딥러닝 파이토치 강좌, 코랩에서 예제 파일 실행

안녕하세요! 이번 포스팅에서는 딥러닝과 파이토치(PyTorch)의 기초부터 시작해 실습할 수 있는 코드를 작성해 보겠습니다. 또한 구글 코랩(Google Colab)을 활용하여 코드 실행 방법도 안내하겠습니다. 파이토치는 깊이 있는 학습 및 연구에 적합한 깊은 학습 라이브러리로, 직관적이고 유연한 동적 계산 그래프를 제공합니다. 그래프의 각 단계에서 더해지는 주요 특징은 연구자 및 엔지니어가 필요에 따라 모델을 손쉽게 수정하고 최적화할 수 있다는 것입니다.

1. 딥러닝 개요

딥러닝은 기계 학습의 한 분야로, 인공 신경망을 활용하여 데이터에서 패턴을 학습하는 기술입니다. 주로 이미지 인식, 자연어 처리, 음성 인식 등에 활용됩니다. 기본적으로 딥러닝 모델은 입력 데이터를 받아 처리하고, 결과를 출력하는 구조를 가지고 있습니다. 이러한 모델은 수많은 뉴런으로 구성되어 있어 각 뉴런은 입력받은 값을 가중치와 함께 처리하여 출력합니다.

2. 파이토치란?

파이토치는 Facebook이 개발한 딥러닝 프레임워크로, 특히 Pythonic한 코드 작성이 가능하다는 점에서 인기 있습니다. 파이토치의 장점 중 하나는 직관적인 인터페이스와 강력한 GPU 가속 기능이고, 이를 통해 대규모 데이터와 복잡한 모델을 효율적으로 처리할 수 있습니다. 또한, 동적 계산 그래프(Dynamic Computation Graph)를 지원하여 모델의 구조를 유연하게 변경할 수 있습니다.

3. 구글 코랩 설정하기

구글 코랩은 파이썬 코드를 실행할 수 있는 온라인 환경을 제공합니다. CUDA를 사용하여 GPU 가속을 지원하므로 짧은 시간 안에 모델 학습을 완료할 수 있습니다.

  1. 구글 계정으로 로그인합니다.
  2. Google Colab에 접속합니다.
  3. 새 노트북을 생성합니다.
  4. 상단 메뉴에서 ‘런타임’ -> ‘런타임 유형 변경’을 클릭하여 GPU를 선택합니다.

이제 코랩 환경이 준비되었습니다!

4. 기본적인 파이토치 사용법

4.1. 파이토치 설치하기

코랩에서는 기본적으로 파이토치가 설치되어 있지만, 최신 버전을 원하신다면 아래의 명령어를 사용하여 설치할 수 있습니다.

!pip install torch torchvision

4.2. 텐서(Tensor)

텐서는 파이토치의 핵심 데이터 구조입니다. 기본적으로 N차원 배열로 수학적 연산을 지원하며, 다음과 같은 기능을 제공합니다:

  • CPU와 GPU의 이식성
  • 자동 미분 기능 제공

텐서 생성하기

아래 코드는 기본적인 텐서 생성 예시입니다.

import torch

# 기본적인 텐서 생성
tensor_1d = torch.tensor([1.0, 2.0, 3.0])
tensor_2d = torch.tensor([[1.0, 2.0], [3.0, 4.0]])
print(tensor_1d)
print(tensor_2d)

5. 딥러닝 모델 개발하기

이제 실제 딥러닝 모델을 구축해 보겠습니다. 간단한 심층 신경망(DNN)을 구현하고, MNIST 데이터셋을 활용하여 손글씨 숫자를 인식하는 모델을 만들어보겠습니다.

5.1. MNIST 데이터셋 다운로드

MNIST 데이터셋은 손글씨 숫자 데이터셋으로, 일반적으로 딥러닝 모델의 테스트 데이터로 사용됩니다. 파이토치를 통해 간단하게 데이터셋을 다운로드하고 로드할 수 있습니다.

from torchvision import datasets, transforms

# 데이터셋 변환 정의
transform = transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),  # 텐서로 변환
    transforms.Normalize((0.5,), (0.5,))  # 정규화
])

# MNIST 데이터셋 다운로드
train_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)
test_dataset = datasets.MNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform)

# 데이터로더 생성
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset, batch_size=64, shuffle=True)
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(test_dataset, batch_size=64, shuffle=False)

5.2. 모델 정의

아래 코드는 간단한 심층 신경망을 정의하는 예시입니다.

import torch.nn as nn

class SimpleNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleNN, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(28 * 28, 128)  # 입력층
        self.fc2 = nn.Linear(128, 64)        # 은닉층
        self.fc3 = nn.Linear(64, 10)         # 출력층

    def forward(self, x):
        x = x.view(-1, 28 * 28)  # 2D -> 1D로 변환
        x = torch.relu(self.fc1(x))  # 활성화 함수
        x = torch.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x

model = SimpleNN()

6. 모델 학습 및 평가

6.1. 손실 함수 및 옵티마이저 설정하기

모델 훈련을 위해 손실 함수와 옵티마이저를 정의합니다. 일반적으로 분류 문제에는 Cross Entropy Loss를 사용할 수 있습니다.

criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

6.2. 모델 학습하기

모델을 학습하는 과정은 다음과 같습니다:

num_epochs = 5

for epoch in range(num_epochs):
    for images, labels in train_loader:
        optimizer.zero_grad()  # 기울기 초기화
        outputs = model(images)  # 모델 예측
        loss = criterion(outputs, labels)  # 손실 계산
        loss.backward()  # 기울기 계산
        optimizer.step()  # 가중치 업데이트
    
    print(f'Epoch [{epoch + 1}/{num_epochs}], Loss: {loss.item():.4f}')  # 손실 출력

7. 모델 성능 평가하기

모델을 학습한 후, 테스트 데이터셋을 사용하여 성능을 평가합니다.

correct = 0
total = 0

with torch.no_grad():  # 그래디언트 계산 비활성화
    for images, labels in test_loader:
        outputs = model(images)
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)  # 가장 높은 확률의 클래스
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()

print(f'Accuracy of the model on the test images: {100 * correct / total:.2f}%')  # 정확도 출력

8. 결론

이번 포스팅에서는 파이토치를 사용하여 간단한 딥러닝 모델을 구축하고, 구글 코랩에서 실행하는 방법에 대해 알아보았습니다. 향후 보다 복잡한 모델 및 다양한 데이터셋을 다루고, 전이 학습이나 강화 학습 같은 고급 텍스트도 학습해보면 좋습니다. 더 깊은 이해와 경험을 쌓기 위해 다양한 프로젝트에 도전해 보세요!

9. 참고자료