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Fare previsioni con i modelli scikit-learn in formato ONNX

Panoramica

Open Neural Network Exchange (ONNX) offre un formato uniforme progettato per rappresentare qualsiasi framework di machine learning. Il supporto di BigQuery ML per ONNX ti consente di:

Addestra un modello utilizzando il tuo framework preferito.
Converti il modello nel formato del modello ONNX. Per maggiori informazioni, consulta la sezione Conversione in formato ONNX.
Importa il modello ONNX in BigQuery ed effettua previsioni utilizzando BigQuery ML.

Questo tutorial mostra come importare modelli ONNX addestrati con scikit-learn in un set di dati BigQuery e utilizzarli per fare previsioni da una query SQL. Puoi importare modelli ONNX utilizzando queste interfacce:

Nella console Google Cloud
Il comando bq query nello strumento a riga di comando bq
L'API BigQuery

Per ulteriori informazioni sull'importazione dei modelli ONNX in BigQuery, inclusi i requisiti di formato e archiviazione, consulta L'istruzione CREATE MODEL per l'importazione dei modelli ONNX.

Obiettivi

In questo tutorial, imparerai a:

Crea e addestra modelli con scikit-learn.
Converti i modelli in formato ONNX utilizzando sklearn-onnx.
Importa i modelli ONNX in BigQuery ed effettua previsioni.

Addestra un modello di classificazione con scikit-learn

Crea e addestra una pipeline scikit-learn sul set di dati Iris:

import numpy
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.pipeline import Pipeline
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

data = load_iris()
X = data.data[:, :4]
y = data.target

ind = numpy.arange(X.shape[0])
numpy.random.shuffle(ind)
X = X[ind, :].copy()
y = y[ind].copy()

pipe = Pipeline([('scaler', StandardScaler()),
                ('clr', RandomForestClassifier())])
pipe.fit(X, y)

Converti il modello in formato ONNX e salva

Utilizza sklearn-onnx per convertire la pipeline di scikit-learn in un modello ONNX denominato pipeline_rf.onnx:

from skl2onnx import convert_sklearn
from skl2onnx.common.data_types import FloatTensorType

# Disable zipmap as it is not supported in BigQuery ML.
options = {id(pipe): {'zipmap': False}}

# Define input features. scikit-learn does not store information about the
# training dataset. It is not always possible to retrieve the number of features
# or their types. That's why the function needs another argument called initial_types.
initial_types = [
   ('sepal_length', FloatTensorType([None, 1])),
   ('sepal_width', FloatTensorType([None, 1])),
   ('petal_length', FloatTensorType([None, 1])),
   ('petal_width', FloatTensorType([None, 1])),
]

# Convert the model.
model_onnx = convert_sklearn(
   pipe, 'pipeline_rf', initial_types=initial_types, options=options
)

# And save.
with open('pipeline_rf.onnx', 'wb') as f:
 f.write(model_onnx.SerializeToString())

Carica il modello ONNX in Cloud Storage

Crea un bucket Cloud Storage in cui archiviare il file del modello ONNX, quindi carica il file del modello ONNX salvato nel bucket Cloud Storage. Per ulteriori informazioni, vedi Caricare oggetti da un file system.

Importa il modello ONNX in BigQuery

Questo passaggio presuppone che tu abbia caricato il modello ONNX nel bucket Cloud Storage. Un modello di esempio viene archiviato in gs://cloud-samples-data/bigquery/ml/onnx/pipeline_rf.onnx.

Console

Nella console Google Cloud, vai alla pagina BigQuery.

Vai alla pagina di BigQuery

Nell'editor query, inserisci un'istruzione CREATE MODEL come la seguente.

 CREATE OR REPLACE MODEL `mydataset.mymodel`
  OPTIONS (MODEL_TYPE='ONNX',
   MODEL_PATH='gs://bucket/path/to/onnx_model/*')

Ad esempio:

 CREATE OR REPLACE MODEL `example_dataset.imported_onnx_model`
  OPTIONS (MODEL_TYPE='ONNX',
   MODEL_PATH='gs://cloud-samples-data/bigquery/ml/onnx/pipeline_rf.onnx')

La query precedente importa il modello ONNX situato in gs://cloud-samples-data/bigquery/ml/onnx/pipeline_rf.onnx come modello BigQuery denominato imported_onnx_model.

A questo punto, il nuovo modello dovrebbe apparire nel riquadro Risorse. Man mano che espandi ciascuno dei set di dati in un progetto, i modelli vengono elencati insieme alle altre risorse BigQuery nei set di dati. I modelli sono indicati dall'icona del modello: .
Se selezioni il nuovo modello nel riquadro Risorse, le informazioni sul modello vengono visualizzate sotto l'Editor di query.

bq

Per importare un modello ONNX da Cloud Storage, esegui una query batch inserendo un comando come il seguente:

bq query \
--use_legacy_sql=false \
"CREATE MODEL
  `mydataset.mymodel`
OPTIONS
  (MODEL_TYPE='ONNX',
   MODEL_PATH='gs://bucket/path/to/onnx_model/*')"

Ad esempio:

bq query --use_legacy_sql=false \
"CREATE OR REPLACE MODEL
  `example_dataset.imported_onnx_model`
OPTIONS
  (MODEL_TYPE='ONNX',
   MODEL_PATH='gs://cloud-samples-data/bigquery/ml/onnx/pipeline_rf.onnx')"

Una volta importato, il modello dovrebbe apparire nell'output di bq ls [dataset_name]:

$ bq ls example_dataset

       tableId          Type    Labels   Time Partitioning
 --------------------- ------- -------- -------------------
  imported_onnx_model   MODEL

API

Inserisci un nuovo job e compila la proprietà jobs#configuration.query come nel seguente corpo della richiesta:

{
  "query": "CREATE MODEL project_id:mydataset.mymodel OPTIONS(MODEL_TYPE='ONNX' MODEL_PATH='gs://bucket/path/to/onnx_model/*')"
}

DataFrame BigQuery

Prima di provare questo esempio, segui le istruzioni per la configurazione di BigQuery DataFrames nella guida rapida di BigQuery sull'utilizzo di BigQuery DataFrames. Per maggiori informazioni, consulta la documentazione di riferimento di BigQuery DataFrames.

Per eseguire l'autenticazione su BigQuery, configura Credenziali predefinite dell'applicazione. Per ulteriori informazioni, vedi Configurare l'autenticazione per un ambiente di sviluppo locale.

Importa il modello utilizzando l'oggetto ONNXModel.

import bigframes
from bigframes.ml.imported import ONNXModel

bigframes.options.bigquery.project = PROJECT_ID
# You can change the location to one of the valid locations: https://cloud.google.com/bigquery/docs/locations#supported_locations
bigframes.options.bigquery.location = "US"

imported_onnx_model = ONNXModel(
    model_path="gs://cloud-samples-data/bigquery/ml/onnx/pipeline_rf.onnx"
)

Effettuare previsioni con il modello ONNX importato

Console

Nella console Google Cloud, vai alla pagina BigQuery.

Vai alla pagina di BigQuery
Nell'editor query, inserisci una query utilizzando ML.PREDICT, come di seguito.
```
 SELECT *
   FROM ML.PREDICT(MODEL example_dataset.imported_onnx_model,
     (
      SELECT * FROM bigquery-public-data.ml_datasets.iris
     )
 )
 
```
La query precedente utilizza il modello denominato imported_onnx_model nel set di dati example_dataset nel progetto attuale per fare previsioni dai dati di input nella tabella pubblica iris dal set di dati ml_datasets nel progetto bigquery-public-data. In questo caso, il modello ONNX prevede quattro input in virgola mobile: sepal_length, sepal_width, petal_length, petal_width che corrispondono al valore initial_types definito nel passaggio 2 , quindi la sottoquery SELECT l'intera tabella bigquery-public-data che contiene queste 4 colonne di input.

Il modello restituisce le colonne label e probabilities, nonché le colonne della tabella di input.
- label rappresenta l'etichetta della classe prevista.
- probabilities è un array di probabilità che rappresentano le probabilità per ogni classe.
Il risultato della query è simile al seguente:

bq

Per eseguire previsioni dai dati di input nella tabella input_data, inserisci un comando come il seguente, utilizzando il modello ONNX importato my_model:

bq query \
--use_legacy_sql=false \
'SELECT *
 FROM ML.PREDICT(
   MODEL `my_project.my_dataset.my_model`,
   (SELECT * FROM input_data))'

Ad esempio:

bq query \
--use_legacy_sql=false \
'SELECT *
FROM ML.PREDICT(
  MODEL `example_dataset.imported_onnx_model`,
  (SELECT * FROM `bigquery-public-data.ml_datasets.iris`))'

API

Inserisci un nuovo job e compila la proprietà jobs#configuration.query come nel seguente corpo della richiesta:

{
  "query": "SELECT * FROM ML.PREDICT(MODEL `my_project.my_dataset.my_model`, (SELECT * FROM input_data))"
}

DataFrame BigQuery

Per eseguire l'autenticazione su BigQuery, configura Credenziali predefinite dell'applicazione. Per ulteriori informazioni, vedi Configurare l'autenticazione per un ambiente di sviluppo locale.

Utilizza la funzione predict per eseguire il modello remoto:

import bigframes.pandas as bpd

df = bpd.read_gbq("bigquery-public-data.ml_datasets.iris")
predictions = imported_onnx_model.predict(df)
predictions.peek(5)

Il risultato è simile al seguente: Result_visualization

Passaggi successivi

Per ulteriori informazioni sull'importazione dei modelli ONNX, consulta l'articolo L'istruzione CREATE MODEL per i modelli ONNX.
Per ulteriori informazioni sui convertitori e sui tutorial ONNX disponibili, consulta Conversione in formato ONNX.
Per una panoramica di BigQuery ML, consulta Introduzione a BigQuery ML.
Per iniziare a utilizzare BigQuery ML, consulta Creazione di modelli di machine learning in BigQuery ML.
Per ulteriori informazioni sull'utilizzo dei modelli, consulta queste risorse: