “conocimiento” con los datos.

El Overfitting tiene muchas caras

Si al entrenar nuestro modelo obtenemos resultados <<demasiado buenos>> con 100% aciertos y en el set de test apenas alcanzamos un 50% (ó menos!) es muy probable que nos hayamos topado con en “el gran problema del ML”: el overfitting.

Pero debemos saber que podemos “caer” en el overfitting de diversas maneras, a veces sin darnos cuenta. Dos de sus caras son:

• Bias (ó sesgo): es la tendencia a aprender -equivocadamente- algo falso.
• Varianza: es la tendencia a aprender algo random no relacionado con la realidad.

A veces puede ocurrir que un algoritmo -aprendiz- que “parece menos potente”, obtenga mejor resultado que uno “super poderoso” que cae en overfitting. A tener en cuenta

Es difícil evitar el Overfitting, se puede utilizar Regularización ó la validación cruzada (cross validation), u otras técnicas pero ninguna nos asegura evitarlo del todo. Muchas veces ocurre que al querer corregir la varianza, caemos en Bias… y viceversa. Lograr evitar ambos en simultáneo es “el desafío” que tenemos.

A veces falla “la intuición” con muchas dimensiones

Cuando tenemos muchas features, por ejemplo 100 ó más, puede que alguno de nuestros algoritmos de aprendizaje “se vuelva loco”… es decir, que no logre generalizar ó que lo haga mal. A esto se le llamó “la maldición de la dimensionalidad” (Bellman, 1961). Esto dependerá también de la distribución de los datos de entrada, pero para entenderlo: con k-nearest neighbor es <<fácil visualizar en 2 ó 3 dimensiones>> los clusters. Pero al aumentar dimensiones puede ocurrir que para el algoritmo todos los puntos sean vecinos cercanos unos de otros, devolviéndonos resultados aleatorios.

Debemos tener esto en cuenta y si fuera el caso utilizar algún algoritmo de reducción de dimensiones – PCA, t-SNE- para aplacar el problema.

Que se cumplan supuestos teóricos no nos garantiza nada

Al aprender ML podemos leer en papers, ó en cursos y artículos algunas afirmaciones teóricas que intentan ayudarnos y guiarnos. Bueno, como el ML es un fenómeno muy complejo y depende tanto de cada problema en particular, las dimensiones y los datos de entrada (su distribución), los casos positivos/negativos que tengamos de las muestras y de tantas otras variables, es posible que muchos de esos supuestos teóricos NO nos ayuden en nuestro “problema particular”.

Esto puede sonar muy decepcionante, y en parte lo es. Pero esto debemos saberlo para contrastar nuestros datos y no confiar en que “como a Fulanito le dio así, a mi también me funcionará”. Con sólo variar un parámetro, o un sólo dato de entrada de nuestro conjunto de entrenamiento, podemos obtener resultados completamente distintos. Estar alertas!!!

La clave está en la Ingeniería de Características (Feature Engineer)

Seguramente pasemos mucho más tiempo seleccionando los features, transformando, preprocesando que el tiempo dedicado a preparar/ejecutar el algoritmo de Machine Learning. Muchas veces el desafío será si tenemos pocas dimensiones ser creativos y poder generar nuevas y útiles características, ó en caso de tener muchas poder seleccionar cuales serán realmente valiosas y cuales descartar.

Deberemos ser cuidadosos: si tenemos muchas features, podemos evaluarlas individualmente y pensar que algunas no aportan demasiado valor. Sin embargo, esas mismas características puede que sean imprescindibles si las consideramos en combinación con otras. Eh ahí nuestro ingenio y mucha prueba y error.

Una gran herramienta es la Interpretación de Modelos por Importancia de Features, Los SHAP Values y más gráficas que comento en este nuevo artículo!

Más muestras superan a un algoritmo complejo

Conseguir más muestras para entrenamiento utilizando un algoritmo “simple”, puede ser mejor que un algoritmo complejo que “tarde tanto en ejecutar y no termina nunca”.

En ciencias de la computación, solíamos tener dos limitantes: tiempo y recursos cómo la memoria. Ahora, con el Machine Learning aparece una tercera: los datos de entrenamiento. Actualmente podemos encontrar cantidades masivas de datos y nuestro “cuello de botella” es el tiempo.

Si bien contar con “más y más datos” es bueno y hasta impulsa la creación de modelos (algoritmos) más complejos para aprovecharlos, se da una paradoja: en la práctica algoritmos “más simples” pueden obtener buenos resultados en tiempo razonable contra algoritmos complejos que tardan una eternidad.

Entonces el consejo es: al afrontar un problema, empecemos probando con los modelos más sencillos a más complejos (si hiciera falta!).

Ensamble de Modelos

Está bien aplicar un modelo para resolver el problema. Pero estudios han demostrado que hacer ensamble de modelos muchas veces mejora significativamente los resultados. Esto consiste en combinar más de un modelo (por ej. una red neuronal, K-nn, árboles, etc). Las tres técnicas más utilizadas son (ejemplo para clasificadores de “perros y gatos”):

• Bagging: alimentamos diversos modelos haciendo resamplig de las muestras y finalmente hacemos una votación (voting) con la clasificación obtenida (Supongamos que dos de tres modelos dicen “gato” y uno dice “perro”, ganarían los felinos)
• Boosting: en este caso, utilizamos un modelo “potenciandolo” a detectar únicamente perros y otro a detectar sólo gatitos.
• Stacking: utilizaremos diversos modelos, apilados “uno detrás de otro”, es decir, la salida del primero puede ser la entrada (ó un feature) del siguiente modelo y así sucesivamente. Para una famosa competición de Netflix, el ganador había encadenado más de 100 modelos!!

Simplicidad no implica precisión

Hubo un postulado algo confuso que parecía decir que al aplicar un modelo simple obteníamos la mayor precisión (frente a uno complejo). Sin embargo no hay que confundir: la simpleza no implica mayor precisión, esto se puede comprobar fácilmente con el punto anterior, pues al hacer ensamble de stacking de modelos vemos claramente que no se deteriora el resultado y en todo caso lo puede mejorar. Entonces podemos optar por modelos simples que “ya cuentan” con ventajas intrínsecas -probablemente en tiempo y coste- pero no necesariamente por la precisión del resultado.

Un problema “Representable”, no implica que pueda resolverse con Aprendizaje Automático

Podemos tender a pensar que para cualquier problema que podamos representar podrá ser construida una máquina que lo resuelva. Sin embargo hay problemas que nunca podrán ser “aprendidos” por una máquina, pues por ejemplo no tenemos las muestras suficientes para que generalice. En esos casos, podemos fácilmente encontrar la representación pero no lograremos dar con una solución en ML.

La correlación no implica causa

Para alimentar nuestras máquinas de Aprendizaje Automático utilizamos datos que son “muestras observables” donde la variable predictiva no está bajo control del algoritmo (en contraposición a muestras experimentales). Por esto es que las correlaciones que encontremos pueden ser interpretadas como señales de “responsabilidad” de la causa del problema. La realidad es que no necesariamente esa correlación implica la causa si no que son una buena pista para ponernos a investigar las conexiones que llevan a esos resultados.

Recomendado: Aprende a hacer el Análisis Exploratorio de Datos con Pandas/Python

Conclusión

Este gran paper de Pedro Domingos nos abre un poco los ojos sobre diversas trampas en las que podemos caer al trabajar en Machine Learning. Hace unos -pocos- años surgieron papers sobre Interpretación de Modelos de ML que comento en mi nuevo artículo y que dan luz a poder maniobrar ante situaciones problemáticas.

Moraleja en tiempos de IA

Personalmente creo que la “gran enseñanza” que nos deja es que debemos estar atentos, no confiarnos ni de datos, ni de algoritmos, ni de soluciones mágicas. Debemos ser muy profesionales y científicos, mucha prueba y error, validación y comprobación de los resultados. Y una vez hecho esto… volver a comprobar!

Descarga el paper original desde aquí

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Machine Learning desde el Navegador

Primero lo primero. ¿Porqué voy a querer tener mi código en la nube? Pues bien, lo normal (¿ideal?) es que tengamos un entorno de desarrollo local en nuestro propio ordenador, un entorno de pruebas en algún servidor, staging y producción. Pero… ¿qué pasa si aún no tenemos instalado el ambiente?, o tenemos conflictos con algún archivo/librería, versión de Python… ó por lo que sea no tenemos espacio en disco… ó hasta si nos va muy lento y no disponemos en -el corto plazo- de mayor procesador/ram? O hasta por simple comodidad, está siempre bien tener a mano una web online, “siempre lista” en donde ya esté prácticamente todo el software que necesitamos instalado. Y ese servicio lo da Google, entre otras opciones. Lo interesante es que Google Colab ofrece varias ventajas frente a sus competidores.

interesante es que Google Colab ofrece varias ventajas frente a sus competidores.

La GPU…. ¿en casa o en la nube?

¿Una GPU? ¿para que quiero eso si ya tengo como 8 núcleos? La realidad es que para el procesamiento de algoritmos de Aprendizaje Automático (y para videojuegos, ejem!) la GPU resulta mucho más potente en realizar cálculos (también en paralelo) por ejemplo las multiplicaciones matriciales… esas que HACEMOS TOooooDO el tiempo al ENTRENAR nuestros modelos!!! para hacer el descenso por gradiente ó Toooodo el rato con el Backpropagation de nuestras redes neuronales… Esto supone una mejora de hasta 10x en velocidad de procesado… Algoritmos que antes tomaban días y ahora se resuelven en horas. Un avance enorme.

Si tienes una tarjeta Nvidia con GPU ya instalada, felicidades ya tienes el poder! Si no la tienes y no vas a invertir unos cuántos dólares en comprarla, puedes tener toda(*) su potencia desde la nube!

(*)NOTA: Google se reserva el poder limitar el uso de GPU si considera que estás abusando ó utilizando en demasía ese recurso ó para fines indebidos (por ej. minería de bitcoins)

¿Qué es Google Colab?

Google Colab es un servicio en la nube, que nos provee de una Jupyter Notebook a la que podemos acceder con un navegador web sin importar si “en casa” usamos Windows, Linux o Mac. Tiene como grandes ventajas

• Posibilidad de activar una GPU
• Podemos compartir el código fácilmente
• Está basado en jupyter notebook y nos resultará un entorno ya conocido
• Podemos crear libros en Python 2 ó en 3
• Tiene preinstaladas las librerías comunes usadas en datascience y la posibilidad de instalar otras que necesitemos
• Al enlazar con nuestra cuenta de Google Drive, podemos leer desde ahí archivos csv de entrada ó guardar imágenes de salida, etc.

¿Como se usa GoogleColab?

Primero que nada entramos y logueamos con nuestra cuenta de Google en Colaboratory. Ahora ya podemos:

• Crear una nueva notebook:
  • Vamos a “Archivo -> crear nuevo cuaderno en Python 3”
• y habilitar GPU:
  • Vamos a “Entorno de Ejecución -> Cambiar tipo de entorno de ejecución” y elegimos “Acelerador por Hardware” GPU

Enlazar con Google Drive

Una ventaja de enlazar nuestra cuenta con Drive, es porque nos facilita poder subir o descargar archivos. Para subir un archivo seleccionamos “Archivos” del panel izquierdo y damos al botón “subir” como se muestra en la imagen:

Pero si quieres poder usar cualquier archivo, por ej. csv que tengas en tu unidad de drive, deberas ejecutar en una celda:

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

Te pedirá que hagas click a un enlace y escribas un código que te dará cuando autorices la app. Cuando vuelvas y hagas actualizar en el tab de archivos veras tu unidad montada y lista para usar !!

Ejecutar una jupyter notebook de Github

Vamos a abrir una Jupyter Notebook que contiene el ejercicio explicado en el artículo de Convolutional Neural Networks: Clasificar 70.000 imágenes deportivas. Para ello, en el cuadro de “Abrir cuaderno”:

1. seleccionamos GITHUB,
2. copiamos la dirección del repositorio, en nuestro caso https://github.com/jbagnato/machine-learning/
3. y le damos a la lupa de buscar.
4. Nos aparecerá el listado con los archivos del repo.
5. Y de allí seleccionamos el cuaderno llamado Ejercicio_CNN.ipynb

Veremos que tenemos el mismo Notebook pero en Google Colab

Descargar un recurso al cuaderno

CASI TODO LISTO… pero….. aún nos queda algo antes de poder ejecutar. En este ejercicio, necesitamos tener las 70.000 imágenes en sus directorios respectivos.

Para ello, primero descargaremos el ZIP. Creamos una celda nueva y ejecutamos:

!wget https://github.com/jbagnato/machine-learning/raw/master/sportimages.zip

y veremos que aparece nuestro archivo zip en el listado (dale a “Actualizar” si hace falta)

Descomprimir un archivo en el cuaderno

Y ahora deberemos descomprimirlo, creamos una celda y ejecutamos:

!unzip -uq ‘sportimages.zip’ -d ‘.’

RECUERDA habilitar el entorno de ejecución con GPU como vimos antes. Ahora Ya podemos ejecutar todas las celdas y veremos qué rápido ejecuta la CNN con GPU, en comparación con CPU. Pasa de tardar 4 minutos a sólo 40 segundos.

Instalar otras librerías Python con Pip

Deberemos ejecutar por ejemplo: !pip install gensim

Conclusión

Hemos visto que tenemos la opción de tener nuestro ambiente de desarrollo local pero también esta alternativa de poder programar, experimentar y trabajar en la nube. Gracias a este servicio podemos tener listo el ambiente en pocos segundos y aprovechar de las ventajas que nos ofrece, sobre todo el uso de GPU que es un recurso del que no todos disponemos. Espero les haya gustado el artículo, no dejen de escribir sus comentarios, dudas y también te animo a que escribas qué temas de Machine Learning te interesa más. Hasta la próxima!

Recuerda tener instalado tu ambiente de desarrollo Local con Anaconda, aquí te explico cómo hacerlo!

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Nuevo!: Realiza Pronóstico de ventas con Redes Neuronales con Keras en Python

Otros Recursos / enlaces

Otros artículos que explican el uso de Google Colab (en inglés):

• Google Colab Free GPU tutorial
• Google Colab for Beginners
• Picking a GPU for Deep Learning

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¿Qué es Natural Language Processing?

El Procesamiento del Lenguaje Natural (NLP por sus siglas en inglés) es el campo de estudio que se enfoca en la comprensión mediante ordenador del lenguaje humano. Abarca parte de la Ciencia de Datos, Inteligencia Artificial (Aprendizaje Automático) y la lingüística.

En NLP las computadoras analizan el leguaje humano, lo interpretan y dan significado para que pueda ser utilizado de manera práctica. Usando NLP podemos hacer tareas como resumen automático de textos, traducción de idiomas, extracción de relaciones, Análisis de sentimiento, reconocimiento del habla y clasificación de artículos por temáticas.

El gran desafío

NLP es considerado uno de los grandes retos de la inteligencia artificial ya que es una de las tareas más complicadas y desafiantes: ¿cómo comprender realmente el significado de un texto? ¿cómo intuir neologísmos, irónias, chistes ó poesía? Si la estrategia/algoritmo que utilizamos no sortea esas dificultades de nada nos servirán los resultados obtenidos.

En NLP no es suficiente con comprender meras palabras, se deberá comprender al conjunto de palabras que conforman una oración, y al conjunto de lineas que comprenden un párrafo. Dando un sentido global al análisis del texto/discurso para poder sacar buenas conclusiones.

Nuestro lenguaje está lleno de ambigüedades, de palabras con distintas acepciones, giros y diversos significados según el contexto. Esto hace que el NLP sea una de las tareas más difíciles de dominar.

¿Para qué sirve NLP? Usos

Vamos a comentar algunos de los usos más frecuentes:

• Resumen de textos: El algoritmo deberá encontrar la idea central de un artículo e ignorar lo que no sea relevante.
• ChatBots: deberán ser capaces de mantener una charla fluida con el usuario y responder a sus preguntas de manera automática.
• Generación automática de keywords y generación de textos siguiendo un estilo particular
• Reconocimiento de Entidades: encontrar Personas, Entidades comerciales o gubernamentales ó Países, Ciudades, marcas…
• Análisis de Sentimientos: deberá comprender si un tweet, una review o comentario es positivo ó negativo y en qué magnitud (ó neutro). Muy utilizado en Redes Sociales, en política, opiniones de productos y en motores de recomendación.
• Traducción automática de Idiomas
• Clasificación automática de textos en categorías pre-existentes ó a partir de textos completos, detectar los temas recurrentes y crear las categorías.

¿Cómo es capaz de entender el lenguaje el ordenador?

Pues deberemos armar diversos modelos con el lenguaje, crear estructuras y con ellas alimentar algoritmos de Machine Learning:

Podemos empezar por ejemplo tomando un texto extenso. Utilizaremos Expresiones Regulares para subdividir el texto en palabras. Podemos contar las palabras, su frecuencia. Si hay algún patrón, por ejemplo si siempre después de una palabra X, siempre viene una palabra Y. Podemos analizar como terminan las palabras, por ejemplo “verbos terminados en “ar, er, ir” y descubrir la raíz de la palabra. Podríamos agrupar palabras con significados similares en contraposición a su palabras antónimas.

Resumiendo, podemos procesar de diversas maneras al lenguaje, sus componentes: gramática, sintaxis e intentar crear estructuras de apoyo que nos servirán como entradas para aplicar Regresión Lineal, Regresión Logística, Naive Bayes, árbol de decisión o Redes Neuronales según el resultado que estemos buscando.

¿Quieres pasar a la práctica? Nuevo Artículo sobre NLP con Python: Analizamos 380 cuentos en Español de Hernán Casciari

Técnicas Comunes usadas en NLP

(Spoiler: existen herramientas para realizar estas técnicas y no tener que programar todo a mano)

• Tokenizar: separar palabras del texto en entidades llamadas tokens, con las que trabajaremos luego. Deberemos pensar si utilizaremos los signos de puntuación como token, si daremos importancia o no a las mayúsculas y si unificamos palabras similares en un mismo token.
• Tagging Part of Speech (PoS): Clasificar las oraciones en verbo, sustantivo, adjetivo preposición, etc.
• Shallow parsing / Chunks: Sirve para entender la gramática en las oraciones. Se hace un parseo de los tokens y a partir de su PoS se arma un árbol de la estructura.
• Significado de las palabras: lexical semantics y word sense disambiguation. Semántica…
• Pragmatic Analysis: detectar cómo se dicen las cosas: ironía, sarcasmo, intencionalidad, etc
• Bag of words: es una manera de representar el vocabulario que utilizaremos en nuestro modelo y consiste en crear una matriz en la que cada columna es un token y se contabilizará la cantidad de veces que aparece ese token en cada oración (representadas en cada fila).
• word2vec: Es una técnica que aprende de leer enormes cantidades de textos y memorizar qué palabras parecen ser similares en diversos contextos. Luego de entrenar suficientes datos, se generan vectores de 300 dimensiones para cada palabra conformando un nuevo vocabulario en donde las palabras “similares” se ubican cercanas unas de otras. Utilizando vectores pre-entrenados, logramos tener muchísima riqueza de información para comprender el significado semántico de los textos.

Herramientas usadas en Python para NLP

En próximos artículos veremos con mayor detalle ejemplos de NLP con python pero aquí les dejo una breve reseña de herramientas usadas en Python:

• NLTK: Esta es la lib con la que todos empiezan, sirve mucho para pre-procesamiento, crear los tokens, stemming, POS tagging, etc
• TextBlob: fue creada encima de NLYK y es fácil de usar. Incluye algunas funcionalidades adicionales como análisis de sentimiento y spell check.
• Gensim: contruida específicamente para modelado de temas e incluye multiples técnicas (LDA y LSI). También calcula similitud de documentos.
• SpaCy: Puede hacer muchísimas cosas al estilo de NLTK pero es bastante más rápido.
• WebScraping: Obtener textos desde diversas páginas webs

Conclusiones

Vivimos en un mundo en el cual seguramente los humanos nos diferenciemos de otras especies por haber desarrollado herramientas de manera eficiente como el lenguaje. Nos comunicamos constantemente, hablando, con palabras, con gestos. Estamos rodeados de símbolos, de carteles, de indicaciones, de unos y ceros. El NLP es una herramienta fundamental que deberemos aprender y dominar para poder capacitar a nuestras máquinas y volverlas mucho más versátiles al momento de interactuar con el entorno, dando capacidad de comprender mejor, de explicarse: de comunicarse.

Deberemos ser capaces de entender las diversas herramientas y técnicas utilizadas en NLP y saber utilizarlas para resolver el problema adecuado. El NLP abarca mucho -muchísimo- espectro y es un recorrido que comienza pero nunca acaba… siguen apareciendo nuevos papers y nuevos instrumentos de acción. Al combinar estas técnicas de NLP “tradicional” con Deep Learning, la combinatoria de nuevas posibilidades es exponencial!

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Futuro NLP y Recursos

En los próximos artículos iré agregando ejemplos prácticos Python con ejercicios de NLP (Ya está hecho!) para poder plasmar en código real los usos de este área del Machine Learning.

Mientras les dejo una lista de artículos interesantes también con ejercicios NLP en Python:

• NUEVO: Ejercicio NLP en Español! Analiza 380 cuentos de Hernán Casciari
• NUEVO: ¿Qué son los transformers? la revolución en NLP!
• NUEVO: Crea tu propio chatbot con GPT-2
• Components and Implementation of NLP
• Understanding Language Syntax and Structure NLP
• Machine Learning, NLP: Text Classification using scikit-learn, python and NLTK
• The Definitive Guide to Natural Language Processing
• A Primer on Neural Network Models for Natural Language Processing
• Word2Vec Tutorial
• Mi último artículo sobre WebScraping que puede ayudar a recopilar datos de la web para tus prácticas con NLP

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