Comprender las Redes Neuronales Profundas

Parte 1 – Conceptos de Aprendizaje Profundo y DNN

Introducción a IA, Aprendizaje Automático y Aprendizaje Profundo

• Historia, conceptos básicos y aplicaciones habituales de la inteligencia artificial, más allá de las fantasías que rodean a este dominio.
• Inteligencia Colectiva: agregación de conocimiento compartido por muchos agentes virtuales.
• Algoritmos Genéticos: para evolucionar una población de agentes virtuales mediante selección.
• Aprendizaje automático 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, Árbol aleatorio.
• Aprendizaje Automático vs. Aprendizaje Profundo: problemas en los que el Aprendizaje Automático sigue siendo hoy en día el estado del arte (Bosques Aleatorios y XGBoosts).

Conceptos Básicos de una Red Neuronal (Aplicación: perceptrón multicapa)

• Recordatorio de las bases matemáticas.
• Definición de una red de neurones: arquitectura clásica, activación y
• Ponderación de activaciones previas, profundidad de una red.
• Definición del aprendizaje de una red de neurones: 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...). La maldición de la dimensionalidad.
• Distinción entre datos multivariable y señales. Elección de una función de costo según los datos.
• Aproximación de una función por una red de neurones: presentación y ejemplos.
• Aproximación de una distribución por una red de neurones: presentación y ejemplos.
• Augmentación de datos: cómo equilibrar un conjunto de datos.
• Generalización de los resultados de una red neuronal.
• Inicialización y regularización de una red neuronal: regularización L1/L2, Normalización por Lotes (Batch Normalization).
• Algoritmos de optimización y convergencia.

Herramientas estándar de ML/DL

Se planifica una presentación simple con ventajas, desventajas, posición en el ecosistema y uso previsto.

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

Redes Neuronales Convolucionales (CNN).

• Presentación de las CNN: principios fundamentales y aplicaciones.
• Funcionamiento básico de una CNN: capa convolucional, uso de un kernel,
• Padding (relleno) y stride (paso), generación de mapas de características, capas de agrupación. Extensiones 1D, 2D y 3D.
• Presentación de las diferentes arquitecturas CNN que alcanzaron 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 común de clasificación (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.
• Funcionamiento básico de la RNN: activación oculta, retropropagación a través del tiempo, versión desplegada.
• Evoluciones hacia las Unidades Recurrentes con Puerta (GRU) y LSTM (Memoria a Corto/Largo Plazo).
• Presentación de los diferentes estados y las evoluciones aportadas por estas arquitecturas.
• Problemas de convergencia y gradientes que se desvanecen (vanishing gradient).
• Arquitecturas clásicas: predicción de una serie temporal, clasificación...
• Arquitectura tipo RNN Codificador-Decodificador. Uso de un modelo de atención.
• Aplicaciones NLP: codificación de palabras/caracteres, traducción.
• Aplicaciones en video: predicción de la siguiente imagen generada de una secuencia de video.

Modelos generativos: Autoencoder Variacional (VAE) y Redes Generativas Adversariales (GAN).

• Presentación de los modelos generativos, vínculo con las CNN.
• Auto-encodificador: reducción de dimensionalidad y generación limitada.
• Auto-encoder variacional: modelo generativo y aproximación de la distribución de una entrada. Definición y uso del espacio latente. Truco de reparametrización. Aplicaciones y límites observados.
• Redes Generativas Adversariales (GAN): Fundamentos.
• Arquitectura de red dual (Generador y discriminador) con aprendizaje alterno, funciones de costo disponibles.
• Convergencia de una GAN y dificultades encontradas.
• Mejora de la convergencia: Wasserstein GAN, Began. Distancia de transporte óptimo (Earth Moving Distance).
• Aplicaciones para la generación de imágenes o fotografías, generación de texto, super-resolución.

Aprendizaje por Refuerzo Profundo.

• 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.
• Aprendizaje Q profundo: memoria experiencial (experience replay) y aplicación al control de un videojuego.
• Optimización de la política de aprendizaje. On-policy && off-policy. Arquitectura actor-crítico. A3C.
• Aplicaciones: control de un solo videojuego o sistema digital.

Parte 2 – Theano para Aprendizaje Profundo

Fundamentos de Theano

• Introducción
• Instalación y Configuración

Funciones de Theano

• entradas, salidas, actualizaciones, givens

Entrenamiento y optimización de una red neuronal utilizando Theano

• Modelado de la Red Neuronal
• Regresión Logística
• Capas Ocultas
• Entrenamiento de una red
• Cálculo y Clasificación
• Optimización
• Pérdida Logarítmica (Log Loss)

Prueba del modelo

Parte 3 – DNN utilizando Tensorflow

Fundamentos de TensorFlow

• Creación, inicialización, guardado y restauración de variables de TensorFlow
• Alimentación, lectura y precarga de datos en TensorFlow
• Cómo utilizar la infraestructura de TensorFlow para entrenar modelos a gran escala
• Visualización y evaluación de modelos con TensorBoard

Mecánica de TensorFlow

• Preparar los datos
• Descargar
• Entradas y Placeholders (Marcadores de posición)
• Construir los Graphs (Grafos)
  • Inferencia
  • Pérdida (Loss)
  • Entrenamiento
• Entrenar el modelo
  • El Grafo
  • La Sesión
  • Bucle de entrenamiento (Train Loop)
• Evaluar el modelo
  • Construir el grafo de evaluación (Eval Graph)
  • Salida de evaluación (Eval Output)

El Perceptrón

• Funciones de activación
• El 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 Soporte Vectorial (SVM)

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

Redes Neuronales Artificiales

• Límites de decisión no lineales
• Redes neuronales artificiales feedforward (alimentación hacia adelante) y feedback (retroalimentación)
• Perceptrones multicapa
• Minimización de la función de costo
• Propagación hacia adelante (Forward propagation)
• Retropropagación (Back propagation)
• Mejora de la forma en que las redes neuronales aprenden

Redes Neuronales Convolucionales

• Objetivos
• Arquitectura del modelo
• Principios
• Organización del código
• Lanzamiento y entrenamiento del modelo
• Evaluación de un modelo

Introducciones básicas que se brindarán a los siguientes módulos (Breve introducción según disponibilidad de tiempo):

Tensorflow - Uso avanzado

• Subprocesamiento (Threading) y Colas (Queues)
• TensorFlow Distribuido
• Documentación y compartición de tu modelo
• Personalización de lectores de datos
• Manipulación de archivos de modelos de TensorFlow

TensorFlow Serving

• Introducción
• Tutorial de servicio básico
• Tutorial de servicio avanzado
• Tutorial de servicio del modelo Inception