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LSTM ネットワークの活性化の可視化

この例では、活性化を抽出し、LSTM ネットワークによって学習された特徴を調査して可視化する方法を説明します。

事前学習済みのネットワークを読み込みます。JapaneseVowelsNet は、[1] および [2] で説明されているように Japanese Vowels データセットで学習させた事前学習済みの LSTM ネットワークです。これは、ミニバッチのサイズ 27 を使用して、シーケンス長で並べ替えられたシーケンスで学習させています。

load JapaneseVowelsNet

ネットワーク アーキテクチャを表示します。

net.Layers
ans = 
  5x1 Layer array with layers:

     1   'sequenceinput'   Sequence Input          Sequence input with 12 dimensions
     2   'lstm'            LSTM                    LSTM with 100 hidden units
     3   'fc'              Fully Connected         9 fully connected layer
     4   'softmax'         Softmax                 softmax
     5   'classoutput'     Classification Output   crossentropyex with '1' and 8 other classes

テスト データを読み込みます。

[XTest,YTest] = japaneseVowelsTestData;

最初の時系列をプロットで可視化します。各ラインは特徴に対応しています。

X = XTest{1};

figure
plot(XTest{1}')
xlabel("Time Step")
title("Test Observation 1")
numFeatures = size(XTest{1},1);
legend("Feature " + string(1:numFeatures),'Location','northeastoutside')

Figure contains an axes object. The axes object with title Test Observation 1 contains 12 objects of type line. These objects represent Feature 1, Feature 2, Feature 3, Feature 4, Feature 5, Feature 6, Feature 7, Feature 8, Feature 9, Feature 10, Feature 11, Feature 12.

シーケンスの各タイム ステップについて、LSTM 層 (層 2) がそのタイム ステップ用に出力した活性化を取得して、ネットワークの状態を更新します。

sequenceLength = size(X,2);
idxLayer = 2;
outputSize = net.Layers(idxLayer).NumHiddenUnits;

for i = 1:sequenceLength
    features(:,i) = activations(net,X(:,i),idxLayer);
    [net, YPred(i)] = classifyAndUpdateState(net,X(:,i));
end

ヒートマップを使用して、最初の 10 個の隠れユニットを可視化します。

figure
heatmap(features(1:10,:));
xlabel("Time Step")
ylabel("Hidden Unit")
title("LSTM Activations")

Figure contains an object of type heatmap. The chart of type heatmap has title LSTM Activations.

ヒートマップは、各隠れユニットがどれだけ強く活性化したかを示しており、時間の経過に伴い活性化がどのように変化したかを強調表示します。

参照

[1] M. Kudo, J. Toyama, and M. Shimbo. "Multidimensional Curve Classification Using Passing-Through Regions." Pattern Recognition Letters. Vol. 20, No. 11–13, pages 1103–1111.

[2] UCI Machine Learning Repository: Japanese Vowels Dataset. https://archive.ics.uci.edu/ml/datasets/Japanese+Vowels

参考

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