Coursera: Convolutional Neural Networksコース開講

ようやくCouseraのDeep Learningシリーズのコース4であるCNN（Convolutional Neural Networks）が開講したようです。

以前コース1〜3までは受講してしまい、その続きとなります。UdemyのCNNコースで一通り学びましたが、復習も兼ねてやってみようかと。再登録というかたちになるのですが、料金（$49）を支払ってのenrollというよりは、単なる聴講というかたちで覗いてみることにしました。聴講（無料）でも、講義の動画やプログラミング課題まではアクセスできるようです。ただし、字幕はまだ英語のみ。

CNNコースは：
Week1: Foundations of Convolutional Neural Networks/動画106分
Week2: Deep convolutional models: case studies/動画99分
Week3: Object detection/動画84分
Week4: Face recognition & Neural style transfer/動画79分

という構成になっており、各Weekでクイズやプログラミング課題があるようです。
後半の物体検知/顔検知/スタイル変換は面白そうです。

早速Week1の動画から見てみました。最初はConvolutionの基本原理となる、フィルター、パディング、ストライド、valid/sameなどの説明です。スタンフォード大のCS231nの授業動画でも学べますが、やはり定評あるAndrew Ng先生の場合は丁寧に教えてくれます。抜け落としていた知識を補うためにもちょうどいい感じです。
実際コーディングする場合は、conv2d()などの関数を使えばすぐに実装できるのですが、Week1の最初の課題では、numpyを使ってフルスクラッチでConvolutionレイヤーを実装するようです。一旦仕組みを理解するにはよさそうです。2個目の課題からはTensorflowの関数を使っているので、より現実的な実装の仕方を学んでいくのだと思います。
Week2からのプログラミング課題はkerasを使うようです。

今後開講されるコース5：Sequece Modelでは、RNNやLSTMを学ぶようです。スタンフォード大学のCS230という授業がこのCourseraのコースと連携しているので、CS230のシラバスをみると、コース5は11/27以降というスケジュールになっています。

データセット：CIFAR-100の読み込み/tflearn DCGAN

引き続きDeep Learningの画像生成GAN（Generative Adversarial Network）について、いろいろ試しています。最近では3DデータのGANもあるようです。このThe GAN ZooというところにはいろんなGANがのっていますが、とりあえずは、鮮明な合成画像をつくりだすことが可能なDCGAN、そして一方の属性を他の属性へ合成するDisco GANなどを試そうと思っています。

GANの前にVAEの学習：
GANを勉強するためには、その前にVAE（Variational Autoencoder）を理解したほうがいいということで、ここしばらくはVAEを勉強していました。VAEを学ぶ前には、Autoencoderというアルゴリズムがあり、それは簡単な仕組みなのですが、VAEになるとかなり難しい概念が登場してきます。

・Autoencoder：簡単なエンコード/デコードのアルゴリズム
・VAE：正規分布、ベイズ推定、変分ベイズ、KLダイバージェンスなどの知識が必要

VAEの場合、途中で確率分布に置き換えるという手法が特に難解だったのですが、そういう手法をとることで、デコード（生成や再現）が可能となるというのは、なかなかの発見でした。その他の生成モデルにおいても確率分布を使うことがあるので、このあたりの手法はある程度理解しておいたほうが後々役に立ちそうです。

ということでVAEも面白いのですが、そろそろGANに移行しようということで、いろいろサンプルを物色していました。主にはTensorflowを使っていますが、最近のGANのソースはPytorchで書かれているものも多く、Kerasなども含め比較的シンプルに書けるライブラリが増えてきたようです。tflearnというTensorflowをシンプルにしたライブラリもあり、かなり短いコードで書くことができます。

tflearnでDCGANを試す：
tflearnのexamplesにあるdcganのサンプルはたった138行しかないので試してみました。しかし、このサンプルはこのままだとエラーがでるようで、この訂正のページ（dcganの欄）にあるように102、103、110行目の最後に「,2」を追加する必要があります。訂正すれば動くのですが、このdcganのサンプルも相変わらずMNIST（手書き文字）であり結果はあまり面白くはないです。せっかく画像生成のアルゴリズムなので、もう少し面白い画像を使ったほうがいいのですが、気の利いたデータセットがないというのが現状でしょうか。前回Udemyのコースで試したCelebA（セレブ顔画像）　ならまだましかもしれません。

データセットについて：
他にデータセットはないかと探してみましたが、こちらに詳しく書かれています。
MNIST：手書き数字、70000（Tr:55000/Vl:5000/Te10000）、白黒、28x28px、
CelebA：セレブ顔、202600、カラー、178x218px
CIFAR-10：10クラス、60000（10x6000）、カラー、32x32px
CIFAR-100：100クラス、60000（100x600）、カラー、32x32px
Fashion MNIST：洋服/靴/鞄など10クラス、60000+10000、グレー、28x28px
ImageNet：未登録のため画像ダウンロードはまだ使えない（そのうち）
Google/Open Images：膨大すぎてつかいにくそう（そのうち）

すぐにダウンロードして使えそうなのは、それほどない。プログラムを書いてWebからスクレイピングする方法もあるかもしれないけれども、数万単位でのイメージが必要そうなので、個人で集めるには面倒。いまのうちからコツコツ集めておけば、かなりの価値になるにかもしれないけれども。
以下はCIFAR-10（10種類のクラス）。

CIFAR-100をダウンロード：
ということから、今回はなんとなく無難なCIFAR-100を試してみることに。こちらの記事を参考にスクリプトを書いてみました。データはCIFARのサイトにあるCIFAR-100 Python versionをダウンロードしました。解凍すると、そのまま画像が出てくるわけではなく、各画像はすでに1次元のデータになっているようです。ニューラルネットに画像データをインプットするならそのまま1次元がいいとは思いますが、必要に応じて2次元（3チャンネルカラー）に変換したり、あるいはグレースケールに落としたりすることもあります。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from PIL import Image
import os

def unpickle(file):
    import cPickle
    with open(file, 'rb') as fo:
        dict = cPickle.load(fo)
    return dict

def get_cifar100(folder):
    train_fname = os.path.join(folder,'train')
    test_fname  = os.path.join(folder,'test')
    data_dict = unpickle(train_fname)
    train_data = data_dict['data']
    train_fine_labels = data_dict['fine_labels']
    train_coarse_labels = data_dict['coarse_labels']

    data_dict = unpickle(test_fname)
    test_data = data_dict['data']
    test_fine_labels = data_dict['fine_labels']
    test_coarse_labels = data_dict['coarse_labels']

    bm = unpickle(os.path.join(folder, 'meta'))
    clabel_names = bm['coarse_label_names']
    flabel_names = bm['fine_label_names']

    return train_data, np.array(train_coarse_labels), np.array(train_fine_labels), test_data, np.array(test_coarse_labels), np.array(test_fine_labels), clabel_names, flabel_names

def get_images(name):
    tr_data100, tr_clabels100, tr_flabels100, te_data100, te_clabels100, te_flabels100, clabel_names100, flabel_names100 = get_cifar100("../large_files/cifar-100-python")
    #print(clabel_names100)
    images = []
    for i in range(len(tr_flabels100)):
        if tr_flabels100[i] == flabel_names100.index(name):
            #im = tr_data100[i].reshape(3,32,32).transpose(1, 2, 0) #(32,32,3)
            im = tr_data100[i].reshape(3,32,32)
            im = im[0]/3.0 + im[1]/3.0 + im[2]/3.0
            images.append(im)
    return images

これをutil.pyなどと保存して、先程のtflearnのdcganサンプルで使ってみました。ある特定のジャンルを学習できるように、ラベル名に対応した番号のみを読み込むということにしています。元画像はカラーですがグレースケールに変換しています。
get_images('bicycle')
とすれば、自転車の画像だけ合計500個読み込むということです。
ちなみにCIFAR-100の場合、clabel_names100という20種類の大きなクラスとflabel_names100というさらに細かい100種類のクラスに分かれているようです。
flabel_names100[9] = 'bicycle'
という関係なので、
tr_data100[9]
が、ある自転車の画像となります。画像はランダムに配置されているようで、forループである特定の種類の画像を抜き出すようにしています。
以下が、CIFAR-100のクラス。

clabel_names100 = [
'aquatic_mammals', 'fish',
'flowers', 'food_containers',
'fruit_and_vegetables', 'household_electrical_devices',
'household_furniture', 'insects',
'large_carnivores', 'large_man-made_outdoor_things',
'large_natural_outdoor_scenes', 'large_omnivores_and_herbivores',
'medium_mammals', 'non-insect_invertebrates',
'people', 'reptiles',
'small_mammals', 'trees',
'vehicles_1', 'vehicles_2']

flabel_names100 = [
'apple', 'aquarium_fish', 'baby', 'bear', 'beaver', 'bed', 'bee', 'beetle', 'bicycle', 'bottle',
'bowl', 'boy', 'bridge', 'bus', 'butterfly', 'camel', 'can', 'castle', 'caterpillar', 'cattle',
'chair', 'chimpanzee', 'clock', 'cloud', 'cockroach', 'couch', 'crab', 'crocodile', 'cup', 'dinosaur',
'dolphin', 'elephant', 'flatfish', 'forest', 'fox', 'girl', 'hamster', 'house', 'kangaroo', 'keyboard',
'lamp', 'lawn_mower', 'leopard', 'lion', 'lizard', 'lobster', 'man', 'maple_tree', 'motorcycle', 'mountain',
'mouse', 'mushroom', 'oak_tree', 'orange', 'orchid', 'otter', 'palm_tree', 'pear', 'pickup_truck','pine_tree',
'plain', 'plate', 'poppy', 'porcupine', 'possum', 'rabbit', 'raccoon', 'ray', 'road', 'rocket',
'rose', 'sea', 'seal', 'shark', 'shrew', 'skunk', 'skyscraper', 'snail', 'snake', 'spider',
'squirrel', 'streetcar', 'sunflower', 'sweet_pepper', 'table', 'tank', 'telephone', 'television','tiger',
'tractor',
'train', 'trout', 'tulip', 'turtle', 'wardrobe', 'whale', 'willow_tree', 'wolf', 'woman', 'worm']

全体では60000イメージあるのですが、一つのクラス（種類）は500個のイメージしかなく、Disco GANのように何か特定のジャンルを学習させようとすると画像数が足りなさすぎというのを後から気づきました。CIFAR-100はいろんな種類の画像があるかわりに画像数が少ない。CIFAR-10なら一つの種類で画像が6000あるので、まだましかもしれませんが、10種類しかジャンルがない（選びたいジャンルがない）。というわけで、思い描いているようなものを学習させて、それらを合成させたいということがなかなかできません。あくまで、すでに用意されている範囲でのジャンルを使って、試すということくらいしかできないというのが現状。

Deep Learningを実験していくには、数学を含めたアルゴリズムの勉強だけでなく（特にベイズ推定をつかった確率論的モデルなどが面白そう/今後より重要になっていくらしい）、データセットについても揃えなければいけないという難問があり、さらにはこのような画像生成をするなら、GPUマシンも必要という感じで、やはり先に進めば進むほど敷居が高くなってきます。段々面白くはなってきたけれども、色々面倒なことも増えてきました。

ベイズ推定については、この動画も面白い。今までの固定的な考え方が変わりそうな感じです。

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ESP32：SPIFFSファイルアップローダー

ようやくESP32のSPIFFファイルアップローダーが出来上がったようです。これでESP8266のように、Webサーバーをたてたときにindex.htmlなどの付属する外部ファイルを、Arduino IDEを使ってESP32内にアップロードできるようになりました。
ファイルアップローダーについてのページはこちら。

インストール方法：
リンク先のこのページから、ESP32FS_v0.1.zipをダウンロードし解凍。
Macの場合は、toolsディレクトリを以下のようにつくって、そこに入れろということです。

~/Documents/Arduino/tools/ESP32FS>tool>esp32fs.jar

以前、ESP8266のときには、Arduino.app内にインストールしたので、Arduino.appを右クリックして「パッケージの内容を表示」してから、
Arduino.app>Contents>Java>tools>ESP32FS>tool>esp32fs.jar
となるようにインストールしても大丈夫そうです。
ただし、今回のアップローダーをインストールする前に、最新のArduino-esp32ライブラリをインストールし直したほうがいいかもしれません（古いのを捨てた後、再度このページからインストールし直しました）。

インストール後、Arduino IDEでさっそく試してみました。
まずは、「スケッチの例>SPIFFS>SPIFFS_Test」のサンプルを開き、いくつか内容を書き換えて別名保存します。とりあえず、HTMLファイル（index.html）だけをアップロードしてみました。

ファイルの追加とアップロード：
用意したindex.htmlを「スケッチ>ファイルを追加」で追加します。
追加されたかどうか、「スケッチ>スケッチのフォルダを表示」で確認。

そうすると、こんな感じで自動生成されたdataフォルダ内にindex.htmlが追加されています。

あとは、この状態でindex.htmlをESP32内へアップロードします。

ファイルアップローダーがきちんと所定の場所へインストールされていれば、上のように「ESP32 Sketch Data Upload」が表示されているので、これでアップロードします。このへんはESP8266のときと同じ要領。

アップロードされた内容のチェック：

アップロードされた内容をチェックするために、以下のreadFile()のところを少し変更。file.readString()を使って読み込み、シリアル出力させてindex.htmlの中身をチェック。

void readFile(fs::FS &fs, const char * path){
    Serial.printf("Reading file: %s\n", path);

    File file = fs.open(path);
    if(!file || file.isDirectory()){
        Serial.println("Failed to open file for reading");
        return;
    }

    Serial.print("Read from file: ");
    while(file.available()){
        //Serial.print(file.read());
        Serial.print(file.readString());
    }
}

あらかじめ、String contentsなどと文字列型変数を用意しておいて、Serial.print(file.readString());の代わりに、contents=file.readString();とすれば変数contentsへ文字列として渡すことができるかと思います。
そして、loop()内にシリアル通信キー入力で内容確認できるようにしてみました。

int val;

void loop(){
  if(Serial.available()>0){
    val=Serial.read();
    if(val=='l'){
      listDir(SPIFFS, "/", 0);
    }else if(val=='r'){
      readFile(SPIFFS, "/index.html");
    }else if(val=='d'){
      deleteFile(SPIFFS, "/index.html");
    }
  }
}

このようにサンプルのSPIFFS_Test.inoを多少内容変更して別名保存後ESP32へアップロード。
シリアルモニターを開いて、'l'でルートディレクトリ内を表示、'r'でindex.htmlの読み込み、'd'でindex.htmlを消去。
そうすると、シリアルモニターの画面では、

ルート内ディレクトリの表示（1〜2行目）、
index.htmlの読み込みと内容表示（3〜18行目）、
index.htmlの消去（20〜21行目）、
再度ルート内ディレクトリの表示（22行目）
という順番で出力され、問題なく機能しているようです。
これで、やっとESP8266同様ファイルアップロードが使えるようになったわけですが、同時にMicropythonのバイナリデータもアップロードできるようになったので、もしかするとMicropythonを搭載したほうがいろいろと便利かもしれません。

最近はもっぱらDeep Learningばかりで、ESP32やRaspberry Pi Zero Wもあまりやっていませんが、ESP32もけっこう環境が整ってきたようなので、そのうち何かに使ってみようと思います。

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Udemy: GANs and Variational Autoencoderのコース

前回まではConvolutional Neural Networks（CNN）をやっていましたが、GANが気になるのでそちらのコースも受講してみました。CNNのほうはもう少し復習する必要があるのですが、このへんになるとどれも難しいので、とりあえず一番興味あるGANを先回りしてやってみようという感じです。

このUdemyのGANコースでは、前半にオートエンコーダーを学びます。前回のConvolutional Neural Networks（CNN）では元画像を畳み込んで圧縮したりフィルターをかけていましたが、畳み込みはせずにニューラルネットでエンコードすることを実験し、最終的にはエンコードされた画像を再現するようなデコード技術を学びます。画像補間処理のようなものですが、混合ガウス分布というまたもや数学的に難しい内容がでてきます。このあたりの処理になると、確率分布や乱数を使って複雑な方法で画像再現していくようです。一回見ただけではなかなか理解できないので、現在も復習中です。実際のところは、scikit-leranなどのライブラリにはGaussian Mixture modelsの関数が用意されているので、複雑な計算をせずに済みます。ただし、パラメータやどのような特性があるかはある程度理解しておく必要があります。

今回のコースはかなり複雑なことをしているせいか、数学的な説明も多いという感じです。しかも画像メインなので、簡単なサンプルコードであっても出力が終わるまでかなり時間がかかります。

これは最初のオートエンコーダーのサンプルで、一層の隠れ層でReLU、シグモイドで出力という簡単なものです。元画像を参照して再現出力するのでほぼ同じ結果。そのため面白くないけれども、簡単なオートエンコーダーをコーディングする練習になるのでいいかもしれません。

次はVariational Autoencoder（VAE） です。エンコードした後に確率分布を使ってデコードするという技術のようです。KLダイバージェンスという二つの確率分布の違いを測る式を用いて、その差を縮めるような計算をしていくようです。仕組み的には段々抽象的になってきているので、もう少し勉強しなおしたほうがよさそうです。ただ、収束させにくい式をこういった収束可能な式に置き換えて何とか計算可能にしている数学的な工夫が面白いです。当然、数学に詳しくないとこのような発想すら思い浮かびません。

理屈で考えるとかなり難しいのですが、どうやって少ない情報から大きな情報へと再現していくのかというのは徐々に分かってきました。しかしながら、この辺のレベルになると一つ一つがかなり難しい。

そして、いよいよ二つのニューラルネットを切磋琢磨させるかのように使うGANsです。今回は最初にMNIST（手書き数字）で試したあと、画像生成のサンプルでよく見かけるCeleb顔画像を使ってGANを試してみました。このCeleb顔のデータセットがでかすぎる。元画像は一枚178x218pxあり、それがなんと202600枚もあります。

こんな感じで解凍すると、このナンバリングが202600まで続きます。合計で1.78GB。

この178x218pxの画像を64x64pxに切り取って、それをサンプルにします。202600枚あるので、もちろんすべてプログラミング上で自動処理です。

そして、いざGANのサンプルコードをランさせると、50イテレーションごとに一枚生成し約15〜18秒かかります。出力中にYoutubeなど見ていると演算が遅くなったりします。ミニバッチ学習をさせているので、合計で1epoch3165回。これで終わりなのかと思ったら、2epochあるので合計6330回です。計算中も次々画像が出てきます。途中でやめようかと思いましたが、ためしに最後までやってみようと、そのままつけっぱなしで次の日をむかえてもまだまだやっていました。

結局、ここにあるように104804秒（約29時間）かかりました。せいぜい数時間かと思っていたら、1日以上かかったということです。強力なGPUマシンが欲しくなる気持ちが分かります。10〜20倍くらい早くなるそうです。

50回目：まだ始まったばかりなのではっきりしていません。50回ごとに、このような画像が一枚出力されます。

200回目、少し色が濃くなってきました。メリハリがでてきた感じ。

1100回目、それっぽくなってきました。

3000回目、かなり良くなってきたものと、まだ変なものもいくつかあります。特に気になるのが赤い顔の人たち。おそらく約20万枚あるうち何枚かが赤い画像だったのかもしれません。

4500回目、よくみると変なのもありますが、それぞれ固有の色味がでてきたような感じです。人種も様々。

6300回目（最後：127枚目）、もうそれほど完成度があがると言う感じではなさそうですが、平均的な顔というよりはきちんと個性が見て取れるような気もします。合成しているうちに全部似てくるときもあるようですが、今回の場合はそんなことはなさそうです。しかし、よく見ると変なのもまだあります。特に左端の下から3番目は、右向きと左向きの顔が合成されたためか、中央だけ細く存在しています。

見比べると確かに向上しているような気もしますが、やや絵画っぽい作風にも見えます。この出力結果が面白いかどうかというよりも、GANの特長である二つのニューラルネットが互いに競い合うことで生成されるアルゴリズムの仕組みが面白いです。この手の画像生成の技術は次々と新しいのがでているので日々見逃せないという感じです（The GAN Zoo）。

ということで、目標としていた画像生成であるGANのサンプルを試すことができたのですが、単にサンプルを動かしただけなので、これで終わりというわけではありません。ここから、自力でコーディングできるようになるために、かなり難しい理論なども乗り越えながら勉強していく感じです。それにしても、それぞれいろんなアルゴリズムがあって、かなり面白い世界だと思います。ものの考え方もけっこう変わりそうです。

関連：

GPU:GTX1060で再度DCGAN(CelebA)を試してみる

tf.kerasでDCGAN（Deep Convolutional Generative Adversarial Networks）

Convolutional Neural Networksのコース

Deep Learningのなかでも、特にGANなどの画像生成の技術に興味があるのですが、その一歩手前としてConvolutional Neural Networks（CNN）も勉強してみようかと、いろいろ探していました。CourseraのDeep Learningのコース4であるConvolutional Neural Networksはまだ開講していないため、もうしばらく待たないといけません（以下）。

Courseraと同様に、UdacityのDeep Learningコースもまだwaiting listのようです（かなり人気あるのかも）。
ほかにも、fast.aiでも無料でCNNの授業はあるようです。一見よさそうなのですが、AWS（有料）を使うようで登録やセッティングがめんどくさそうです。

あとは、前から気になっていたUdemyのDeep Learning: GANs and Variational Autoencodersと同じシリーズのDeep Learning: Convolutional Neural Networks in Pythonというコースです。

GANのコースはあまりないので（fast.aiにはある）、この↑のGANのコースをいずれは受講したいと思っているので、割引価格で1200円（書籍を買うよりも安い）だし、試しにどんなものかということも含めてCNNコースを受講してみることにしました。

Udemy: Deep Learning: Convolutional Neural Networks in Python

このコースでは、TheanoとTensorflowの二種類異なる方法でコーディングするようです。Theanoは使ったことはないですがそれぞれメリット/デメリットがあるようで、この他のライブラリも含めどれがいいのかはほとんど好みという感じかもしれません。ただし、Theanoは次の1.0（現在0.9.0）をもって開発終了らしいです（原文）。

このコースの特長としては、試験や課題というものはありません。当然期限もありません。専用の質疑応答のフォーラムはあるので、有料の動画コンテンツ（英語）と質問応答の権利を購入するという感じです。授業で使うサンプルコードに関しては、このコースを受講していなくてもgithubからすぐに手に入ります。

授業内のアルゴリズムや数学的な説明は非常に端的で分かりやすいと思います。数分〜10分程度の動画が合計4時間分あります。ただ動画を眺めているだけではだめで、ノートをこまめにとるとか、コピペなど使わないでコードを書き、実際手を動かすことを強く勧めてきます。たしかにプログラミングの場合はそうしたほうが覚えが早くなります。

数学に関しては、他のコースでも言っていましたが、それほど深く理解しようとする必要はなくて、ライブラリの関数をどう使うのかということに慣れたほうがいいようです。このコースは理論の理解というよりも、コーディングに重点をおいているという感じです。しかし、いきなり本題に入るまえに、簡単なサンプルコードを試したり、いくつかの段階を経て、最後にはまとまったコードを書くということになります。このCNNのコースは上級者向けのようで、基本的なPythonプログラミング、機械学習の基礎は学んでおかなければいけません。たしかに、少し敷居が高そうです。このコース以外にも段階やジャンルに応じていくつかコースがあるので、内容に追いつけない場合は他のコースも同時にやったほうがいいのかもしれませんが、それだけお金がかかってしまいます。

最初のほうのCNNの説明は以下ようなステップになっています。

初心者にとっては、どのような手順で理解していけばいいのか分かりにくいので、このような段階的な説明があると理解しやすくなります。

Convolutionに関しては、まずはフィルターという概念で、Hello worldをしゃべる音源にエコーフィルターを加えるアルゴリズムを書いて実験するところから始まります。次に画像にぼかしフィルターを加えたサンプルで実験します。このへんは最初のエクササイズという感じです。このエクササイズを通して、変換された元データからConvolutionということを感覚的につかんでいきます。その後はこのフィルタリングされた画像をニューラルネットワークに入力して、CNNへと発展させていく感じです。

コーディングはTheanoとTensorflowの2種類用意してあり、もし普段からTensorflowを使っているのであれば、Theanoのコードは使わなくもいいと思います。

できるだけコピペしないで一通り書いてみました。コーディングすると、一行ずつ何をしているのかが分かるので、その分理解も深まります。Theanoのほうでもコーディングしてみると、二つの方法で書くので、さらに理解が深まる感じです。

CNNの大体のパターンはわかったのですが、まだ自力でコーディングはできないので、もう少し繰り返す必要がありそうです。もう少し慣れてくれば、コースに頼らなくても自力で他のサイトなど見ながら勉強していけそうです。

あとで気づいたのですが、CNNは上級者向けで、最も興味あるGANのコースは中級者向けなので、こちらのコースのほうを先にやってみてもよさそうです。