知ろう！使おう！HDF5ファイル！/pycon-jp-2019-talk

Transcript

1. 1.

   知ろう！使おう！HDF5 ファイル！ PyCon JP 2019 talk 2019/9/17 @thinkAmi

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   お前誰よ / Who are you ? @thinkAmi Python/Django/Web アプリケーションエンジニア Blog

   ：メモ的な思考的な (http://thinkami.hatenablog.com/) ( 株) 日本システム技研 PyCon JP 2019 Gold Sponsor (2016-18 Silver Sponsor) ギークラボ長野 Python Boot Camp in 長野 みんなのPython 勉強会 in 長野
3. 3.

   知ろう！使おう！HDF5 ファイル！ PyCon JP 2019 talk 2019/9/17 @thinkAmi

4. 4.

   HDF5 ファイルを見たことがある方 (*.h5 / *.hdf5)

5. 5.

   Keras で作ったモデルファイル from keras.models import load_model model.save('my_model.h5') https://keras.io/ja/getting-started/faq/#keras-model

6. 6.

   クラウド 風力発電: AWS でのオープンデータ | Amazon Web Services ブログ https://aws.amazon.com/jp/blogs/news/power-from-wind-open-data-

   on-aws/ 基礎的な AWS のサービスと Hierarchical Data (HDF) 50 テラバイト
7. 7.

   話すこと 知ろう！ 見よう！ 使おう！ ローカル、サーバー、そしてクラウドへ バージョンアップ！

8. 8.

   話さないこと HDF5 ファイルとNumPy

9. 9.

   おしらせ ハッシュタグ：#pyconjp #pyconjp_5 ソースコードはGitHub に公開済 https://github.com/thinkAmi/PyCon_JP_2019_talk スペースの関係上、スライド上は一部省略 スライドも公開 https://speakerdeck.com/thinkami/pycon-jp-2019-talk 「HDF5

   ファイル」の発音
10. 10.

    1. 知ろう！

11. 11.

    HDF5 とは HDF 5

12. 12.

    HDF 5 HDF Hierarchical Data Format 階層構造を持ったデータフォーマット The HDF Group

    がサポート https://www.hdfgroup.org/ HDF5 ファイルの開発を進めるNPO 団体 米国立スーパーコンピュータ応用研究所 (NCSA: National Center for Supercomputing Applications) 発
13. 13.

    階層構造を持ったデータフォーマットとは

14. 14.

    HDF 5 5 現在のバージョン 過去にはバージョン4 もあり バージョン4 と5 の間では、互換性なし Python

    のライブラリも異なる
15. 15.

    HDF5 が使われている領域 https://www.hdfgroup.org/

16. 16.

    事例 JAXA のG-Portal での公開データ 地球観測衛星データ提供システム https://gportal.jaxa.jp/gpr/index/index 降水量、海面水温、海上風速、...

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    HDF5 ファイルの構造 主なもの Dataset Group Attribute

18. 18.

    Dataset データそのもの いわゆるファイル 型あり

19. 19.

    Group Dataset をまとめて入れておくもの いわゆるディレクトリ Group の中にGroup も入れられる

20. 20.

    Attribute Dataset やGroup に紐付ける注釈のようなもの いわゆるプロパティ

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    HDF5 ファイルと言語バインディング 公式 C, Fortran, C++, Java, P/Invoke サードパーティ Python,

    R, Julia, 他 参考：HDF5 Language Bindings https://portal.hdfgroup.org/display/HDF5/HDF5+Language+Bind ings
22. 22.

    HDF5 ファイルとプラットフォーム クロスプラットフォーム Windows, Mac, Linux

23. 23.

    Android やiOS で使えるの？ 公式サポートなし サードパーティとして、Swift やpure Java で書かれたものあり https://github.com/alejandro-isaza/HDF5Kit https://github.com/jamesmudd/jhdf

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    2. 見よう！

25. 25.

    見るためのツール ViTables HDFView

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    ViTables とは PyTables ファミリー HDF5 の他、PyTables データをサポート 公式ページ http://vitables.org/

27. 27.

    HDFView とは The HDF Group が提供しているビューワー & エディタ Open JDK

    11 で動作 HDF5 の他、HDF4 もサポート 公式ページ https://portal.hdfgroup.org/display/HDFVIEW/HDFView
28. 28.

    例：HDFView で見る G-Portal から取得した降水量データ

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    3. 使おう！

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    Python ライブラリ h5py PyTables Pandas では、HDF5 ファイルとのI/F にPyTables を使用 https://pandas.pydata.org/pandas-

    docs/stable/user_guide/io.html#hdf5-pytables
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    ライブラリの比較 名前 Layer 特徴 h5py 低 HDF5 API を忠実に再現 PyTables

    高 HDF5 ファイルを拡張、テーブル概念の追加やパフ ォーマンス改善等を実装。よりデータベースに近い 詳細については、各ライブラリのFAQ を参照 http://docs.h5py.org/en/stable/faq.html#what-s-the-difference- between-h5py-and-pytables http://www.pytables.org/FAQ.html#how-does-pytables-compare- with-the-h5py-project
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    h5py とPyTables のデータ互換性 例：PyTables で作った文字列データを、h5py で読む # PyTables でファイルを作る with

    tables.open_file(filepath, 'w') as f: dataset = f.create_vlarray('/', 'str_data', atom=VLUnicodeAtom()) dataset.append(' シナノゴールド') # PyTables で開く with tables.open_file(filepath, 'r') as f: node = f.get_node(where='/', name='str_data') for row in node.iterrows(): print(row) # => シナノゴールド # h5py で開く with h5py.File(filepath, mode='r') as f: dataset = f['str_data'] print(dataset[0]) # => [12471 12490 12494 12468 12540 12523 12489]
33. 33.

    HDF5 ファイルの操作 h5py を使った操作例 作成 読込 検索 圧縮 バージョン Python

    3.7.4 h5py 2.10.0 PyTables については、GitHub 参照
34. 34.

    今回作成するHDF5 ファイルのイメージ

35. 35.

    作成

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    HDF5 ファイルを開く 書込・読込は、 mode で切り替え import h5py output = OUTPUT_DIR.joinpath('use_h5py.h5')

    # with を抜けると、書き込まれる with h5py.File(output, mode='w') as file: # 処理
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    Group 作成 group = file.create_group('apple')

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    Dataset ( 文字列) 作成 ds_str = group.create_dataset( # h5py 2.9

    までは、 dtype=h5py.special_dtype(vlen=str) name='name', shape=(1,), dtype=h5py.string_dtype()) ds_str[0] = ' シナノゴールド'
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    Dataset ( 画像) 作成 # 画像を読み込み image_path = INPUT_DIR.joinpath('shinanogold.png') with

    image_path.open(mode='rb') as img: image_binary = img.read() # NumPy 配列化 image_data = np.frombuffer(image_binary, dtype='uint8') # バイナリの型定義 TYPE_OF_BINARY = h5py.special_dtype(vlen=np.dtype('uint8')) # 画像を設定 ds_img = group.create_dataset( 'image', image_data.shape, dtype=TYPE_OF_BINARY) ds_img[0] = image_data
40. 40.

    Dataset (Excel) 作成 画像と変わらない excel_path = INPUT_DIR.joinpath('mybook.xlsx') with excel_path.open(mode='rb') as

    excel: excel_binary = excel.read() # np.frombuffer() を使うところだけが違う excel_data = np.frombuffer(excel_binary, dtype='uint8') ds_excel = group.create_dataset( 'spec', excel_data.shape, dtype=TYPE_OF_BINARY) ds_excel[0] = excel_data
41. 41.

    Attribute 作成 Group, Dataset のどちらにも作成可能 # Group のAttribute group.attrs['title'] =

    ' りんご情報' # Dataset のAttribute ds_str.attrs['color'] = ' 黄色系'
42. 42.

    読込

43. 43.

    Dataset ( 文字列) の読込 Group/Dataset な形で、Dataset を取得 dataset = file['apple/name']

    print(dataset[0]) # => シナノゴールド
44. 44.

    Dataset ( 画像) の読込 画像も、Dataset の取得方法は同じ # HDF5 ファイルから、image の入ったDataset

    を取得 rds_img = file['apple/image'] # Pillow で開く Image.open(io.BytesIO(rds_img[0])).show()
45. 45.

    Dataset (Excel) の読込 # HDF5 ファイルから、Excel の入ったDataset を取得 dataset =

    f['apple/spec'] # 一度ファイルとして保存 with excel_path.open('wb') as w: w.write(dataset[0]) # 拡張子"xlsx" に関連付けされたアプリで開く os.system(f'open {excel_path}') # Mac の場合
46. 46.

    検索

47. 47.

    検索 (h5py) visititems() で各オブジェクト(Group/Dataset) にアクセス可能 コールバック関数内で絞り込むことも可能 def print_callback(name, obj): #

    コールバック関数 print(f'name: {name}, type: {type(obj)}') # データの検索 file.visititems(print_callback) # 結果 ( 見栄えを調整) # name: apple, type: <class 'h5py._hl.group.Group'> # name: apple/excel, type: <class 'h5py._hl.dataset.Dataset'> # name: apple/image, type: <class 'h5py._hl.dataset.Dataset'> # name: apple/name, type: <class 'h5py._hl.dataset.Dataset'>
48. 48.

    検索 (PyTables) list_nodes() walk_groups() walk_nodes()

49. 49.

    圧縮

50. 50.

    gzip 圧縮 10MB のバイナリをDataset に入れると、無圧縮では約170MB create_dataset() の引数 compression に圧縮形式 (gzip

    など) を入れる with h5py.File(compression_file_path, mode='w') as file: compression = file.create_dataset( 'big_size_data', big_size_data.shape, dtype=TYPE_OF_BINARY, # 圧縮形式を指定 compression='gzip') compression[0] = big_size_data # HDF5 ファイルのサイズを表示 print(f'{str(os.path.getsize(compression_file_path)).rjust(10)} [compress]') # => 10003716 [compress] ( 約10MB)
51. 51.

    PyTables の場合 デフォルトで圧縮済

52. 52.

    ところで import pathlib import h5py BASE_DIR = pathlib.Path(__file__).resolve().parents[0] OUTPUT_DIR =

    BASE_DIR.joinpath('output', 'h5py') output = OUTPUT_DIR.joinpath('use_h5py.h5') with h5py.File(output, mode='w') as file: ...
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    HTTP + HDF5 ファイル h5serv HDF REST API に準拠し、HTTP でHDF5

    ファイルを操作 Tornado ベース The HDF Group のリポジトリにて提供 https://github.com/HDFGroup/h5serv
54. 54.

    HDF REST API とは ネットワークを使ってHDF5 ファイルを操作する時のインタフェース The HDF Group のリポジトリにて定義を提供

    https://github.com/HDFGroup/hdf-rest-api
55. 55.

    h5serv の使い方 Python スクリプトとして起動 起動時のオプションあり https://h5serv.readthedocs.io/en/latest/Installation/ServerSet up.html#server-con guration $ python

    h5serv --port=5000 --toc_name=mytoc.h5 --domain=example.com
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    h5serv でDataset 作成 Dataset の型定義をPOST URL_BASE = 'http://test.example.com:5000/' str_type =

    {'charSet': 'H5T_CSET_UTF8', 'class': 'H5T_STRING', 'strPad': 'H5T_STR_NULLTERM', 'length': 'H5T_VARIABLE'} payload = {'type': str_type, 'shape': 1} res1 = requests.post( URL_BASE + 'datasets', json=payload ).json()
57. 57.

    h5serv でDataset 作成 Dataset の中身をPUT url = URL_BASE + 'datasets/'

    + res1.get('id') + '/value' res2 = requests.put( url, json={ 'value': ' ワールド' } )
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    h5serv で作成されたもの 2 つのHDF5 ファイル 全体の構造を管理するHDF5 ファイル (mytoc.h5) データが格納される実際のHDF5 ファイル

    (test.h5) $ python h5serv --port=5000 --toc_name=mytoc.h5 --domain=example.com URL_BASE = 'http://test.example.com:5000/'
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    中身を見てみる 全体の構造を管理するファイル

60. 60.

    中身を見てみる データが格納されるファイル

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    h5py 資産があるんだけど...

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    h5pyd HDF REST API のクライアントライブラリ The HDF Group のリポジトリにて提供 https://github.com/HDFGroup/h5pyd-

    h5py とほぼ互換のAPI を持つ 少し書き換えるだけで、既存コードのHTTP 化が可能
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    h5serv とh5pyd を使う サーバーで、h5serv を起動 クライアントで、h5pyd を使ったスクリプトを実行 with h5pyd.File('test.example.com', mode='w',

    endpoint='http://localhost:5000') as file: ds_str = file.create_dataset(name='hello', data='world', dtype='S6') # byte 型になるので、デコードしておく print(file['hello'].value.decode('utf-8')) # => hello
64. 64.

    h5serv を動かすサーバーにHDF5 ファイルを保存 サーバーにディスク容量が必要...

65. 65.

    HSDS HSDS = Highly Scalable Data Service The HDF5 Grouop

    のリポジトリにて提供 https://github.com/HDFGroup/hsds クラウドネイティブな構成 データの保管先はAWS S3
66. 66.

    自前でHSDS を動かすの大変そう Docker Compose を使ったインストール手順はあるものの...

67. 67.

    Kita AWS Marketplace にて、Kita Server という名前でHSDS を有償提供 https://aws.amazon.com/marketplace/pp/B07K2MWS1G AWS CloudFormation

    により、自動で必要な環境が用意
68. 68.

    Kita 事例：WIND ツールキット 50TB のオープン気象データモデルデータセット https://aws.amazon.com/jp/blogs/news/power-from-wind-open-data- on-aws/

69. 69.

    4. バージョンアップ

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    HDF5 のバージョン 5 現在のバージョン 過去にはバージョン4 もあり バージョン4 と5 の間では、互換性なし Python

    のライブラリも異なる “ “
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    HDF5 のバージョン HDF5 x.y.z 現在は、2 系統 HDF5 1.8.x 系 HDF5

    1.10.x 系 ライブラリによっては、1.8.x しかサポートしてない場合も
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    ライフサイクル マイグレーションページに記載あり https://portal.hdfgroup.org/display/HDF5/Migrating+from+HDF5 +1.8+to+HDF5+1.10 1.8 系：2020 年5 月でパッチリリース終了 HDF HDF5

    における境界外読み取りに関する脆弱性 https://jvndb.jvn.jp/ja/contents/2019/JVNDB-2019- 002044.html 1.12 系：2019 年夏にリリース予定( だった)
73. 73.

    1.10 系を使う上での注意点 1.10.0~1.10.2 と、それ以降では互換性がない https://portal.hdfgroup.org/display/HDF5/Software+Changes+fr om+Release+to+Release+for+HDF5-1.10 1.10.3 では大きなパフォーマンス改善があった

74. 74.

    h5py で使われるバージョン HDF5 のライブラリ libhdf5 を自動的で検知・利用 自分で指定することも可能 $ brew install

    hdf5 /usr/local/Cellar/hdf5/1.10.5_1 $ export HDF5_DIR=/usr/local/Cellar/hdf5/1.10.5_1 $ pip install --no-binary=h5py h5py >>> h5py.version.info h5py 2.10.0 HDF5 1.10.5 # 指定したバージョン
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    今後のロードマップ HDF5 Roadmap 2019-2020 https://www.slideshare.net/HDFEOS/hdf5-roadmap-20192020 新しいアーキテクチャの登場 デフォルトの文字エンコードが UTF-8 に Group,

    Dataset, Attribute の各名前に使用可
76. 76.

    まとめ 科学技術分野以外でも、HDF5 ファイルは手軽に使える Python ライブラリが充実している h5py, PyTables, h5serv, h5pyd, HSDS

    ローカルだけでなく、サーバー・クラウドでも利用可能 今後もHDF5 ファイルには機能が追加されていく予定
77. 77.

    次のステップ 書籍「Python and HDF5 」(Andrew Collette 著、米オライリー) Python ライブラリの扱い方 意外と奥が深い、HDF

    の世界（Python ・h5py 入門） - Qiita https://qiita.com/simonritchie/items/23db8b4cb5c590924d95 Getting started with HDF5 and PyTables - PyCon Slovakia(SK) 2018 https://pyvideo.org/pycon-sk-2018/getting-started-with-hdf5- and-pytables.html
78. 78.

    公式情報 The HDF Group のtwitter https://twitter.com/hdf5 HDF Forum https://forum.hdfgroup.org/latest SlideShare

    The HDF-EOS Tools and Information Center https://www.slideshare.net/HDFEOS Youtube https://www.youtube.com/channel/UCRhtsIZquL3r-zH-R-r9-tQ
79. 79.

    Enjoy HDF5 life!!

80. 80.

    落ち穂拾い 時間が余ったら...

81. 81.

    h5serv を使うための準備 自分の端末で使う場合、hosts ファイルに設定 < ファイル名>.< 適当なドメイン> h5serv が動作している example.com

    にアクセスすると、 test.h5 フ ァイルを操作できるよう設定 127.0.0.1 test.example.com domain オプションで、ドメインを指定して起動 $ python h5serv --port=5000 --toc_name=mytoc.h5 --domain=example.com
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    h5serv を使うための準備 操作対象のファイルを作成 中身は空で問題ない p = Path(__file__).resolve().parents[0].joinpath('h5serv', 'data', 'test.h5') with

    h5py.File(p, mode='w') as f: pass この時点での data ディレクトリ構成 $ tree . ├── public/ ├── readme.txt └── test.h5
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    h5serv での動作確認 型定義を作成 str_type = {'charSet': 'H5T_CSET_UTF8', 'class': 'H5T_STRING', 'strPad':

    'H5T_STR_NULLTERM', 'length': 'H5T_VARIABLE'} payload = {'type': str_type, 'shape': 1} res1 = requests.post( URL_BASE + 'datasets', json=payload ).json()
84. 84.

    h5serv での動作確認 確認すると、test.h5 が作成され、型定義のあるDataset が作成される ├── mytoc.h5 ├── public/ ├──

    readme.txt └── test.h5
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    バージョン (HDF5 x.y.z) x: major version number ライブラリやファイルフォーマットの大きな変更あり y: minor

    version number 新しい機能によるファイルフォーマットの変更 偶数はstable 、奇数はdevelop z: release number バグ修正等ライブラリの改善、フォーマットの変更なし https://portal.hdfgroup.org/display/HDF5/HDF5+Library+Release+ Version+Numbers