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「开源」TensorSpace.js -- 神经网络3D可视化框架,在浏览器端构建可交互模型

TensorSpace是一套用于构建神经网络3D可视化应用的框架。 开发者可以使用类 Keras 风格的 TensorSpace API,轻松创建可视化网络、加载神经网络模型并在浏览器中基于已加载的模型进行3D可交互呈现。 TensorSpace 可以使您更直观地观察神经网络模型,并了解该模型是如何通过中间层 tensor 的运算来得出最终结果的。 TensorSpace 支持3D可视化经过适当预处理之后的 TensorFlow、Keras、TensorFlow.js 模型。

TensorSpace LeNet

图1 - 使用 TensorSpace 创建的交互式 LeNet 模型

使用场景及特性

TensorSpace 是一个基于 TensorFlow.js、Three.js 和 Tween.js 开发,用于对神经网络进行3D可视化呈现的库。通过使用 TensorSpace,不仅能展示神经网络的结构,还可以呈现网络的内部特征提取、中间层的数据交互以及最终的结果预测等一系列过程。

通过使用 TensorSpace,可以更直观地观察并理解基于 TensorFlow、Keras 以及 TensorFlow.js 开发的神经网络模型。 从工业开发的角度来看,TensorSpace 降低了前端深度学习可视化相关应用的开发门槛。总的来说,TensorSpace 具有以下特性:

  • 交互 -- 使用类 Keras 的 API,在浏览器中构建可交互的3D可视化模型。
  • 直观 -- 观察并展示模型中间层预测数据,直观演示模型推测过程。
  • 集成 -- 支持使用 TensorFlow、Keras 以及 TensorFlow.js 训练的模型。

开始使用

workflow

图2 - TensorSpace 开发流程图

首先我们可以通过 NPM 或者 YARN 下载最新的 TensorSpace.js。

npm install tensorspace --save
复制代码
yarn add tensorspace
复制代码

TensorSpace.js 支持可视化基于 TensorFlow、Keras 以及 TensorFlow.js 训练的神经网络模型,不过在可视化这些模型之前,需要对模型进行适当的预处理,生成“TensorSpace兼容模型”。针对不同的深度学习模型训练库,我们分别提供了相应的预处理教程 TensorFlow模型预处理教程Keras模型预处理教程TensorFlow.js模型预处理教程

接下来将通过快速构建一个3D的 LeNet 模型,来展示 TensorSpace 的开发流程。这个例子中要用到的所有代码文件和资源文件都可以在 TensorSpace Github 仓库的 examples/helloworld 文件夹下找到。同时为了着重展示如何使用 TensorSpace.js 的 API,我们提前使用 TensorFlow.js 训练了一个 LeNet模型,完成了预处理过程,并且准备了好了 预测数据

在使用 TensorSpace.js 的API 之前,需要在 HTML 页面中添加了 TensorSpace.js 及其依赖库(TensorFlow.js, Three.js, Tween.js, TrackballControl.js),然后创建一个 Div 作为 TensorSpace 模型的“渲染容器”。

<!DOCTYPE HTML>
<html>
<head>
    <!-- 引入依赖 TensorFlow.js, Three.js, Tween.js 和 TrackballControls.js -->
    <script src="tf.min.js"></script>
    <script src="three.min.js"></script>
    <script src="tween.min.js"></script>
    <script src="TrackballControls.js"></script> 
    <!-- 引入 TensorSpace.js -->
    <script src="tensorspace.min.js"></script>
</head>
<body>
  <!-- 创建一个 div 作为3D网络的绘制容器 -->
  <div id="modelArea"></div>
</body>
</html>
复制代码

在页面中添加以下 Javascript 代码,使用 TensorSpace.js 提供的 API 构建模型,载入经过预处理的模型,作出预测并展示。

<script>
    // 创建 TensorSpace 模型
    let modelContainer = document.getElementById("container");
    let model = new TSP.models.Sequential(modelContainer);

    // 根据 LeNet 结构为 TensorSpace 模型添加网络层 
    // Input + 2 X (Conv2D & Maxpooling) + 3 X (Dense)
    model.add(new TSP.layers.GreyscaleInput({ shape: [28, 28, 1] }));
    model.add(new TSP.layers.Padding2d({ padding: [2, 2] }));
    model.add(new TSP.layers.Conv2d({ kernelSize: 5, filters: 6, strides: 1 }));
    model.add(new TSP.layers.Pooling2d({ poolSize: [2, 2], strides: [2, 2] }));
    model.add(new TSP.layers.Conv2d({ kernelSize: 5, filters: 16, strides: 1 }));
    model.add(new TSP.layers.Pooling2d({ poolSize: [2, 2], strides: [2, 2] }));
    model.add(new TSP.layers.Dense({ units: 120 }));
    model.add(new TSP.layers.Dense({ units: 84 }));
    model.add(new TSP.layers.Output1d({
        units: 10,
        outputs: ["0", "1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8", "9"]
    }));

    // 载入经过预处理的 LeNet 模型
    model.load({
        type: "tfjs",
        url: "PATH_TO_MODEL/mnist.json"
    });
    
    // 渲染模型并预测
    model.init(function() {
        console.log("Hello World from TensorSpace!");
        model.predict(data5);
    });
</script>
复制代码

如果一切顺利,打开浏览器,将会看到如 图3 所示的模型。在构建完成模型后,可对模型进行交互操作,比如打开关闭网络层,控制3D场景视角等。

这个 LeNet 的 demo 同时被 host 了在 CodePen 中,点击这个 链接 到 CodePen 中在线体验一下吧~

lenet5

图3 - LeNet 模型判别输入 “5”

应用展示

这部分将展示一些基于 TensorSpace 开发的3D可视化神经网络模型实例。通过这些实例,可以体验不同的可交互模型,包括但不限于:物体分类、物体探测、图片生成等。我们希望通过展示这些模型实例,来更好、更直观地体现 TensorSpace 的应用场景、操作方法以及展示效果。

点击“在线演示”链接可以进入 TensorSpace 官网的 playground 查看对应模型的在线应用。考虑到部分模型的大小较大(例如:VGG-16 > 500MB,AlexNet > 250MB……)以及网络加载速度,部分模型可能需要较长的加载时间。同时,为了有更好的 UI 交互体验,我们强烈建议在中型或者大型屏幕(宽度大于750px)中打开在线演示链接。

TensorSpace LeNet

TensorSpace AlexNet

TensorSpace YOLOv2-tiny

TensorSpace ResNet-50

TensorSpace VGG16

TensorSpace ACGAN

TensorSpace MobileNetv1

写在最后

如果有关于 TensorSpace 的使用问题,欢迎到 github 上的 Issue 部分提出宝贵意见或给我们发 PR。

最后的最后,衷心感谢 TensorFlow.js, Three.js, Tween.js 框架的开发者们,感谢他们不懈的探索,让我们有机会站在巨人的肩膀上,眺望那未知的远方。

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