CNN para visión

Antes de tocar el código

Un borde sigue siendo un borde en cualquier zona de una fotografía. Una CNN reutiliza el mismo detector en toda la imagen.

Pregunta esencial: ¿Por qué una convolución reconoce un patrón aunque cambie de posición?

Haz una predicción antes de ejecutar el notebook. Al final volverás a ella y tendrás que decir qué evidencia la confirmó, la corrigió o la dejó abierta.

Mapa de esta clase: De píxeles a rasgos visuales. La figura no es decorativa; úsala para explicar el mecanismo con tus propias palabras.

🎯 Qué vas a aprender y construir

Entrenar una CNN y analizar errores sobre fotografías reales de diez clases.

Práctica propia de esta clase: Mirar filtros y mapas de activación, calcular el campo receptivo y estudiar errores por clase en CIFAR-10.

Es la clase 04 de 31 del programa y pertenece a 🔵 el módulo 2, Arquitecturas según la forma del dato. Llegas desde MLP multiclase y lo que hagas aquí lo da por supuesto RNN para texto.

Trabajarás con el dataset cifar10 (Torchvision / University of Toronto, licencia: Consultar términos CIFAR-10), y tendrás que superar la línea base Clasificador lineal sobre píxeles, decidiendo con la métrica macro_f1 medida sobre validation. Nivel intermedio, unas 6 horas de dedicación.

Lo que conviene traer resuelto de las clases anteriores: PyTorch básico, particiones train/validation/test, métricas de evaluación.

Al terminar deberías ser capaz de:

• Entrenar una CNN y analizar errores sobre fotografías reales de diez clases.
• Preparar y auditar el dataset real cifar10 sin fuga de datos.
• Entrenar y evaluar convoluciones para patrones espaciales.
• Comparar contra la línea base: Clasificador lineal sobre píxeles.
• Interpretar intervalos de confianza, errores y limitaciones.

Una idea que conviene desmontar

Una activación intensa no demuestra que la red haya comprendido un objeto; solo muestra respuesta a un patrón aprendido.

🧠 Comprender antes de entrenar

Esta sección es la explicación completa del tema. No hace falta abrir otro archivo para entender lo que viene después: aquí está la idea, la matemática que la sostiene y sus límites. (El mismo texto vive en theory.md, que es la fuente desde la que se genera esta guía, junto con la bibliografía del final.)

De qué trata

Este laboratorio estudia convoluciones para patrones espaciales usando cifar10, un dataset público real procedente de Torchvision / University of Toronto.

Aplanar una imagen de 32×32×3 y pasarla por un MLP funciona, pero desperdicia la estructura del problema: ignora que los píxeles vecinos están correlacionados y que un objeto es el mismo aunque se desplace unos píxeles. La red convolucional (CNN) incorpora dos sesgos inductivos que encajan con las imágenes: localidad (cada neurona mira solo una región pequeña) e invariancia por traslación (el mismo filtro se aplica en toda la imagen, compartiendo parámetros). Esto reduce drásticamente el número de pesos y obliga al modelo a aprender detectores de patrones reutilizables.

La consecuencia es una jerarquía de representaciones: las primeras capas aprenden bordes y colores, las intermedias combinan esos bordes en texturas y partes, y las profundas responden a objetos completos. El laboratorio entrena esta jerarquía sobre CIFAR-10 (60.000 fotografías reales de 10 clases) y contrasta contra un clasificador lineal sobre píxeles para hacer patente cuánto aporta explotar la estructura espacial.

La matemática, paso a paso

La operación central es la convolución: un filtro (kernel) de pesos K de tamaño pequeño se desliza sobre la imagen de entrada X y, en cada posición, calcula un producto punto local. Para un filtro de tamaño F×F sobre un mapa de entrada:

Y(i, j) = Σₘ Σₙ X(i+m, j+n)·K(m, n) + b

El mismo K se reutiliza en todas las posiciones (i, j): eso es el peso compartido que da la invariancia por traslación y reduce los parámetros de millones (como en una capa densa) a apenas F×F por canal de filtro. Cada filtro produce un mapa de activación que señala dónde aparece el patrón que ese filtro detecta. Tras la convolución se aplica una no linealidad (ReLU), sin la cual toda la pila colapsaría a una única convolución lineal.

El tamaño del mapa de salida depende del stride s (paso del deslizamiento) y del padding p (relleno de bordes): dimensión_salida = ⌊(dimensión_entrada − F + 2p)/s⌋ + 1. El pooling (típicamente max-pooling) submuestrea cada región tomando su máximo, lo que reduce la resolución espacial, aporta cierta invariancia a pequeñas traslaciones y amplía el campo receptivo de las capas posteriores sin añadir parámetros.

Un ingrediente decisivo para entrenar redes profundas es la normalización por lotes (batch normalization), que estandariza las activaciones de cada canal dentro del minilote:

x̂ = (x − μ_B) / √(σ²_B + ε), y = γ·x̂ + β

donde μ_B y σ²_B son la media y varianza del lote, ε evita la división por cero, y γ, β son parámetros aprendibles que restauran la capacidad expresiva. Esto estabiliza y acelera el entrenamiento al mantener las activaciones en un rango controlado, reduciendo la sensibilidad a la inicialización.

Tras varias etapas de convolución + ReLU + pooling, los mapas finales se aplanan (o se promedian con global average pooling) y pasan a una cabeza densa que produce los 10 logits, entrenados con entropía cruzada categórica y softmax igual que en el MLP. Una idea arquitectónica que el laboratorio deja como horizonte es la conexión residual (ResNet): sumar la entrada de un bloque a su salida, y = F(x) + x, lo que crea un atajo por el que el gradiente fluye sin atenuarse y permite entrenar redes de cientos de capas.

La formulación debe conectarse con cuatro elementos: representación de entrada, función del modelo, función de pérdida y regla de actualización. El notebook muestra las dimensiones de los tensores y conserva la misma implementación que el script de terminal.

Cuánto ahorra realmente el peso compartido

La frase «reduce drásticamente los parámetros» merece números, porque la magnitud sorprende. Una capa convolucional con C_in canales de entrada, C_out filtros y kernel F×F tiene

|θ|_conv = F²·C_in·C_out + C_out

parámetros, y —esto es lo decisivo— ese número no depende del tamaño de la imagen. Una primera capa con 32 filtros de 3×3 sobre las tres bandas de color de CIFAR-10 son 3²·3·32 + 32 = 896 pesos, y serían los mismos 896 sobre una imagen de 1024×1024.

La comparación con una capa densa equivalente es brutal. Aplanar una imagen de 32×32×3 da 3 072 entradas; conectarlas a 32 unidades cuesta 3 072·32 + 32 = 98 336 parámetros, más de cien veces más, y encima esa capa habría perdido toda noción de vecindad: para ella, dos píxeles contiguos y dos píxeles opuestos de la imagen son igual de ajenos.

El costo de cómputo sigue otra ley. Una capa convolucional realiza aproximadamente

FLOPs ≈ H_out · W_out · C_out · F² · C_in

multiplicaciones-acumulaciones, así que sí escala con el tamaño de la imagen aunque los parámetros no lo hagan. De ahí una asimetría que conviene tener presente al leer los resultados: en una CNN, la mayor parte de los parámetros suele estar en las capas densas finales, mientras que la mayor parte del tiempo se va en las capas convolucionales tempranas, que operan sobre mapas grandes. Optimizar el tamaño del modelo y optimizar su latencia no son la misma tarea.

El campo receptivo: qué ve realmente cada neurona

Una neurona de la primera capa ve una ventana de 3×3 píxeles. La pregunta interesante es cuánto ve una neurona de la quinta capa, y la respuesta la da la recurrencia

R_ℓ = R_(ℓ−1) + (F_ℓ − 1) · Π_(i<ℓ) s_i,

donde F_ℓ es el tamaño de filtro de la capa ℓ y s_i los strides (incluido el del pooling) de las capas anteriores. El producto acumulado es la clave: cada submuestreo duplica el efecto de todas las convoluciones posteriores. Con capas 3×3 y un pooling de 2 intercalado cada dos convoluciones, el campo receptivo pasa de 3 a 7, luego a 15, luego a 31 píxeles: en cuatro bloques ya cubre la imagen entera de 32×32.

Esto explica la forma canónica de una CNN. Las primeras capas, con campo receptivo pequeño, solo pueden detectar bordes y colores; las profundas, con campo receptivo comparable a la imagen, pueden responder a objetos completos. Y explica también un error de diseño frecuente: si el campo receptivo final es mucho menor que el objeto que hay que reconocer, ninguna capa llega a «ver» el objeto entero, y añadir filtros no lo arregla —hay que añadir profundidad o submuestreo—.

Sobre el submuestreo hay dos opciones y conviene distinguirlas. El max-pooling no tiene parámetros y selecciona el máximo de cada región, quedándose con la evidencia más fuerte de que el patrón está presente e ignorando su posición exacta dentro de la ventana. La convolución con stride 2 submuestrea aprendiendo cómo combinar la región en vez de imponer el máximo; cuesta parámetros y es la elección de las arquitecturas modernas. Y al final, el global average pooling promedia cada mapa completo a un único número, reduciendo un tensor de H×W×C a C valores: elimina de golpe casi todos los parámetros de la cabeza densa y hace la red independiente del tamaño de entrada.

Normalización por lotes: dos modos y un error clásico

La fórmula de la normalización por lotes esconde una asimetría que causa uno de los fallos más difíciles de diagnosticar. Durante el entrenamiento, μ_B y σ²_B se calculan sobre el minilote actual, así que la salida de un ejemplo depende de con qué otros ejemplos comparta lote. Durante la inferencia eso sería inaceptable —la predicción no puede depender de quién más esté en el lote— y por eso la capa usa estadísticas acumuladas durante el entrenamiento mediante una media móvil,

μ̂ ← (1 − m)·μ̂ + m·μ_B, σ̂² ← (1 − m)·σ̂² + m·σ²_B,

con un momento m típico de 0,1. Son parámetros del modelo que no se aprenden por gradiente: se estiman por acumulación.

De ahí el error clásico: evaluar sin poner el modelo en modo evaluación. Si se olvida, la capa sigue normalizando con el lote de test —y si además el lote de test es pequeño o está ordenado por clase, las estadísticas son malísimas— y las métricas salen peores sin que nada falle visiblemente. El mismo interruptor gobierna el dropout, que debe desactivarse en inferencia. Es la razón de que el protocolo de este repositorio evalúe siempre con el modelo congelado y en modo evaluación explícito.

Un efecto secundario que conviene conocer: como las estadísticas del lote introducen ruido en cada ejemplo, la normalización por lotes regulariza, y ese efecto se debilita con lotes grandes. Por eso a veces subir el tamaño de lote empeora la generalización aunque el entrenamiento sea más estable, y por eso existen alternativas —normalización de grupo o de capa— para escenarios con lotes muy pequeños.

La pregunta que deberías poder responder al terminar: ¿Qué clases concentran errores visualmente plausibles?

Qué se mide y con qué se decide

La clase reporta accuracy, balanced_accuracy, macro_precision, macro_recall, macro_f1. De todas ellas, la que decide qué modelo se conserva es macro_f1, y se mide siempre sobre validation: es la única forma de que test siga siendo una estimación honesta de lo que pasará con datos nuevos.

📓 Los tres cuadernos

La clase se puede recorrer en Jupyter y trae tres cuadernos con papeles distintos. Los tres siguen el mismo camino —descargar el dataset real, auditar la partición, entrenar, sellar el experimento y evaluar test una vez—; lo que cambia es qué te toca escribir a ti:

Qué se practica en los ejercicios

Cinco de ellos cubren el contrato experimental común: auditar la partición, decidir con validation, compararse con la línea base, sellar antes de abrir test y dejar el plan por escrito. Se resuelven con Python estándar —sin descargar el dataset ni entrenar—, así que se corrigen en segundos y sin GPU, y cada uno está parametrizado con los valores de este laboratorio: su métrica de selección, su línea base y su experimento propio.

Cómo abrirlos

Los cuadernos necesitan el extra notebooks, que instala Jupyter junto con el paquete:

pip install -e ".[dev,notebooks]"
jupyter lab labs/03_cnn_vision/notebook.ipynb

También se abren desde VS Code —con la extensión de Jupyter— haciendo doble clic en el archivo, o desde la interfaz clásica con jupyter notebook. El primer arranque descarga el dataset real desde su proveedor, así que la primera ejecución tarda más y requiere conexión.

Si prefieres ejecutar sin abrir un cuaderno, train.py hace exactamente lo mismo desde la terminal, y la sección de comandos de arriba explica cada opción.

🖥️ Los comandos, explicados

Todo el laboratorio se maneja con una sola herramienta de terminal, neural-labs, que se instala junto con el paquete (pip install -e ".[dev,notebooks]"). Cada subcomando hace una cosa del protocolo, y por eso se pueden ejecutar por separado: preparar datos, auditar la partición, entrenar, repetir con varias semillas.

La forma general es siempre la misma:

neural-labs <subcomando> --lab <identificador> [opciones]

El script del laboratorio

labs/03_cnn_vision/train.py no es un programa distinto: fija el --lab y delega en la misma herramienta, de modo que estas dos líneas hacen exactamente lo mismo.

python labs/03_cnn_vision/train.py --quick
neural-labs train --lab 03_cnn_vision --quick

Lo mismo desde Python

Si prefieres trabajar en un cuaderno o llamar al laboratorio desde tu propio código, la misma ejecución se lanza así. La función devuelve un objeto con el directorio de la ejecución, las métricas y el historial ya cargados:

from neural_labs.experiments import run_lab

resultado = run_lab(
    "03_cnn_vision",
    quick=True,          # False para la ejecución completa
    config_name="baseline",
    split_seed=42,       # fija la partición
    training_seed=43,    # varía la inicialización
)

print(resultado.run_dir)   # dónde quedaron los archivos
print(resultado.metrics)   # el diccionario de métricas finales

Y para preparar el dataset sin entrenar —útil para inspeccionarlo antes—:

from neural_labs.datasets import prepare_dataset

datos = prepare_dataset("03_cnn_vision", quick=True, seed=42)
print(datos.summary)       # tamaño de cada partición y metadatos de la fuente

🪜 Laboratorio guiado

Cada paso dice qué ocurre por dentro, por qué se hace en ese orden y cómo comprobar que salió bien. El orden no es una convención de estilo: es el que ejecuta el código, y alterarlo invalida el resultado.

Paso 1 — Traer el dataset real y partirlo

Qué ocurre. Descarga cifar10 desde su proveedor y construye las tres particiones —train, validation y test— con la semilla de partición que le pases.

Por qué. La partición se fija antes de entrenar y su semilla (--split-seed) es independiente de la del entrenamiento (--training-seed). Si ambas fueran la misma, no podrías distinguir si un cambio en el resultado viene de haber repartido los datos de otro modo o de haber inicializado los pesos de otro modo.

neural-labs dataset --lab 03_cnn_vision --quick --split-seed 42

Cómo sabes que salió bien. El comando termina sin error y deja el dataset en caché. Si no hay red, falla: no se rellena con datos inventados (data/dataset.yaml declara fallback_to_generated_data: false).

Paso 2 — Comprobar que las particiones no se tocan

Qué ocurre. Recorre los identificadores de las tres particiones y verifica que ninguno aparece en dos de ellas.

Por qué. Una sola fila compartida entre train y test basta para que la métrica final quede inflada. Es el error más caro del oficio porque no produce ningún síntoma visible: el modelo simplemente «parece» mejor de lo que es.

neural-labs audit --lab 03_cnn_vision --quick --split-seed 42

Cómo sabes que salió bien. La auditoría reporta cero solapamientos. Si reporta alguno, no sigas: el resto del laboratorio no significaría nada.

Paso 3 — Mirar los datos antes de modelarlos

Qué ocurre. Genera el informe de calidad (valores faltantes, balance de clases, rangos) y el de deriva entre particiones.

Por qué. Un desbalance fuerte o una diferencia de distribución entre train y test cambia qué métrica tiene sentido leer. Descubrirlo después de entrenar obliga a repetirlo todo.

neural-labs quality --lab 03_cnn_vision --quick --split-seed 42

Cómo sabes que salió bien. Obtienes data_quality.json y drift_report.json; ábrelos antes de decidir la configuración.

Paso 4 — Estudiar la teoría del laboratorio

Qué ocurre. Leer theory.md: la idea central, el desarrollo matemático, los riesgos de interpretación y la bibliografía de la que sale todo eso.

Por qué. Sin esto, el entrenamiento es una caja que devuelve números. La teoría es lo que te permite decidir qué mirar y reconocer cuándo un resultado es sospechoso.

Cómo sabes que salió bien. Puedes responder, con tus palabras, qué calcula el modelo y por qué esa arquitectura encaja con la tarea multiclass_classification.

Paso 5 — Entrenar y seleccionar con validation

Qué ocurre. El entrenamiento recorre las épocas midiendo en validation después de cada una, y conserva el checkpoint con el mejor valor de macro_f1.

Por qué. El conjunto de validación existe para tomar decisiones —arquitectura, hiperparámetros, cuándo parar—. Si esas decisiones se tomaran mirando test, test dejaría de ser una estimación de lo que pasará con datos nuevos y pasaría a ser parte del entrenamiento.

python labs/03_cnn_vision/train.py --quick
# o, con control explícito de las dos semillas:
neural-labs train --lab 03_cnn_vision --config baseline --split-seed 42 --training-seed 43

Cómo sabes que salió bien. En runs/03_cnn_vision/<ejecución>/ aparecen history.csv y best_model.pt; la métrica de validación mejora respecto de la primera época.

Paso 6 — Compararte con la línea base

Qué ocurre. El repositorio entrena por su cuenta Clasificador lineal sobre píxeles y guarda su resultado, primero sobre validation y —solo al final— sobre test.

Por qué. Una métrica sola no dice si el modelo aporta algo. Puede que un método mucho más simple llegue igual de lejos, y entonces la complejidad añadida no está justificada. Esta comparación es la que convierte un número en un argumento.

Cómo sabes que salió bien. Comparas metrics.json con baseline_metrics.json. Si tu modelo no supera la línea base, el resultado del laboratorio es exactamente ese, y hay que reportarlo.

Paso 7 — El sellado: experiment.lock.json

Qué ocurre. Antes de tocar test, el código escribe un archivo que fija el laboratorio, las dos semillas, la configuración, la métrica de selección, el checkpoint elegido y el hash del dataset.

Por qué. Es la frontera del experimento. A partir de ahí, cualquier ajuste que hagas mirando test queda a la vista: el sello dice qué habías decidido antes de ver el resultado final. Sin ese archivo, nadie —incluido tú dentro de un mes— puede distinguir una predicción de una racionalización.

Cómo sabes que salió bien. El archivo existe y su contenido coincide con lo que creías haber ejecutado.

Paso 8 — Evaluar test una sola vez y medir la incertidumbre

Qué ocurre. Con el checkpoint congelado se evalúa test, se calculan intervalos de confianza por bootstrap y se desglosan las métricas por subgrupo.

Por qué. Un número puntual esconde cuánto podría moverse. Los intervalos dicen si la diferencia con la línea base es real o cabe dentro del ruido; el desglose por subgrupo revela si el promedio está tapando un grupo donde el modelo funciona mucho peor.

Cómo sabes que salió bien. Tienes metrics.json, confidence_intervals.json y subgroup_metrics.json, y puedes decir la magnitud de la mejora y su incertidumbre.

Paso 9 — Repetir con varias semillas de entrenamiento

Qué ocurre. Se repite el entrenamiento manteniendo fija la partición y cambiando solo la semilla de entrenamiento.

Por qué. Dos ejecuciones idénticas salvo por la inicialización pueden diferir bastante. Si no mides esa dispersión, corres el riesgo de celebrar una mejora que era una semilla afortunada.

neural-labs benchmark --lab 03_cnn_vision --quick --split-seed 42 --training-seeds 41 42 43

Cómo sabes que salió bien. Obtienes media y dispersión entre semillas, no un único número.

Paso 10 — Documentar y cerrar

Qué ocurre. Cada ejecución deja model_card.md y report.md; el plan de experimentos vive en experiments.md y la rúbrica en assessment.md.

Por qué. Un resultado sin su contexto —qué datos, qué decisiones, qué límites— no es reutilizable. La model card es lo que permite que otra persona sepa cuándo no debería usar tu modelo.

Cómo sabes que salió bien. Completaste la tabla multi-semilla de experiments.md y respondiste las preguntas de assessment.md.

🔍 Cómo leer lo que produce la ejecución

Cada ejecución escribe su propio directorio con nombre único, de modo que dos corridas nunca se pisan. Esto es lo que encontrarás dentro:

⚠️ Dónde suele perderse la gente

• --quick no es una versión pequeña del resultado, es una prueba de que todo corre. En esta ruta recorta a 1024 ejemplos de entrenamiento · 256 de validación · 256 de test · 2 épocas. Sirve para comprobar la instalación y la descarga; cualquier conclusión sobre el modelo exige la ejecución completa.
• Cambiar algo después de ver test invalida la comparación. Si al mirar el resultado final se te ocurre una mejora, la ruta correcta es volver a validation, decidir allí, y sellar de nuevo.
• Las dos semillas no son intercambiables. --split-seed cambia qué datos caen en cada partición; --training-seed cambia cómo se inicializa y baraja el entrenamiento. Para comparar modelos se fija la primera y se varía la segunda.
• Límite declarado de este dataset. CIFAR-10 contiene 60.000 imágenes reales de 32×32.

Riesgos al interpretar los resultados

CIFAR-10 contiene 60.000 imágenes reales de 32×32.

El dataset refleja su proceso de recolección y no representa automáticamente otros períodos, países o poblaciones. Una asociación predictiva no demuestra causalidad.

✅ Antes de darlo por terminado

La clase está aprobada cuando se cumplen estos criterios:

• [ ] cero solapamiento entre train, validation y test
• [ ] selección basada únicamente en validation
• [ ] métricas finales acompañadas por incertidumbre
• [ ] conclusiones que distinguen evidencia de suposición

Y cuando tienes estos entregables:

• [ ] notebook ejecutado
• [ ] reporte experimental
• [ ] model card
• [ ] comparación con línea base
• [ ] respuesta a preguntas críticas

El plan experimental con la tabla que hay que completar está en experiments.md, y las preguntas con su rúbrica, en assessment.md. Ambos documentos se abren desde la barra de navegación de arriba.

Para ir más lejos

• Cambia una decisión experimental y justifícala con el resultado en validation, no con la intuición.
• Analiza los errores por clase o por segmento: casi siempre se concentran en un subconjunto reconocible.
• Compara costo, precisión y latencia; el mejor modelo no siempre es el que gana por décimas.
• Documenta sesgos, limitaciones y usos para los que no recomendarías este modelo.

📚 Fuentes

La teoría de arriba no es original de este repositorio: se apoya en la literatura de referencia del área y en los papers originales de cada arquitectura. Estas son las obras concretas, y lo que aporta cada una:

Las referencias apuntan a las obras; no se reproduce su contenido, la redacción es original.

• Goodfellow, Bengio & Courville — Deep Learning (MIT Press 2016), cap. 9 — redes convolucionales, peso compartido y pooling.
• Géron — Hands-On Machine Learning (3.ª ed., O'Reilly 2022), cap. 14 — CNN modernas y visión por computador con frameworks.
• Zhang et al. — Dive into Deep Learning (d2l.ai, 2023), cap. 7–8 — convoluciones, arquitecturas clásicas y batch normalization.
• LeCun et al. (1998), Gradient-based learning applied to document recognition (LeNet), Proc. IEEE — primera CNN entrenada de extremo a extremo.
• Krizhevsky, Sutskever & Hinton (2012), ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks (AlexNet), NeurIPS — hito que popularizó el aprendizaje profundo en visión.
• He et al. (2016), Deep Residual Learning for Image Recognition (ResNet), CVPR — conexiones residuales para redes muy profundas.
• Fuente del dataset: https://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar.html — CIFAR-10 (University of Toronto, La fuente no declara una licencia); procedencia, versión y SHA-256 en el registro de fuentes, entrada cifar-10 — esta clase la usa para entrenar una CNN y analizar sus errores sobre fotografías reales de diez clases, contrastándola con un clasificador lineal sobre píxeles.
• Consulte docs/experiment-protocol.md, docs/reproducibility.md y docs/ethics-and-licenses.md.

Los archivos de este laboratorio

Todo lo que necesitas está en esta carpeta. Cada enlace abre el archivo directamente:

Y fuera de la carpeta, tres referencias que esta guía usa: el catálogo configs/labs.yaml —de donde salen el objetivo, la línea base y las métricas—, el código src/neural_labs/experiments.py —que define el orden de los pasos y los archivos que escribe cada ejecución— y docs/experiment-protocol.md, con la regla general del protocolo.

Los datasets se descargan de su proveedor original y conservan su licencia; este repositorio no los redistribuye ni sustituye una descarga fallida por datos generados.

🔬 Experimentos

Plan de experimentos — CNN para visión

Qué significa «experimentar» aquí

Entrenar un modelo y mirar el número que sale no es un experimento: es una observación. Un experimento empieza por una afirmación que podría resultar falsa, sigue fijando todo lo que no se está poniendo a prueba, y termina midiendo si la afirmación se sostiene cuando se repite.

La diferencia importa porque el entrenamiento de una red tiene azar por dentro: la inicialización de los pesos y el orden en que se barajan los lotes cambian el resultado aunque no cambies nada más. Si comparas una sola corrida contra otra sola corrida, no sabes si la diferencia viene de tu idea o de la semilla. Por eso todo lo que sigue está organizado para separar la señal (el efecto de lo que cambiaste) del ruido (la variabilidad propia del entrenamiento).

La hipótesis de este laboratorio

Entrenar una CNN y analizar errores sobre fotografías reales de diez clases.

Formulada como algo que se puede refutar: el modelo de este laboratorio supera a Clasificador lineal sobre píxeles en macro_f1, y la diferencia es mayor que la dispersión entre semillas.

Qué la haría falsa —y esto también es un resultado que hay que reportar—:

• El modelo no supera a Clasificador lineal sobre píxeles.
• Lo supera, pero por menos de lo que varía el propio modelo al cambiar la semilla de entrenamiento.
• Lo supera solo con una semilla concreta y no con las demás.
• Lo supera a costa de un tiempo o un tamaño que el problema no justifica.

El experimento propio de esta clase

Además de la comparación con la línea base, aquí interesa una pregunta específica: Comparar kernel, normalización y aumento. Es la comparación que da sentido al tema de este laboratorio; la de la línea base solo dice si el modelo sirve, mientras que esta dice qué parte del diseño es la que aporta.

Qué se varía y qué se mantiene fijo

Un experimento es interpretable cuando cambia una cosa a la vez. Esta tabla dice qué papel juega cada elemento y, sobre todo, por qué:

Las dos configuraciones que vas a comparar

El laboratorio trae dos configuraciones ya escritas. Estos son los parámetros en los que difieren —el resto es idéntico, que es justamente lo que hace legible la comparación—:

Elegir entre ellas es una decisión de validation. Si improved gana en validación, se queda; si no, la configuración base es la respuesta y hay que decirlo así.

Cómo ejecutar la serie

El comando benchmark hace exactamente esto: repite el entrenamiento manteniendo la partición fija y cambiando solo la semilla de entrenamiento.

neural-labs benchmark --lab 03_cnn_vision \
  --config baseline --split-seed 42 --training-seeds 41 42 43

neural-labs benchmark --lab 03_cnn_vision \
  --config improved --split-seed 42 --training-seeds 41 42 43

Por dentro, benchmark no hace magia: llama a run_lab una vez por semilla con la misma partición y resume los resultados. Desde Python es literalmente eso:

from neural_labs.experiments import run_lab
from neural_labs.benchmarking import summarize_benchmark

registros = []
for semilla in (41, 42, 43):
    resultado = run_lab(
        "03_cnn_vision",
        config_name="baseline",
        split_seed=42,          # la partición NO cambia
        training_seed=semilla,  # solo cambia la inicialización
    )
    registros.append({"training_seed": semilla, "metrics": resultado.metrics})

print(summarize_benchmark(registros))   # media y dispersión entre semillas

Empieza con --quick para comprobar que la serie corre entera; los números que se reportan salen de la ejecución completa.

La tabla que debes completar

De dónde sale cada columna, para que no haya que adivinarlo:

• Métrica en validation: el mejor valor de macro_f1 durante el entrenamiento; está en history.csv y resumido en metrics.json.
• Métrica en test: el valor final, en metrics.json, ya con el modelo congelado.
• Tiempo: wall_time_seconds de metrics.json.
• Parámetros: parameters de metrics.json; es la medida honesta del tamaño del modelo.
• Observación: lo que viste y los números no dicen —una curva que se dispara, una clase que concentra los errores, una corrida que no convergió—.

Cómo decidir con esos números

1. Compara medias, pero decide con la dispersión. Calcula media y desviación entre las tres semillas de cada variante. Una mejora de 0,3 puntos entre variantes cuya dispersión interna es de 1,2 puntos no es una mejora: es ruido con buena suerte.
2. Si los rangos se solapan, dilo. «No se observó una diferencia distinguible del ruido con tres semillas» es una conclusión legítima y mucho más útil que un número inventado de confianza.
3. Decide con validation. La columna de test sirve para reportar el resultado final una vez, no para elegir la variante ganadora.
4. El costo forma parte del resultado. Si improved gana por poco y cuesta el triple de tiempo, la conclusión honesta menciona ambas cosas.
5. Vuelve a la línea base. La comparación contra Clasificador lineal sobre píxeles es la que dice si todo el aparato de la red neuronal estaba justificado para este problema.

Qué debe decir tu conclusión

Una conclusión completa contiene cinco cosas, y se puede escribir en un párrafo:

• Magnitud: cuánto mejoró, en qué métrica y sobre qué conjunto.
• Incertidumbre: cuánto varió entre semillas, y si la mejora sobrevive a esa variación.
• Costo: tiempo, memoria o tamaño adicional que hubo que pagar.
• Errores: dónde falla el modelo, no solo cuánto acierta.
• Condiciones: en qué circunstancias no esperarías que este resultado se repitiera.

Errores de diseño que invalidan el experimento

• Cambiar dos cosas a la vez. Si tocas la arquitectura y la tasa de aprendizaje en la misma corrida, el resultado no atribuye el efecto a ninguna de las dos.
• Comparar con particiones distintas. Es el error más frecuente y el más difícil de detectar después: parece una mejora del modelo y es un reparto distinto de los datos.
• Quedarse con la mejor semilla. Elegir la corrida más favorable y reportar solo esa es seleccionar el ruido. Se reportan todas.
• Ajustar mirando test. En cuanto una decisión se toma con el resultado de test, ese conjunto deja de estimar el rendimiento con datos nuevos.
• No registrar el entorno. Sin versiones ni hardware, una diferencia de tiempo o de resultado se vuelve inexplicable meses después.

📝 Evaluación

Evaluación — CNN para visión

Cómo se evalúa esta clase

No se evalúa el número final. Un modelo con una métrica alta obtenida mirando test, o sin compararse con nada, vale menos que uno modesto cuyo resultado se puede auditar. Lo que se califica es el proceso: si las particiones están limpias, si la decisión se tomó donde debía, si la conclusión distingue lo que se midió de lo que se supone.

Evidencias que debes entregar

Las preguntas, y qué se busca en tu respuesta

No se corrige la longitud de la respuesta, sino si demuestra comprensión. Debajo de cada pregunta está lo que una buena respuesta debería contener.

1. ¿Por qué una convolución reconoce un patrón aunque cambie de posición?

Qué se busca: Comienza con la predicción que hiciste al abrir la clase y contrástala con una gráfica, una medida o una observación concreta de tu ejecución.

2. Explica con tus palabras: Convolución, pooling, normalización y clasificación.

Qué se busca: Una buena respuesta conecta cuatro cosas —cómo se representa la entrada, qué calcula el modelo, qué mide la función de pérdida y cómo se actualizan los pesos— en vez de repetir la definición del libro. Si puedes explicarlo sin la fórmula delante, lo entendiste.

3. ¿Qué información del dataset solo puede usarse durante el entrenamiento?

Qué se busca: Se espera que nombres casos concretos: las estadísticas de normalización, el vocabulario, la selección de variables, los umbrales. Todo eso se ajusta solo con train; calcularlo sobre el conjunto completo es una fuga silenciosa que infla el resultado sin dar ningún aviso.

4. ¿Por qué Clasificador lineal sobre píxeles es una comparación razonable para este problema?

Qué se busca: Una buena respuesta explica qué captura la línea base y qué no, y por qué superarla —o no superarla— es informativo aquí. Si la línea base ya resuelve el problema, la conclusión correcta es que la red no estaba justificada.

5. ¿Qué clases concentran errores visualmente plausibles?

Qué se busca: Esta es la pregunta propia del tema. Responde con evidencia de tu ejecución —predicciones, matriz de confusión, curvas, artefactos del directorio de la corrida—, no con una impresión general.

6. ¿Qué aprendiste al realizar esta práctica: Mirar filtros y mapas de activación, calcular el campo receptivo y estudiar errores por clase en CIFAR-10.?

Qué se busca: No basta con relatar los pasos. Explica qué cambió, por qué cambió y qué resultado te haría rechazar tu interpretación inicial.

7. Refuta con evidencia esta idea frecuente: «Una activación intensa no demuestra que la red haya comprendido un objeto; solo muestra respuesta a un patrón aprendido.»

Qué se busca: Se busca una refutación situada en esta materia, apoyada en el mecanismo estudiado y en los resultados obtenidos, no una negación genérica.

8. ¿Qué te dice macro_f1 que no te dirían las otras métricas?

Qué se busca: Cada métrica pondera distinto los errores. Se espera que expliques por qué esa es la que decide aquí y en qué situación sería una mala elección.

9. ¿Qué cambiarías antes de usar este modelo fuera del laboratorio?

Qué se busca: Aquí se evalúa el criterio, no la técnica: licencias y condiciones de uso de cifar10, representatividad de la población, calibración de las probabilidades, vigilancia de la deriva, desempeño por subgrupo y supervisión humana. Un «funcionaría bien» sin condiciones se corrige como respuesta incompleta.

La rúbrica, explicada

La diferencia entre adecuado y excelente casi nunca está en la métrica: está en si el trabajo permite que otra persona llegue a la misma conclusión con los artefactos que dejaste. Un resultado peor, bien medido y bien explicado, se califica por encima de uno mejor que no se puede auditar.

La aprobación exige al menos 70 % y cero errores críticos de fuga de datos. La fuga es eliminatoria por sí sola porque invalida todas las demás cifras del trabajo, por buenas que parezcan.

Autoevaluación antes de entregar

• [ ] Puedo explicar la idea central de la clase a alguien que no la cursó, sin leer el código.
• [ ] Sé qué decisión tomé en cada paso y con qué evidencia la tomé.
• [ ] Miré test una sola vez, después de que existiera experiment.lock.json.
• [ ] Mi conclusión dice magnitud, incertidumbre, costo, errores y condiciones.

• [ ] Puedo señalar al menos una limitación real de mi resultado.

• [ ] cero solapamiento entre train, validation y test

• [ ] selección basada únicamente en validation
• [ ] métricas finales acompañadas por incertidumbre
• [ ] conclusiones que distinguen evidencia de suposición

🧑‍🏫 Guía docente

Guía docente — Clase 04: CNN para visión

Módulo 2: Arquitecturas · Esta guía acompaña a quien facilita la clase; no es un guion que deba leerse literalmente.

La conversación que abre la clase

Un borde sigue siendo un borde en cualquier zona de una fotografía. Una CNN reutiliza el mismo detector en toda la imagen.

Plantee primero esta pregunta y permita que el grupo formule una predicción antes de mostrar código:

¿Por qué una convolución reconoce un patrón aunque cambie de posición?

Qué debe quedar comprendido

• Entrenar una CNN y analizar errores sobre fotografías reales de diez clases.
• Preparar y auditar el dataset real cifar10 sin fuga de datos.
• Entrenar y evaluar convoluciones para patrones espaciales.
• Comparar contra la línea base: Clasificador lineal sobre píxeles.
• Interpretar intervalos de confianza, errores y limitaciones.

Secuencia sugerida

Práctica propia de esta materia

Mirar filtros y mapas de activación, calcular el campo receptivo y estudiar errores por clase en CIFAR-10.

La figura es un punto de entrada. Pida al estudiante que explique qué cambia entre los tres pasos y qué resultado observable invalidaría su explicación.

Dificultad conceptual que conviene provocar

Idea engañosa: Una activación intensa no demuestra que la red haya comprendido un objeto; solo muestra respuesta a un patrón aprendido.

No la corrija inmediatamente. Solicite un ejemplo o contraejemplo, ejecute una comparación y recién entonces reconstruya la explicación con el grupo.

Preguntas para acompañar sin resolver

• ¿Qué observación concreta respalda esa afirmación?
• ¿Qué variable está cambiando y cuáles permanecen controladas?
• ¿La gráfica muestra el mecanismo o solamente una correlación?
• ¿En qué caso dejaría de ser válida esta conclusión?

Cierre verificable

La clase termina cuando el estudiante puede responder la pregunta esencial, interpretar su visualización y señalar al menos una limitación. Una métrica aislada no reemplaza ninguna de esas tres evidencias.