Mask RCNN auf Cloud TPU trainieren (TF 2.x)

Überblick

In dieser Anleitung wird erläutert, wie Sie das Mask RCNN-Modell mit Cloud TPU mit dem COCO-Dataset ausführen.

Mask RCNN ist ein neuronales Deep-Learning-Netzwerk, das für die Objekterkennung und Bildsegmentierung entwickelt wurde, eine der komplexeren Herausforderungen beim maschinellen Sehen.

Das Mask RCNN-Modell generiert Begrenzungsrahmen und Segmentierungsmasken für jede Instanz eines Objekts im Bild. Das Modell beruht auf dem Feature Pyramid Network (FPN) und einem ResNet50-Backbone.

In dieser Anleitung wird das Modell mit Tensorflow Keras APIs trainiert. Die Keras API ist eine übergeordnete TensorFlow API und kann zum Erstellen und Ausführen eines Modells für maschinelles Lernen auf Cloud TPU verwendet werden. Die API vereinfacht den Modellentwicklungsprozess. Sie blendet die meisten Implementierungen auf untergeordneter Ebene aus, wodurch leichter zwischen der TPU und anderen Plattformen wie GPUs oder CPUs gewechselt werden kann.

Bei dieser Anleitung wird davon ausgegangen, dass Sie bereits mit dem Training eines Modells in Cloud TPU vertraut sind. Wenn Sie Cloud TPU noch nicht kennen, finden Sie in der Kurzanleitung eine grundlegende Einführung.

Lernziele

COCO-Dataset vorbereiten
Cloud Storage-Bucket zum Speichern der Dataset- und Modellausgabe erstellen
TPU-Ressourcen für Training und Evaluierung einrichten
Training und Bewertung auf einer einzelnen Cloud TPU oder einem Cloud TPU Pod ausführen

Kosten

In diesem Dokument verwenden Sie die folgenden kostenpflichtigen Komponenten von Google Cloud:

Compute Engine
Cloud TPU
Cloud Storage

Mit dem Preisrechner können Sie eine Kostenschätzung für Ihre voraussichtliche Nutzung vornehmen. Neuen Google Cloud-Nutzern steht möglicherweise eine kostenlose Testversion zur Verfügung.

Hinweise

Bevor Sie mit dieser Anleitung beginnen, prüfen Sie, ob Ihr Google Cloud-Projekt ordnungsgemäß eingerichtet ist.

Melden Sie sich bei Ihrem Google Cloud-Konto an. Wenn Sie mit Google Cloud noch nicht vertraut sind, erstellen Sie ein Konto, um die Leistungsfähigkeit unserer Produkte in der Praxis sehen und bewerten zu können. Neukunden erhalten außerdem ein Guthaben von 300 $, um Arbeitslasten auszuführen, zu testen und bereitzustellen.

Wählen Sie in der Google Cloud Console auf der Seite der Projektauswahl ein Google Cloud-Projekt aus oder erstellen Sie eines.

Zur Projektauswahl

Die Abrechnung für das Google Cloud-Projekt muss aktiviert sein.

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In dieser Anleitung werden kostenpflichtige Komponenten der Google Cloud verwendet. Rufen Sie die Seite mit den Cloud TPU-Preisen auf, um Ihre Kosten abzuschätzen. Denken Sie daran, nicht mehr benötigte Ressourcen zu bereinigen, um unnötige Kosten zu vermeiden.

COCO-Dataset vorbereiten

In dieser Anleitung wird das COCO-Dataset verwendet. Das Dataset muss im TFRecord-Format in einem Cloud Storage-Bucket vorliegen, der für das Training verwendet werden soll.

Wenn Sie das COCO-Dataset bereits in einem Cloud Storage-Bucket vorbereitet haben, der sich im Zone befindet, die Sie für das Modell trainieren verwenden werden, können Sie direkt zu Training mit einem einzelnen Gerät wechseln. Führen Sie andernfalls folgende Schritte aus, um das Dataset vorzubereiten.

Öffnen Sie ein Cloud Shell-Fenster.

Cloud Shell öffnen

Konfigurieren Sie gcloud in Cloud Shell mit Ihrer Projekt-ID.

export PROJECT_ID=project-id
gcloud config set project ${PROJECT_ID}

Erstellen Sie in Ihrer Cloud Shell mit folgendem Befehl einen Cloud Storage-Bucket:

Hinweis: Ersetzen Sie im folgenden Befehl bucket-name durch den Namen, den Sie dem Bucket zuweisen möchten.
```
gsutil mb -p ${PROJECT_ID} -c standard -l europe-west4 gs://bucket-name
```
Starten Sie eine Compute Engine-VM-Instanz.

Diese VM-Instanz wird ausschließlich zum Herunterladen und Vorverarbeiten des COCO-Datasets verwendet. Geben Sie in instance-name einen Namen Ihrer Wahl ein.
```
$ gcloud compute tpus execution-groups create \
 --vm-only \
 --name=instance-name \
 --zone=europe-west4-a \
 --disk-size=300 \
 --machine-type=n1-standard-16 \
 --tf-version=2.12.0
```
Beschreibung der Befehls-Flags

vm-only

Erstellen Sie nur eine VM. Standardmäßig werden mit dem Befehl gcloud compute tpus execution-groups eine VM und eine Cloud TPU erstellt.

name

Der Name der zu erstellenden Cloud TPU.

zone

Die Zone, in der Sie Ihre Cloud TPU erstellen möchten.

disk-size

Die Größe der Festplatte in GB der mit dem Befehl gcloud compute tpus execution-groups erstellten VM.

machine-type

Der Maschinentyp der Compute Engine-VM, die erstellt werden soll.

tf-version

Die TensorFlow-Version gcloud compute tpus execution-groups wird auf der VM installiert.
Wenn Sie nicht automatisch bei der Compute Engine-Instanz angemeldet werden, melden Sie sich mit dem folgenden ssh-Befehl an. Wenn Sie bei der VM angemeldet sind, ändert sich die Shell-Eingabeaufforderung von username@projectname in username@vm-name:
```
  $ gcloud compute ssh instance-name --zone=europe-west4-a
  
```
Richten Sie zwei Variablen ein, eine für den zuvor erstellten Storage-Bucket und eine für das Verzeichnis, das die Trainingsdaten (DATA_DIR) im Storage-Bucket enthält.
```
(vm)$ export STORAGE_BUCKET=gs://bucket-name
```
```
(vm)$ export DATA_DIR=${STORAGE_BUCKET}/coco
```

Installieren Sie die Pakete, die für die Vorverarbeitung der Daten erforderlich sind.

(vm)$ sudo apt-get install -y python3-tk && \
  pip3 install --user Cython matplotlib opencv-python-headless pyyaml Pillow && \
  pip3 install --user "git+https://github.com/cocodataset/cocoapi#egg=pycocotools&subdirectory=PythonAPI"

Führen Sie das Skript download_and_preprocess_coco.sh aus, um das COCO-Dataset in einen Satz von TFRecords (*.tfrecord) zu konvertieren, der von der Trainingsanwendung erwartet wird.
```
(vm)$ git clone https://github.com/tensorflow/tpu.git
(vm)$ sudo bash tpu/tools/datasets/download_and_preprocess_coco.sh ./data/dir/coco
```
Dadurch werden die erforderlichen Bibliotheken installiert und das Skript für die Vorverarbeitung ausgeführt. Dann werden verschiedene *.tfrecord-Dateien in Ihr lokales Datenverzeichnis ausgegeben. Der COCO-Download und das Ausführen des Konvertierungsskripts dauern ungefähr eine Stunde.
Daten in den Cloud Storage-Bucket kopieren

Nachdem Sie die Daten in TFRecords konvertiert haben, kopieren Sie sie mit dem Befehl gsutil aus dem lokalen Speicher in den Cloud Storage-Bucket. Die Annotationsdateien müssen ebenfalls kopiert werden. Diese Dateien helfen dabei, die Leistung des Modells zu validieren.
```
(vm)$ gsutil -m cp ./data/dir/coco/*.tfrecord ${DATA_DIR}
(vm)$ gsutil cp ./data/dir/coco/raw-data/annotations/*.json ${DATA_DIR}
```
Bereinigen Sie die VM-Ressourcen.

Nachdem das COCO-Dataset in TFRecords konvertiert und in DATA_DIR in Ihrem Cloud Storage-Bucket kopiert wurde, können Sie die Compute Engine-Instanz löschen.

Trennen Sie die Verbindung zur Compute Engine-Instanz:
```
(vm)$ exit
```
Die Eingabeaufforderung sollte nun username@projectname lauten und angeben, dass Sie sich in Cloud Shell befinden.

Löschen Sie die Compute Engine-Instanz.

  $ gcloud compute instances delete instance-name
    --zone=europe-west4-a

Cloud TPU-Training mit Einzelgerät

Öffnen Sie ein Cloud Shell-Fenster.

Cloud Shell öffnen
Erstellen Sie eine Umgebungsvariable für die Projekt-ID.
```
export PROJECT_ID=project-id
```
Konfigurieren Sie die Google Cloud CLI so, dass das Projekt verwendet wird, in dem Sie die Cloud TPU erstellen möchten.
```
gcloud config set project ${PROJECT_ID}
```
Wenn Sie diesen Befehl zum ersten Mal in einer neuen Cloud Shell-VM ausführen, wird die Seite Authorize Cloud Shell angezeigt. Klicken Sie unten auf der Seite auf Authorize, um gcloud das Ausführen von Google Cloud API-Aufrufen mit Ihren Anmeldedaten zu erlauben.

Erstellen Sie ein Dienstkonto für das Cloud TPU-Projekt.

gcloud beta services identity create --service tpu.googleapis.com --project $PROJECT_ID

Der Befehl gibt ein Cloud TPU-Dienstkonto im folgenden Format zurück:

service-PROJECT_NUMBER@cloud-tpu.iam.gserviceaccount.com

Exportieren Sie TPU-Einrichtungsvariablen.

Exportieren Sie Ihre Projekt-ID, den Namen, den Sie für Ihre TPU-Ressourcen verwenden möchten, und die Zone, in der Sie das Modell trainieren und alle trainingsbezogenen Daten speichern.
```
$ export TPU_NAME=mask-rcnn-tutorial
$ export ZONE=europe-west4-a
```
Starten Sie mit dem Befehl gcloud eine Compute Engine-VM und eine Cloud TPU. Der verwendete Befehl hängt davon ab, ob Sie TPU-VMs oder TPU-Knoten verwenden. Weitere Informationen zu beiden VM-Architekturen finden Sie unter Systemarchitektur.

Hinweis: Wenn Sie mehrere Projekte haben, müssen Sie die Projekt-ID mit dem Flag --project angeben.
TPU-VM
```
$ gcloud compute tpus tpu-vm create mask-rcnn-tutorial \
--zone=europe-west4-a \
--accelerator-type=v3-8 \
--version=tpu-vm-tf-2.16.1-pjrt
```
Beschreibung der Befehls-Flags

zone

Die Zone, in der Sie Ihre Cloud TPU erstellen möchten.

accelerator-type

Der Beschleunigertyp gibt die Version und Größe der Cloud TPU an, die Sie erstellen möchten. Weitere Informationen zu unterstützten Beschleunigertypen für die einzelnen TPU-Versionen finden Sie unter TPU-Versionen.

version

Die Cloud TPU-Softwareversion.

Hinweis: Das erstmalige Erstellen einer TPU-VM in einem Projekt dauert einige Minuten, um Startaufgaben wie die SSH-Schlüsselverbreitung und die API-Aktivierung auszuführen.
TPU-Knoten
Wichtig :Sie müssen TensorFlow 2.12.0 oder höher verwenden.
```
$ gcloud compute tpus execution-groups create  \
 --zone=europe-west4-a \
 --name=mask-rcnn-tutorial \
 --accelerator-type=v3-8 \
 --machine-type=n1-standard-8 \
 --disk-size=300 \
 --tf-version=2.12.0
```
Beschreibung der Befehls-Flags

zone

Die Zone, in der Sie Ihre Cloud TPU erstellen möchten.

name

Der TPU-Name. Ist standardmäßig Ihr Nutzername, wenn nichts anderes angegeben ist.

accelerator-type

Der Typ der zu erstellenden Cloud TPU.

machine-type

Der Maschinentyp der Compute Engine-VM, die erstellt werden soll.

disk-size

Die Größe des Stamm-Volumes Ihrer Compute Engine-VM (in GB).

tf-version

Die Version von TensorFlow gcloud wird auf der VM installiert.
Weitere Informationen zum Befehl gcloud finden Sie in der gcloud-Referenz.
Wenn Sie nicht automatisch bei der Compute Engine-Instanz angemeldet werden, melden Sie sich mit dem folgenden ssh-Befehl an. Wenn Sie bei der VM angemeldet sind, ändert sich die Shell-Eingabeaufforderung von username@projectname in username@vm-name:
TPU-VM
```
gcloud compute tpus tpu-vm ssh mask-rcnn-tutorial --zone=europe-west4-a
```
TPU-Knoten
```
gcloud compute tpus execution-groups ssh mask-rcnn-tutorial --zone=europe-west4-a
```
Wichtiger Hinweis: Ab jetzt bedeutet das Präfix (vm)$, dass Sie den Befehl in der Compute Engine-VM-Instanz ausführen sollten.

Installieren Sie TensorFlow-Anforderungen.

Der verwendete Befehl hängt davon ab, ob Sie TPU-VMs oder TPU-Knoten verwenden.

TPU-VM

(vm)$ pip3 install -r /usr/share/tpu/models/official/requirements.txt

TPU-Knoten

(vm)$ pip3 install --user -r /usr/share/models/official/requirements.txt

Legen Sie die Cloud TPU-Namensvariable fest.

TPU-VM

(vm)$ export TPU_NAME=local

TPU-Knoten

(vm)$ export TPU_NAME=mask-rcnn-tutorial

Richten Sie die folgenden Umgebungsvariablen ein und ersetzen Sie bucket-name durch den Namen des Cloud Storage-Buckets, in dem das COCO-Dataset gespeichert ist:
```
(vm)$ export STORAGE_BUCKET=gs://bucket-name
```

Fügen Sie Umgebungsvariablen für die Daten- und Modellverzeichnisse hinzu.

(vm)$ export DATA_DIR=${STORAGE_BUCKET}/coco
(vm)$ export MODEL_DIR=${STORAGE_BUCKET}/mask-rcnn

Fügen Sie weitere erforderliche Umgebungsvariablen hinzu:

(vm)$ export RESNET_CHECKPOINT=gs://cloud-tpu-checkpoints/retinanet/resnet50-checkpoint-2018-02-07
(vm)$ export TRAIN_FILE_PATTERN=${DATA_DIR}/train-*
(vm)$ export EVAL_FILE_PATTERN=${DATA_DIR}/val-*
(vm)$ export VAL_JSON_FILE=${DATA_DIR}/instances_val2017.json

Legen Sie die Umgebungsvariable PYTHONPATH fest:

TPU-VM

(vm)$ export PYTHONPATH="${PYTHONPATH}:/usr/share/tpu/models"

TPU-Knoten

(vm)$ export PYTHONPATH="${PYTHONPATH}:/usr/share/models"

Wenn Sie beim Erstellen Ihrer TPU den Parameter --version auf eine Version festlegen, die auf -pjrt endet, legen Sie die folgenden Umgebungsvariablen fest, um die PJRT-Laufzeit zu aktivieren:
```
  (vm)$ export NEXT_PLUGGABLE_DEVICE_USE_C_API=true
  (vm)$ export TF_PLUGGABLE_DEVICE_LIBRARY_PATH=/lib/libtpu.so
```

Wechseln Sie zum Verzeichnis, in dem sich das Modell befindet:

TPU-VM

(vm)$ cd /usr/share/tpu/models/official/vision

TPU-Knoten

(vm)$ cd /usr/share/models/official/legacy/detection

Das folgende Skript führt ein Beispieltraining aus, das in 10 Trainingsschritten und 10 Bewertungsschritten trainiert wird. Dies dauert auf einer v3-8-TPU etwa 6 Minuten. Das Training zur Konvergenz dauert etwa 22.500 Schritte und ca. 6 Stunden auf einer v3-8-TPU.

Führen Sie den folgenden Befehl aus, um das Mask-RCNN-Modell zu trainieren:

(vm)$ python3 train.py \
  --tpu=${TPU_NAME} \
  --experiment=maskrcnn_resnetfpn_coco \
  --mode=train_and_eval \
  --config_file=configs/experiments/maskrcnn/r50fpn_640_coco_scratch_tpu4x4.yaml \
  --model_dir=${MODEL_DIR} \
  --params_override="task.train_data.input_path=${TRAIN_FILE_PATTERN},task.validation_data.input_path=${EVAL_FILE_PATTERN},task.annotation_file=${VAL_JSON_FILE},runtime.distribution_strategy=tpu,trainer.train_steps=10,trainer.validation_steps=10,task.train_data.global_batch_size=8,task.validation_data.global_batch_size=8"

Beschreibung der Befehls-Flags

strategy_type: Die Vertriebsstrategie.
tpu: Der Name Ihrer TPU.; Gibt das Verzeichnis an, in dem während des Modelltrainings Prüfpunkte und Zusammenfassungen gespeichert werden. Wenn der Ordner fehlt, erstellt das Programm einen. Wenn eine Cloud TPU verwendet wird, muss model_direin Cloud Storage-Pfad sein (`gs://...`). Sie können einen vorhandenen Ordner wiederverwenden, um aktuelle Prüfpunktdaten zu laden und zusätzliche Prüfpunkte zu speichern, sofern die vorherigen Prüfpunkte mit TPU derselben Größe und TensorFlow-Version erstellt wurden.

Wenn das Training abgeschlossen ist, wird eine Meldung wie diese angezeigt:

{'frcnn_box_loss': 0.033865165,
 'frcnn_cls_loss': 1.2535654,
 'learning_rate': 0.008266499,
 'mask_loss': 1.2039567,
 'model_loss': 2.821458,
 'rpn_box_loss': 0.034982488,
 'rpn_score_loss': 0.2950886,
 'total_loss': 4.340171,
 'training_loss': 4.340171}
train | step:     10 | steps/sec:    0.1 | output:
{'frcnn_box_loss': 0.033865165,
 'frcnn_cls_loss': 1.2535654,
 'learning_rate': 0.008266499,
 'mask_loss': 1.2039567,
 'model_loss': 2.821458,
 'rpn_box_loss': 0.034982488,
 'rpn_score_loss': 0.2950886,
 'total_loss': 4.340171,
 'training_loss': 4.340171}

Darauf folgt die Ausgabe der Bewertungsschritte.

Sie haben jetzt das Training und die Bewertung für ein einzelnes Gerät abgeschlossen. Führen Sie die folgenden Schritte aus, um die aktuellen Ressourcen des TPU-Einzelgeräts zu löschen.

Trennen Sie die Verbindung zur Compute Engine-Instanz:
```
(vm)$ exit
```
Die Eingabeaufforderung sollte nun username@projectname lauten und angeben, dass Sie sich in Cloud Shell befinden.
Löschen Sie die TPU-Ressource.
TPU-VM
```
$ gcloud compute tpus tpu-vm delete mask-rcnn-tutorial \
--zone=europe-west4-a
```
Beschreibung der Befehls-Flags

zone

Die Zone, in der sich Ihre Cloud TPU befindet.
TPU-Knoten
```
$ gcloud compute tpus execution-groups delete mask-rcnn-tutorial \
--tpu-only \
--zone=europe-west4-a
```
Beschreibung der Befehls-Flags

tpu-only

Löscht nur die Cloud TPU. Die VM bleibt verfügbar.

zone

Die Zone, in der die zu löschende TPU enthalten ist.

An dieser Stelle können Sie entweder diese Anleitung beenden und eine Bereinigung durchführen oder die Ausführung des Modells auf Cloud TPU Pods fortsetzen.

Modell mit Cloud TPU Pods skalieren

Wenn Sie das Modell auf Cloud TPU-Pods trainieren, sind möglicherweise einige Änderungen am Trainingsskript erforderlich. Weitere Informationen finden Sie unter Training auf TPU-Pods.

TPU-Pod-Training

Öffnen Sie ein Cloud Shell-Fenster.

Cloud Shell öffnen
Erstellen Sie eine Variable für Ihre Projekt-ID.
```
export PROJECT_ID=project-id
```
Konfigurieren Sie die Google Cloud CLI so, dass das Projekt verwendet wird, in dem Sie eine Cloud TPU erstellen möchten.
```
gcloud config set project ${PROJECT_ID}
```
Wenn Sie diesen Befehl zum ersten Mal in einer neuen Cloud Shell-VM ausführen, wird die Seite Authorize Cloud Shell angezeigt. Klicken Sie unten auf der Seite auf Authorize, um gcloud das Ausführen von Google Cloud API-Aufrufen mit Ihren Anmeldedaten zu erlauben.
Erstellen Sie ein Dienstkonto für das Cloud TPU-Projekt.

Dienstkonten ermöglichen dem Cloud TPU-Dienst den Zugriff auf andere Google Cloud-Dienste.
```
gcloud beta services identity create --service tpu.googleapis.com --project $PROJECT_ID
```
Der Befehl gibt ein Cloud TPU-Dienstkonto im folgenden Format zurück:
```
service-PROJECT_NUMBER@cloud-tpu.iam.gserviceaccount.com
```
Wenn Sie das COCO-Dataset bereits vorbereitet und in den Storage-Bucket verschoben haben, können Sie es für das Pod-Training wiederverwenden. Wenn Sie das COCO-Dataset noch nicht vorbereitet haben, bereiten Sie es jetzt vor und kehren Sie dann hierher zurück, um das Training einzurichten.
Cloud TPU-Pod starten

In dieser Anleitung wird ein v3-32-Pod angegeben. Weitere Pod-Optionen finden Sie unter TPU-Versionen.
TPU-VM
Hinweis: Wenn derzeit nicht genügend Kapazität zum Erstellen des TPU-Pod verfügbar ist, können Sie Ihre Anfrage mithilfe von Ressourcen in der Warteschlange in die Warteschlange stellen. Mit Ressourcen in der Warteschlange können Sie Kapazität erhalten, sobald sie verfügbar ist. Verwenden Sie stattdessen den Befehl gcloud alpha compute tpus queued-resources create, um Ihre Cloud TPU-Ressourcen als Ressourcen in der Warteschlange anzufordern. Weitere Informationen finden Sie unter Ressourcen in der Warteschlange verwalten.
```
$ gcloud compute tpus tpu-vm create mask-rcnn-tutorial \
--zone=europe-west4-a \
--accelerator-type=v3-32 \
--version=tpu-vm-tf-2.16.1-pod-pjrt
```
Beschreibung der Befehls-Flags

zone

Die Zone, in der Sie Ihre Cloud TPU erstellen möchten.

accelerator-type

Der Beschleunigertyp gibt die Version und Größe der Cloud TPU an, die Sie erstellen möchten. Weitere Informationen zu unterstützten Beschleunigertypen für die einzelnen TPU-Versionen finden Sie unter TPU-Versionen.

version

Die Cloud TPU-Softwareversion.

Hinweis: Beim erstmaligen Ausführen von gcloud für ein Projekt dauert es etwa 5 Minuten, bis alle Startprozesse wie die SSH-Schlüsselverbreitung und die API-Aktivierung abgeschlossen sind.
TPU-Knoten
```
(vm)$ gcloud compute tpus execution-groups create \
--zone=europe-west4-a \
--name=mask-rcnn-tutorial \
--accelerator-type=v3-32  \
--tf-version=2.12.0
```
Beschreibung der Befehls-Flags

zone

Die Zone, in der Sie Ihre Cloud TPU erstellen möchten.

tpu-only

Erstellt nur die Cloud TPU. Standardmäßig erstellt der Befehl gcloud compute tpus execution-groups eine VM und eine Cloud TPU.

accelerator-type

Der Typ der zu erstellenden Cloud TPU.

tf-version

Die Version von TensorFlow gcloud wird auf der VM installiert.
Wenn Sie nicht automatisch bei der Compute Engine-Instanz angemeldet werden, melden Sie sich mit dem folgenden ssh-Befehl an. Wenn Sie bei der VM angemeldet sind, ändert sich die Shell-Eingabeaufforderung von username@projectname in username@vm-name:
TPU-VM
```
gcloud compute tpus tpu-vm ssh mask-rcnn-tutorial --zone=europe-west4-a
```
TPU-Knoten
```
gcloud compute ssh mask-rcnn-tutorial --zone=europe-west4-a
```
Wichtiger Hinweis: Ab jetzt bedeutet das Präfix (vm)$, dass Sie den Befehl in der Compute Engine-VM-Instanz ausführen sollten.

Installieren Sie TensorFlow-Anforderungen.

Der verwendete Befehl hängt davon ab, ob Sie TPU-VMs oder TPU-Knoten verwenden.

TPU-VM

(vm)$ pip3 install -r /usr/share/tpu/models/official/requirements.txt

TPU-Knoten

(vm)$ pip3 install --user -r /usr/share/models/official/requirements.txt

Für das Trainingsskript ist ein zusätzliches Paket erforderlich. Installieren Sie es jetzt.
```
(vm)$ pip3 install --user tensorflow-model-optimization>=0.1.3
```
Legen Sie die Cloud TPU-Namensvariable fest.
```
(vm)$ export TPU_NAME=mask-rcnn-tutorial
```
Richten Sie die folgenden Umgebungsvariablen ein und ersetzen Sie bucket-name durch den Namen Ihres Cloud Storage-Buckets:
```
(vm)$ export STORAGE_BUCKET=gs://bucket-name
```

Fügen Sie weitere erforderliche Umgebungsvariablen hinzu:

(vm)$ export RESNET_CHECKPOINT=gs://cloud-tpu-checkpoints/retinanet/resnet50-checkpoint-2018-02-07
(vm)$ export DATA_DIR=${STORAGE_BUCKET}/coco
(vm)$ export TRAIN_FILE_PATTERN=${DATA_DIR}/train-*
(vm)$ export EVAL_FILE_PATTERN=${DATA_DIR}/val-*
(vm)$ export VAL_JSON_FILE=${DATA_DIR}/instances_val2017.json
(vm)$ export MODEL_DIR=${STORAGE_BUCKET}/mask-rcnn-pod

Legen Sie die Umgebungsvariable PYTHONPATH fest:

TPU-VM

(vm)$ export PYTHONPATH="/usr/share/tpu/models:${PYTHONPATH}"
(vm)$ export TPU_LOAD_LIBRARY=0

TPU-Knoten

(vm)$ export PYTHONPATH="${PYTHONPATH}:/usr/share/models"

Wechseln Sie zum Verzeichnis, in dem sich das Modell befindet:

TPU-VM

(vm)$ cd /usr/share/tpu/models/official/vision

TPU-Knoten

(vm)$ cd /usr/share/models/official/legacy/detection

Modell trainieren

Bei diesem Verfahren wird das Modell mit dem COCO-Dataset für 10 Trainingsschritte trainiert. Dieses Training dauert auf einer v3-32-Cloud TPU etwa 10 Minuten.

Hinweis: Nach dem Start können Sie prüfen, ob das Training ausgeführt wird. Überwachen Sie dazu die TPU-Aktivität in der Cloud TPU-Konsole. Wählen Sie unter Compute Engine -> TPUs Ihren TPU-Eintrag aus. Eine Seite mit Ihren TPU-Konfigurationsdetails und einem Link zu MONITORING wird angezeigt. Klicken Sie auf MONITORING, um die aktuelle TPU-Aktivität anzuzeigen.
TPU-VM
```
(vm)$ python3 train.py \
--tpu=${TPU_NAME} \
--experiment=maskrcnn_resnetfpn_coco \
--mode=train_and_eval \
--config_file=configs/experiments/maskrcnn/r50fpn_640_coco_scratch_tpu4x4.yaml \
--model_dir=${MODEL_DIR} \
--params_override="task.train_data.input_path=${TRAIN_FILE_PATTERN},task.validation_data.input_path=${EVAL_FILE_PATTERN},task.annotation_file=${VAL_JSON_FILE},runtime.distribution_strategy=tpu,trainer.train_steps=10,trainer.validation_steps=10,task.train_data.global_batch_size=256,task.validation_data.global_batch_size=256" 
```
Beschreibung der Befehls-Flags

tpu

Der Name Ihrer TPU.

model_dir

Gibt das Verzeichnis an, in dem während des Modelltrainings Prüfpunkte und Zusammenfassungen gespeichert werden. Wenn der Ordner fehlt, erstellt das Programm einen. Wenn Sie eine Cloud TPU verwenden, muss model_dir ein Cloud Storage-Pfad (gs://...) sein. Sie können einen vorhandenen Ordner wiederverwenden, um aktuelle Prüfpunktdaten zu laden und zusätzliche Prüfpunkte zu speichern, solange die vorherigen Prüfpunkte mit Cloud TPU derselben Größe und TensorFlow-Version erstellt wurden.

params_override

Ein JSON-String, der Standardskriptparameter überschreibt.
TPU-Knoten
```
(vm)$ python3 main.py \
--strategy_type=tpu \
--tpu=${TPU_NAME} \
--model_dir=${MODEL_DIR} \
--mode=train \
--model=mask_rcnn \
--params_override="{train: { batch_size: 128, iterations_per_loop: 500, total_steps: 20, learning_rate: {'learning_rate_levels': [0.008, 0.0008], 'learning_rate_steps': [10000, 13000] }, checkpoint: { path: ${RESNET_CHECKPOINT}, prefix: resnet50/ }, train_file_pattern: ${TRAIN_FILE_PATTERN} }, eval: { val_json_file: ${VAL_JSON_FILE}, eval_file_pattern: ${EVAL_FILE_PATTERN}} }"
```
Beschreibung der Befehls-Flags

tpu

Der Name Ihrer TPU.

model_dir

Gibt das Verzeichnis an, in dem während des Modelltrainings Prüfpunkte und Zusammenfassungen gespeichert werden. Wenn der Ordner fehlt, erstellt das Programm einen. Wenn Sie eine Cloud TPU verwenden, muss model_dir ein Cloud Storage-Pfad (gs://...) sein. Sie können einen vorhandenen Ordner wiederverwenden, um aktuelle Prüfpunktdaten zu laden und zusätzliche Prüfpunkte zu speichern, solange die vorherigen Prüfpunkte mit Cloud TPU derselben Größe und TensorFlow-Version erstellt wurden.

params_override

Ein JSON-String, der Standardskriptparameter überschreibt.

Wenn das Training abgeschlossen ist, wird eine Meldung wie diese angezeigt:

 I0706 19:47:16.108213 139955064548416 controller.py:457] train | step: 10 | steps/sec:    0.1 | output:
    {'frcnn_box_loss': 0.05632668,
     'frcnn_cls_loss': 1.3012192,
     'learning_rate': 0.008266499,
     'mask_loss': 1.2371812,
     'model_loss': 2.9746659,
     'rpn_box_loss': 0.08227444,
     'rpn_score_loss': 0.2976642,
     'total_loss': 4.493513,
     'training_loss': 4.493513}
train | step:     10 | steps/sec:    0.1 | output:
    {'frcnn_box_loss': 0.05632668,
     'frcnn_cls_loss': 1.3012192,
     'learning_rate': 0.008266499,
     'mask_loss': 1.2371812,
     'model_loss': 2.9746659,
     'rpn_box_loss': 0.08227444,
     'rpn_score_loss': 0.2976642,
     'total_loss': 4.493513,
     'training_loss': 4.493513}

Bereinigen

Damit Ihrem Google Cloud-Konto die in dieser Anleitung verwendeten Ressourcen nicht in Rechnung gestellt werden, löschen Sie entweder das Projekt, das die Ressourcen enthält, oder Sie behalten das Projekt und löschen die einzelnen Ressourcen.

Löschen Sie nach dem Training die TPU-VM und entfernen Sie den Storage-Bucket.

Trennen Sie die Verbindung zur Compute Engine-Instanz, sofern noch nicht geschehen:
```
(vm)$ exit
```
Die Eingabeaufforderung sollte nun username@projectname lauten und angeben, dass Sie sich in Cloud Shell befinden.
Löschen Sie Ihre Cloud TPU- und Compute Engine-Ressourcen. Der Befehl zum Löschen Ihrer Ressourcen hängt davon ab, ob Sie TPU-VMs oder TPU-Knoten verwenden. Weitere Informationen finden Sie unter Systemarchitektur.
TPU-VM
```
$ gcloud compute tpus tpu-vm delete mask-rcnn-tutorial \
--zone=europe-west4-a
```
TPU-Knoten
```
$ gcloud compute tpus execution-groups delete mask-rcnn-tutorial \
--zone=europe-west4-a
```
Prüfen Sie, ob die Ressourcen gelöscht wurden. Führen Sie dazu gcloud compute tpus execution-groups list aus. Der Löschvorgang kann einige Minuten dauern. Die Ausgabe des folgenden Befehls sollte keine der in dieser Anleitung erstellten TPU-Ressourcen enthalten:
```
$ gcloud compute tpus execution-groups list --zone=europe-west4-a
```
Führen Sie gsutil wie angegeben aus und ersetzen Sie dabei bucket-name durch den Namen des Cloud Storage-Buckets, den Sie für diese Anleitung erstellt haben:
```
$ gsutil rm -r gs://bucket-name
```

Nächste Schritte

In den Cloud TPU-Anleitungen von TensorFlow wird das Modell in der Regel mithilfe eines Beispiel-Datasets trainiert. Die Ergebnisse dieses Trainings sind nicht für Inferenzen verwendbar. Wenn Sie ein Modell für die Inferenz verwenden möchten, können Sie die Daten mit einem öffentlich verfügbaren Dataset oder Ihrem eigenen Dataset trainieren. Für TensorFlow-Modelle, die auf Cloud TPUs trainiert wurden, müssen im Allgemeinen Datasets im TFRecord-Format erforderlich sein.

Mit dem Beispiel für das Dataset-Konvertierungstool können Sie ein Bildklassifizierungs-Dataset in das TFRecord-Format konvertieren. Wenn Sie kein Bildklassifizierungsmodell verwenden, müssen Sie das Dataset selbst in das TFRecord-Format konvertieren. Weitere Informationen finden Sie unter TFRecord und tf.Example.

Hyperparameter-Feinabstimmung

Sie können die Hyperparameter des Modells abstimmen, um die Leistung des Modells mit Ihrem Dataset zu verbessern. Informationen zu den Hyperparametern, die alle von der TPU unterstützten Modelle gemeinsam sind, finden Sie auf GitHub. Informationen zu modellspezifischen Hyperparametern finden Sie im Quellcode des jeweiligen Modells. Weitere Informationen zur Abstimmung von Hyperparametern finden Sie unter Übersicht über die Abstimmung von Hyperparametern und Hyperparameter abstimmen.

Inferenz

Nachdem Sie Ihr Modell trainiert haben, können Sie es für Inferenzen (auch Vorhersage genannt) verwenden. Mit dem Cloud TPU-Inferenzkonverter-Tool können Sie ein TensorFlow-Modell für die Inferenz in Cloud TPU v5e vorbereiten und optimieren. Weitere Informationen zur Inferenz in Cloud TPU v5e finden Sie unter Einführung in Cloud TPU v5e-Inferenz.

TPU-Tools in TensorBoard