모델 비교 (Model Comparison)

5단 분석법

순서
분석
단어
내용
1
일반 명사
모델
모형, 모델
비교
둘 이상의 사물을 견주어 서로 간의 유사점, 차이점, 일반 법칙 따위를 고찰하는 일
모델 비교
둘 이상의 모델을 견주어 서로 간의 유사점, 차이점, 일반 법칙 따위를 고찰하는 일
2
고유 명사
모델 비교
여러 기계 학습 모델의 성능을 평가하고 비교해 특정 문제에 대해 가장 효과적인 모델을 선택하는 과정
3
사용 이유
모델 비교
다양한 모델 중에서 성능이 가장 우수한 모델을 선택하여, 주어진 문제를 최적의 방식으로 해결하고 예측 정확도를 극대화하기 위해서
4
사용 방법
모델 비교
여러 모델을 동일한 데이터셋으로 훈련하고 평가
5
다른 기술과의 비교
모델 비교
-

정의

일반 명사

모델
모형, 모델
비교
둘 이상의 사물을 견주어 서로 간의 유사점, 차이점, 일반 법칙 따위를 고찰하는 일
모델 비교
둘 이상의 모델을 견주어 서로 간의 유사점, 차이점, 일반 법칙 따위를 고찰하는 일
모델은 모형, 모델이라는 뜻을 가지고 있습니다.
비교는 둘 이상의 사물을 견주어 서로 간의 유사점, 차이점, 일반 법칙 따위를 고찰하는 일을 말합니다.
모델 비교라는 단어의 의미를 생각해 보면,
둘 이상의 모델을 견주어 서로 간의 유사점, 차이점, 일반 법칙 따위를 고찰하는 일이라고 생각해 볼 수 있을 것 같습니다.
정말 그런지, 고유 명사를 살펴볼까요?

고유 명사

모델 비교
여러 기계 학습 모델의 성능을 평가하고 비교해 특정 문제에 대해 가장 효과적인 모델을 선택하는 과정
모델 비교는 여러 기계학습 모델의 성능을 평가하고 비교해 특정 문제에 대해 가장 효과적인 모델을 선택하는 과정을 말합니다.
예를 들어, 머신러닝 모델의 종류로는 결정 트리, 랜덤 포레스트, 서포트 벡터 머신, 인공 신경망 등이 있습니다.
이러한 모델들을 동일한 데이터셋에 대해 훈련시키고, 평가 지표(예: 정확도, 정밀도, 재현율 등)를 통해 비교함으로써 가장 성능이 우수한 모델을 선택할 수 있습니다.
하단에 ‘사용 방법’에 작성해놓은 예시 코드의 결과 그래프입니다.

모델 성능 요약

모델
데이터 타입
초기 정확도
최종 정확도
초기 손실
최종 손실
성능 노트
모델 1
학습 데이터
낮음
높음 (~1.0)
높음 (~2.5)
낮음 (~0.5)
높은 학습 정확도, 빠른 학습 속도, 과적합 가능성
검증 데이터
낮음
중간 (~0.2)
높음 (~2.5)
높음 (~2.3)
안정적인 검증 정확도, 과적합 가능성 있음
모델 2
학습 데이터
낮음
중간 (~0.5)
높음 (~2.3)
중간 (~1.0)
적당한 학습 정확도, 균형 잡힌 학습 속도
검증 데이터
낮음
중간 (~0.2)
높음 (~2.3)
높음 (~2.3)
안정적인 검증 정확도, 균형 잡힌 성능

설명

요약

모델
설명
Model 1
- 학습 데이터에 대해 빠르게 학습하며 높은 정확도를 보임 - 검증 데이터에서는 과적합(overfitting) 징후가 나타날 수 있음
Model 2
- 학습 데이터와 검증 데이터 모두에서 더 안정적인 성능을 보임 - 학습 속도는 상대적으로 느림
과접한 징후가 있는지 어떻게 알 수 있나요?
과적합 여부를 판단하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 일반적으로, 모델이 학습 데이터에서 매우 높은 성능을 보이지만 검증 데이터나 새로운 데이터에서는 성능이 떨어지는 경우 과적합이 발생했다고 볼 수 있습니다. 다음은 과적합 여부를 판단하는 몇 가지 방법입니다.

과적합 여부 판단 방법

방법
설명
과적합의 징후
학습 및 검증 성능 비교
- 학습 데이터와 검증 데이터의 정확도 및 손실 비교
- 학습 정확도가 매우 높은데 검증 정확도가 낮음 예를 들어, 학습 정확도가 95%인데 검증 정확도가 70%라면 과적합을 의심할 수 있습니다. - 학습 손실이 매우 낮은데 검증 손실이 높음 예를 들어, 학습 손실이 0.2인데 검증 손실이 1.0이라면 과적합일 가능성이 높습니다.
학습 곡선 분석
- 에포크마다 학습 데이터와 검증 데이터의 정확도 및 손실을 시각화한 그래프 분석
- 학습 손실은 감소하는데 검증 손실은 증가하거나 일정함 - 학습 정확도는 증가하는데 검증 정확도는 일정하거나 감소
검증 데이터와의 성능 비교
- 새로운 데이터셋(테스트 데이터셋)으로 모델 성능 평가
- 학습 데이터에서 높은 성능을 보이지만 새로운 데이터에서 성능이 크게 떨어짐
정규화 기법 사용
- 드롭아웃: 학습 과정에서 무작위로 뉴런을 끔 - 가중치 감소(L2 정규화): 큰 가중치 값을 방지
- 정규화 기법 적용 후 모델 성능이 개선되면 과적합이 있었음을 나타냄

사용 이유

모델 비교
다양한 모델 중에서 성능이 가장 우수한 모델을 선택하여, 주어진 문제를 최적의 방식으로 해결하고 예측 정확도를 극대화하기 위해서
이유
설명
최적의 성능 확보
문제를 가장 잘 해결할 수 있는 모델을 선택하여 예측 성능을 극대화합니다.
모델의 적합성 확인
특정 데이터셋에 대해 어떤 모델이 가장 적합한지 확인합니다.
효율적인 자원 사용
계산 자원과 시간을 효율적으로 사용하여 최적의 결과를 도출합니다.
신뢰성 향상
모델의 성능을 비교함으로써 더 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있습니다.

사용 방법

설명
모델 비교 (Model Comparison)
여러 모델을 동일한 데이터셋으로 훈련하고 평가

TensorFlow (Keras)

PyTorch

알아 두면 좋은 정보

다양한 모델 비교 방법

교차 검증 (Cross-Validation)

데이터를 여러 부분으로 나누어 각각의 부분을 테스트셋으로, 나머지를 훈련셋으로 사용하여 여러 번 반복 평가합니다.

앙상블 기법 (Ensemble Methods)

여러 모델을 결합하여 더 나은 예측 성능을 얻습니다.
예를 들어, 배깅(Bagging), 부스팅(Boosting) 등의 기법이 있습니다.

하이퍼파라미터 튜닝 (Hyperparameter Tuning)

모델의 하이퍼파라미터를 최적화하여 성능을 개선합니다.
그리드 서치(Grid Search), 랜덤 서치(Random Search) 등이 있습니다.

미니퀘스트

1번 미니퀘스트 - 기본 CNN, ResNet50 모델 비교

MNIST 데이터셋을 직접 학습한 기본 CNN 모델과 Fine Tuning을 진행한 ResNet50 모델하고 비교해 보세요.

문제 설명

1.
라이브러리 임포트
2.
데이터셋 로드 및 전처리
# 2. MNIST 데이터셋 로드 및 전처리 (x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data() x_train = np.expand_dims(x_train, -1) x_test = np.expand_dims(x_test, -1) x_train = np.repeat(x_train, 3, axis=-1) # 채널을 3으로 확장 x_test = np.repeat(x_test, 3, axis=-1) x_train = x_train.astype('float32') / 255.0 x_test = x_test.astype('float32') / 255.0 y_train = to_categorical(y_train, 10) y_test = to_categorical(y_test, 10) # 데이터셋 분할 (훈련:검증 = 8:2) x_train, x_val, y_train, y_val = train_test_split(x_train, y_train, test_size=0.2, random_state=42)
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3.
기본 CNN 모델 정의 및 훈련
4.
ResNet50 모델 정의 및 파인튜닝
5.
두 모델의 성능 비교

코드

# 1. 라이브러리 임포트 from sklearn.model_selection import train_test_split from sklearn.metrics import accuracy_score from tensorflow.keras.models import Sequential, load_model from tensorflow.keras.layers import Dense, Flatten, Conv2D, MaxPooling2D from tensorflow.keras.optimizers import Adam from tensorflow.keras.utils import to_categorical from tensorflow.keras.applications import ResNet50 from tensorflow.keras.models import Model from tensorflow.keras.layers import GlobalAveragePooling2D, Input import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from tensorflow.keras.datasets import mnist # 2. MNIST 데이터셋 로드 및 전처리 (x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data() x_train = np.expand_dims(x_train, -1) x_test = np.expand_dims(x_test, -1) x_train = np.repeat(x_train, 3, axis=-1) # 채널을 3으로 확장 x_test = np.repeat(x_test, 3, axis=-1) x_train = x_train.astype('float32') / 255.0 x_test = x_test.astype('float32') / 255.0 y_train = to_categorical(y_train, 10) y_test = to_categorical(y_test, 10) # 데이터셋 분할 (훈련:검증 = 8:2) x_train, x_val, y_train, y_val = train_test_split(x_train, y_train, test_size=0.2, random_state=42) # 3. 기본 CNN 모델 정의 및 훈련 cnn_model = Sequential([ Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(28, 28, 3)), MaxPooling2D((2, 2)), Flatten(), Dense(128, activation='relu'), Dense(10, activation='softmax') ]) cnn_model.compile(optimizer=Adam(), loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy']) cnn_history = cnn_model.fit(x_train, y_train, epochs=10, batch_size=32, validation_data=(x_val, y_val)) cnn_model.save('cnn_model.h5') # 4. ResNet50 모델 정의 및 파인튜닝 input_tensor = Input(shape=(28, 28, 3)) base_model = ResNet50(include_top=False, weights='imagenet', input_tensor=input_tensor) x = GlobalAveragePooling2D()(base_model.output) x = Dense(10, activation='softmax')(x) resnet_model = Model(inputs=base_model.input, outputs=x) for layer in base_model.layers: layer.trainable = False # ResNet50의 가중치는 고정 resnet_model.compile(optimizer=Adam(), loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy']) resnet_history = resnet_model.fit(x_train, y_train, epochs=10, batch_size=32, validation_data=(x_val, y_val)) resnet_model.save('resnet_model.h5') # 5. 두 모델의 성능 비교 cnn_loss, cnn_accuracy = cnn_model.evaluate(x_test, y_test) resnet_loss, resnet_accuracy = resnet_model.evaluate(x_test, y_test) print(f"CNN Model - Test loss: {cnn_loss}, Test accuracy: {cnn_accuracy}") print(f"ResNet Model - Test loss: {resnet_loss}, Test accuracy: {resnet_accuracy}") # 그래프 그리기 plt.figure(figsize=(12, 5)) # 정확도 그래프 plt.subplot(1, 2, 1) plt.plot(cnn_history.history['accuracy'], label='CNN Train Accuracy') plt.plot(cnn_history.history['val_accuracy'], label='CNN Val Accuracy') plt.plot(resnet_history.history['accuracy'], label='ResNet Train Accuracy') plt.plot(resnet_history.history['val_accuracy'], label='ResNet Val Accuracy') plt.title('Model Accuracy') plt.xlabel('Epochs') plt.ylabel('Accuracy') plt.legend() # 손실 그래프 plt.subplot(1, 2, 2) plt.plot(cnn_history.history['loss'], label='CNN Train Loss') plt.plot(cnn_history.history['val_loss'], label='CNN Val Loss') plt.plot(resnet_history.history['loss'], label='ResNet Train Loss') plt.plot(resnet_history.history['val_loss'], label='ResNet Val Loss') plt.title('Model Loss') plt.xlabel('Epochs') plt.ylabel('Loss') plt.legend() plt.show()
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코드 설명

2번 미니퀘스트 - ResNet50, VGG16 모델 비교

MNIST 데이터셋을 ResNet50, VGG16 에 Fine Tuning하고 모델 두 개를 비교해 보세요.

문제 설명

1.
라이브러리 임포트
2.
데이터셋 로드 및 전철
# 데이터셋 로드 및 전처리 transform = transforms.Compose([ transforms.Resize((224, 224)), transforms.Grayscale(num_output_channels=3), # 흑백 이미지를 3채널로 변환 transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.5,), (0.5,)) ]) train_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform) test_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform) train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=32, shuffle=True) test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=32, shuffle=False)
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3.
VGG16 모델 구성 및 학습
4.
ResNet50 모델 구성 및 학습
5.
모델 평가

코드

import torch import torch.nn as nn import torch.optim as optim from torchvision import datasets, transforms, models from torch.utils.data import DataLoader # 데이터셋 로드 및 전처리 transform = transforms.Compose([ transforms.Resize((224, 224)), transforms.Grayscale(num_output_channels=3), # 흑백 이미지를 3채널로 변환 transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.5,), (0.5,)) ]) train_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform) test_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform) train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=32, shuffle=True) test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=32, shuffle=False) # VGG16 모델 구성 및 학습 vgg16 = models.vgg16(pretrained=True) vgg16.classifier[6] = nn.Linear(4096, 10) # 출력 클래스 수정 vgg16 = vgg16.cuda() criterion = nn.CrossEntropyLoss() optimizer = optim.Adam(vgg16.parameters(), lr=0.001) # VGG16 모델 학습 함수 def train_model(model, criterion, optimizer, train_loader, num_epochs=1): # 에포크 수를 1로 줄임 model.train() for epoch in range(num_epochs): running_loss = 0.0 for i, (images, labels) in enumerate(train_loader): images, labels = images.cuda(), labels.cuda() optimizer.zero_grad() outputs = model(images) loss = criterion(outputs, labels) loss.backward() optimizer.step() running_loss += loss.item() * images.size(0) # 중간 로그 출력 if (i + 1) % 100 == 0: print(f'Batch {i+1}/{len(train_loader)}, Loss: {loss.item():.4f}') epoch_loss = running_loss / len(train_loader.dataset) print(f'Epoch {epoch+1}/{num_epochs}, Loss: {epoch_loss:.4f}') train_model(vgg16, criterion, optimizer, train_loader) # ResNet50 모델 구성 및 학습 resnet50 = models.resnet50(pretrained=True) resnet50.fc = nn.Linear(resnet50.fc.in_features, 10) # 출력 클래스 수정 resnet50 = resnet50.cuda() optimizer = optim.Adam(resnet50.parameters(), lr=0.001) train_model(resnet50, criterion, optimizer, train_loader) # 모델 평가 함수 def evaluate_model(model, test_loader): model.eval() correct = 0 total = 0 with torch.no_grad(): for images, labels in test_loader: images, labels = images.cuda(), labels.cuda() outputs = model(images) _, predicted = torch.max(outputs.data, 1) total += labels.size(0) correct += (predicted == labels).sum().item() accuracy = 100 * correct / total return accuracy vgg16_accuracy = evaluate_model(vgg16, test_loader) resnet50_accuracy = evaluate_model(resnet50, test_loader) print(f'VGG16 Accuracy: {vgg16_accuracy:.2f}%') print(f'ResNet50 Accuracy: {resnet50_accuracy:.2f}%')
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