Comprender las Redes Neuronales Profundas

Parte 1 – Conceptos de Aprendizaje Profundo y DNN

Introducción a la IA, el Aprendizaje Automático y el Aprendizaje Profundo

• Historia, conceptos básicos y aplicaciones habituales de la inteligencia artificial, más allá de las fantasías que este dominio genera
• Inteligencia colectiva: agregación de conocimiento compartido por muchos agentes virtuales
• Algoritmos genéticos: evolución de una población de agentes virtuales mediante selección
• Máquina de aprendizaje habitual: definición.
• Tipos de tareas: aprendizaje supervisado, aprendizaje no supervisado, aprendizaje por refuerzo
• Tipos de acciones: clasificación, regresión, agrupamiento (clustering), estimación de densidad, reducción de dimensionalidad
• Ejemplos de algoritmos de aprendizaje automático: regresión lineal, Naive Bayes, Random Tree
• Aprendizaje automático VS Aprendizaje Profundo: problemas para los que el Aprendizaje Automático sigue siendo hoy el estado del arte (Random Forests & XGBoosts)

Conceptos básicos de una red neuronal (Aplicación: perceptrón multicapa)

• Repaso de las bases matemáticas.
• Definición de una red de neuronas: arquitectura clásica, activación y
• Ponderación de activaciones anteriores, profundidad de una red
• Definición del aprendizaje de una red de neuronas: funciones de costo, retropropagación, descenso de gradiente estocástico, máxima verosimilitud.
• Modelado de una red neuronal: modelado de datos de entrada y salida según el tipo de problema (regresión, clasificación...). Maldición de la dimensionalidad.
• Distinción entre datos multifacéticos y señales. Elección de una función de costo según los datos.
• Aproximación de una función por una red de neuronas: presentación y ejemplos
• Aproximación de una distribución por una red de neuronas: presentación y ejemplos
• Aumentación de datos: cómo equilibrar un conjunto de datos
• Generalización de los resultados de una red de neuronas.
• Inicialización y regularización de una red neuronal: regularización L1 / L2, Normalización por lote
• Algoritmos de optimización y convergencia

Herramientas estándar de ML / DL

Se planea una presentación sencilla que incluya ventajas, desventajas, posición en el ecosistema y uso.

• Herramientas de gestión de datos: Apache Spark, herramientas Apache Hadoop
• Aprendizaje automático: Numpy, Scipy, Sci-kit
• Marcos de alto nivel para DL: PyTorch, Keras, Lasagne
• Marcos de bajo nivel para DL: Theano, Torch, Caffe, Tensorflow

Redes Neuronales Convolucionales (CNN).

• Presentación de las CNN: principios fundamentales y aplicaciones
• Operación básica de una CNN: capa convolucional, uso de un kernel,
• Relleno (padding) y paso (stride), generación de mapas de características, capas de agrupamiento (pooling). Extensiones 1D, 2D y 3D.
• Presentación de las diferentes arquitecturas CNN que han marcado el estado del arte en clasificación
• Imágenes: LeNet, Redes VGG, Network in Network, Inception, Resnet. Presentación de las innovaciones introducidas por cada arquitectura y sus aplicaciones más globales (Convolución 1x1 o conexiones residuales)
• Uso de un modelo de atención.
• Aplicación a un caso de clasificación común (texto o imagen)
• CNN para generación: super-resolución, segmentación píxel a píxel. Presentación de
• Principales estrategias para aumentar los mapas de características para la generación de imágenes.

Redes Neuronales Recurrentes (RNN).

• Presentación de las RNN: principios fundamentales y aplicaciones.
• Operación básica de la RNN: activación oculta, retropropagación a través del tiempo, versión desplegada (unfolded).
• Evoluciones hacia las Unidades Recurrentes con Puertas (GRUs) y LSTM (Memoria a Largo Plazo).
• Presentación de los diferentes estados y las evoluciones traídas por estas arquitecturas
• Problemas de convergencia y desvanecimiento del gradiente
• Arquitecturas clásicas: Predicción de series temporales, clasificación...
• Arquitectura tipo Codificador-Decodificador RNN. Uso de un modelo de atención.
• Aplicaciones de PLN: codificación de palabras/caracteres, traducción.
• Aplicaciones de video: predicción de la siguiente imagen generada de una secuencia de video.

Modelos generativos: AutoEncoder Variacional (VAE) y Redes Antagónicas Generativas (GAN).

• Presentación de los modelos generativos, relación con las CNN
• Auto-codificador: reducción de dimensionalidad y generación limitada
• Auto-codificador variacional: modelo generativo y aproximación de la distribución de una variable dada. Definición y uso del espacio latente. Truco de reparametrización. Aplicaciones y límites observados
• Redes Antagónicas Generativas: Fundamentos.
• Arquitectura de red dual (Generador y discriminator) con aprendizaje alternativo, funciones de costo disponibles.
• Convergencia de una GAN y dificultades encontradas.
• Convergencia mejorada: Wasserstein GAN, Began. Distancia de movimiento de tierra.
• Aplicaciones para la generación de imágenes o fotografías, generación de texto, super-resolución.

Aprendizaje Profundo por Refuerzo.

• Presentación del aprendizaje por refuerzo: control de un agente en un entorno definido
• Por un estado y acciones posibles
• Uso de una red neuronal para aproximar la función de estado
• Deep Q Learning: reproducción de experiencias, y aplicación al control de un videojuego.
• Optimización de la política de aprendizaje. En política (on-policy) y fuera de política (off-policy). Arquitectura Actor Crítico. A3C.
• Aplicaciones: control de un único videojuego o de un sistema digital.

Parte 2 – Theano para Aprendizaje Profundo

Fundamentos de Theano

• Introducción
• Instalación y Configuración

Funciones de Theano

• entradas, salidas, actualizaciones, valores dados (givens)

Entrenamiento y optimización de una red neuronal usando Theano

• Modelado de Redes Neuronales
• Regresión Logística
• Capas Ocultas
• Entrenamiento de una red
• Cálculo y Clasificación
• Optimización
• Pérdida de registro (Log Loss)

Prueba del modelo

Parte 3 – DNN usando Tensorflow

Fundamentos de TensorFlow

• Creación, Inicialización, Guardado y Restauración de variables de TensorFlow
• Alimentación, Lectura y Precarga de Datos en TensorFlow
• Cómo usar la infraestructura de TensorFlow para entrenar modelos a gran escala
• Visualización y Evaluación de modelos con TensorBoard

Mecánicas de TensorFlow

• Preparar los Datos
• Descarga
• Entradas y Marcadores de posición (Placeholders)
• Construir los Grafos
  • Inferencia
  • Pérdida (Loss)
  • Entrenamiento
• Entrenar el Modelo
  • El Grafo
  • La Sesión
  • Bucle de Entrenamiento
• Evaluar el Modelo
  • Construir el Grafo de Evaluación
  • Salida de Evaluación

El Perceptrón

• Funciones de activación
• Algoritmo de aprendizaje del perceptrón
• Clasificación binaria con el perceptrón
• Clasificación de documentos con el perceptrón
• Limitaciones del perceptrón

Del Perceptrón a las Máquinas de Vectores de Soporte

• Kernels y el truco del kernel
• Clasificación de máximo margen y vectores de soporte

Redes Neuronales Artificiales

• Fronteras de decisión no lineales
• Redes neuronales artificiales de retroalimentación y feedforward
• Perceptrones multicapa
• Minimización de la función de costo
• Propagación hacia adelante
• Retropropagación
• Mejorando la forma en que aprenden las redes neuronales

Redes Neuronales Convolucionales

• Objetivos
• Arquitectura del Modelo
• Principios
• Organización del Código
• Lanzamiento y Entrenamiento del Modelo
• Evaluación de un Modelo

Introducciones básicas a ser dadas a los siguientes módulos (Introducción breve basada en la disponibilidad de tiempo):

Tensorflow - Uso Avanzado

• Hilos (Threading) y Colas
• TensorFlow Distribuido
• Escritura de documentación y compartición de su Modelo
• Personalización de Lectores de Datos
• Manipulación de Archivos de Modelo de TensorFlow

TensorFlow Serving

• Introducción
• Tutorial básico de Serving
• Tutorial avanzado de Serving
• Tutorial de Serving para el Modelo Inception