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対話型開発時に Azure クラウド ストレージからデータにアクセスする

適用対象: Python SDK azure-ai-ml v2 (現行)

通常、機械学習プロジェクトは、探索的データ分析 (EDA)、データ前処理 (クリーニング、特徴エンジニアリング) から開始され、仮説を検証するための ML モデルのプロトタイプ構築が含まれます。 "プロトタイピング" プロジェクト フェーズは、本質的に非常に対話型であり、Jupyter ノートブックまたは "Python 対話型コンソール" を使用した IDE での開発に適しています。 この記事では、次のことについて説明します:

  • Azure Machine Learning データストア URI から、ファイル システムであるかのようにデータにアクセスします。
  • mltable Python ライブラリを使用して、データを Pandas に具現化します。
  • mltable Python ライブラリを使用して、Azure Machine Learning データ資産を Pandas に具現化します。
  • azcopy ユーティリティで、明示的なダウンロードを通してデータを具体化します。

前提条件

ヒント

この記事のガイダンスでは、対話型開発時のデータ アクセスについて説明します。 これは、Python セッションを実行できる任意のホストに適用されます。 これには、ローカル コンピューター、クラウド VM、GitHub Codespace などがあります。Azure Machine Learning コンピューティング インスタンス (フル マネージドで事前に構成されたクラウド ワークステーション) を使用することをお勧めします。 詳細については、「Azure Machine Learning コンピューティング インスタンスを作成する」をご覧ください。

重要

以下のように Python 環境に最新の azure-fsspecmltable、および azure-ai-ml Python ライブラリがインストールされていることを確認します。

pip install -U azureml-fsspec==1.3.1 mltable azure-ai-ml

azure-fsspec の最新パッケージ バージョンは、時間が経つにつれ変化する可能性があります。 azure-fsspec パッケージの詳細については、こちらのリソースを参照してください。

ファイルシステムのようなデータストア URI からデータにアクセスする

Azure Machine Learning データストアは、Azure 上の既存のストレージ アカウントへの参照です。 データストアを作成して使用することには、次のような利点があります。

  • さまざまなストレージの種類 (Blob/Files/ADLS) と対話するための一般的で使いやすい API。
  • チームでの運用に役立つデータストアの簡単な検出。
  • データにアクセスするための、資格情報ベース (SAS トークンなど) と ID ベース (Microsoft Entra ID またはマネージド ID を使用) の両方のサポート。
  • 資格情報ベースのアクセスの場合、接続情報はセキュリティで保護され、スクリプトでのキーの公開を無効にします。
  • Studio UI でデータを参照し、データストア URI をコピーして貼り付けます。

データストア URI は Uniform Resource Identifier であり、Azure Storage アカウント上のストレージの場所 (パス) への参照です。 データストア URI の形式は次のとおりです。

# Azure Machine Learning workspace details:
subscription = '<subscription_id>'
resource_group = '<resource_group>'
workspace = '<workspace>'
datastore_name = '<datastore>'
path_on_datastore = '<path>'

# long-form Datastore uri format:
uri = f'azureml://subscriptions/{subscription}/resourcegroups/{resource_group}/workspaces/{workspace}/datastores/{datastore_name}/paths/{path_on_datastore}'.

これらのデータストア URI は、次のファイルシステム仕様 (fsspec) の既知の実装です: ローカル、リモート、および埋め込みファイル システムとバイト ストレージへの統合された Python インターフェイス。 まず、pip を使用して、azureml-fsspec パッケージとそれに依存する azureml-dataprep パッケージをインストールします。 その後、Azure Machine Learning データストア fsspec 実装を使用できます。

Azure Machine Learning データストア fsspec 実装では、Azure Machine Learning データストアによって使用される資格情報/ID パススルーが自動的に処理されます。 スクリプトでのアカウント キーの公開と、コンピューティング インスタンスでの追加のサインイン手順の両方を回避できます。

たとえば、Pandas でデータストア URI を直接使用できます。 この例では、CSV ファイルを読み取る方法を示します。

import pandas as pd

df = pd.read_csv("azureml://subscriptions/<subid>/resourcegroups/<rgname>/workspaces/<workspace_name>/datastores/<datastore_name>/paths/<folder>/<filename>.csv")
df.head()

ヒント

データストア URI 形式を記憶することを避けるために、次の手順を使用して、Studio UI からデータストア URI をコピーして貼り付けることができます:

  1. 左側のメニューから [データ] を、次に [データストア] タブを選択します。
  2. データストア名を、次に [参照] を選択します。
  3. Pandas に読み込むファイル/フォルダーを見つけ、その横にある省略符号 (...) を選択します。 メニューから [URI のコピー] を選択します。 ノートブック/スクリプトにコピーするデータストア URI を選択できます。 データストア URI のコピーが強調表示されているスクリーンショット。

また、Azure Machine Learning ファイルシステムをインスタンス化し、 lsglobexistsopen など、ファイルシステムのようなコマンドを処理することもできます。

  • ls() メソッドは、特定のディレクトリ内のファイルを一覧表示します。 ls()、ls(.)、ls (<<folder_level_1>/<folder_level_2>) を使用してファイルを一覧表示できます。 相対パスでは、'.' と '..' の両方がサポートされています。
  • glob() メソッドは、 '*' および '**' を使用したグロビングをサポートしています。
  • exists() メソッドは、指定したファイルが現在のルート ディレクトリに存在するかどうかを示すブール値を返します。
  • open() メソッドはファイルのようなオブジェクトを返します。これは、Python ファイルとともに動作することを想定している他のライブラリに渡すことができます。 コードでは、通常の Python ファイル オブジェクトであるかのようにこのオブジェクトを使用することもできます。 これらのファイルのようなオブジェクトは、次の例で示すように、with コンテキストの使用を尊重します。
from azureml.fsspec import AzureMachineLearningFileSystem

# instantiate file system using following URI
fs = AzureMachineLearningFileSystem('azureml://subscriptions/<subid>/resourcegroups/<rgname>/workspaces/<workspace_name>/datastore*s*/datastorename')

fs.ls() # list folders/files in datastore 'datastorename'

# output example:
# folder1
# folder2
# file3.csv

# use an open context
with fs.open('./folder1/file1.csv') as f:
    # do some process
    process_file(f)

AzureMachineLearningFileSystem を使用してファイルをアップロードする

from azureml.fsspec import AzureMachineLearningFileSystem
# instantiate file system using following URI
fs = AzureMachineLearningFileSystem('azureml://subscriptions/<subid>/resourcegroups/<rgname>/workspaces/<workspace_name>/datastores/<datastorename>/paths/')

# you can specify recursive as False to upload a file
fs.upload(lpath='data/upload_files/crime-spring.csv', rpath='data/fsspec', recursive=False, **{'overwrite': 'MERGE_WITH_OVERWRITE'})

# you need to specify recursive as True to upload a folder
fs.upload(lpath='data/upload_folder/', rpath='data/fsspec_folder', recursive=True, **{'overwrite': 'MERGE_WITH_OVERWRITE'})

lpath はローカル パスで rpath はリモート パスです。 rpath で指定したフォルダーがまだ存在しない場合は、フォルダーが作成されます。

次の 3 つの "上書き" モードがサポートされています。

  • APPEND: 宛先パスに同じ名前のファイルが存在する場合、元のファイルが保持されます
  • FAIL_ON_FILE_CONFLICT: 宛先パスに同じ名前のファイルが存在する場合、エラーがスローされます
  • MERGE_WITH_OVERWRITE: 同じ名前のファイルが宛先パスに存在する場合、その既存のファイルが新しいファイルで上書きされます

AzureMachineLearningFileSystem を使用してファイルをダウンロードする

# you can specify recursive as False to download a file
# downloading overwrite option is determined by local system, and it is MERGE_WITH_OVERWRITE
fs.download(rpath='data/fsspec/crime-spring.csv', lpath='data/download_files/, recursive=False)

# you need to specify recursive as True to download a folder
fs.download(rpath='data/fsspec_folder', lpath='data/download_folder/', recursive=True)

これらの例は、一般的なシナリオでのファイルシステム仕様の使用を示しています。

単一の CSV ファイルを Pandas に読み取る

次に示すように、単一の CSV ファイルを Pandas に読み取ることができます:

import pandas as pd

df = pd.read_csv("azureml://subscriptions/<subid>/resourcegroups/<rgname>/workspaces/<workspace_name>/datastores/<datastore_name>/paths/<folder>/<filename>.csv")

CSV ファイルのフォルダーを Pandas に読み取る

Pandas read_csv() メソッドは、CSV ファイルのフォルダーの読み取りをサポートしていません。 これを処理するには、csv パスを glob で抽出し、Pandas concat() メソッドを使用してデータ フレームに連結します。 次のコード サンプルは、Azure Machine Learning ファイルシステムでこの連結を実現する方法を示しています:

import pandas as pd
from azureml.fsspec import AzureMachineLearningFileSystem

# define the URI - update <> placeholders
uri = 'azureml://subscriptions/<subid>/resourcegroups/<rgname>/workspaces/<workspace_name>/datastores/<datastore_name>'

# create the filesystem
fs = AzureMachineLearningFileSystem(uri)

# append csv files in folder to a list
dflist = []
for path in fs.glob('/<folder>/*.csv'):
    with fs.open(path) as f:
        dflist.append(pd.read_csv(f))

# concatenate data frames
df = pd.concat(dflist)
df.head()

Dask への CSV ファイルの読み取り

この例では、CSV ファイルを Dask データ フレームに読み込む方法を示します。

import dask.dd as dd

df = dd.read_csv("azureml://subscriptions/<subid>/resourcegroups/<rgname>/workspaces/<workspace_name>/datastores/<datastore_name>/paths/<folder>/<filename>.csv")
df.head()

Parquet ファイルのフォルダーを Pandas に読み取る

Parquet ファイルは通常、ETL プロセスの一部としてフォルダーに書き込まれます。これにより、進行状況、コミットなどの ETL に関連するファイルを出力できます。この例は、データの Parquet ファイルを生成する ETL プロセス (_ で始まるファイル) から作成されたファイルを示します。

Parquet ETL プロセスを示すスクリーンショット。

これらのシナリオでは、フォルダー内の parquet ファイルのみを読み取り、ETL プロセス ファイルを無視します。 このコード サンプルは、glob パターンでフォルダー内の Parquet ファイルのみを読み取る方法を示しています:

import pandas as pd
from azureml.fsspec import AzureMachineLearningFileSystem

# define the URI - update <> placeholders
uri = 'azureml://subscriptions/<subid>/resourcegroups/<rgname>/workspaces/<workspace_name>/datastores/<datastore_name>'

# create the filesystem
fs = AzureMachineLearningFileSystem(uri)

# append parquet files in folder to a list
dflist = []
for path in fs.glob('/<folder>/*.parquet'):
    with fs.open(path) as f:
        dflist.append(pd.read_parquet(f))

# concatenate data frames
df = pd.concat(dflist)
df.head()

Azure Databricks ファイルシステムからデータにアクセスする (dbfs)

ファイルシステム仕様 (fsspec) にはさまざまな既知の実装があり、これには Databricks Filesystem (dbfs) が含まれます。

dbfs リソースからデータにアクセスするには、次が必要です。

これらの値を取得した後、PAT トークンのコンピューティング インスタンスに環境変数を作成する必要があります。

export ADB_PAT=<pat_token>

その後、次の例に示すように Pandas のデータにアクセスできます。

import os
import pandas as pd

pat = os.getenv(ADB_PAT)
path_on_dbfs = '<absolute_path_on_dbfs>' # e.g. /folder/subfolder/file.csv

storage_options = {
    'instance':'adb-<some-number>.<two digits>.azuredatabricks.net', 
    'token': pat
}

df = pd.read_csv(f'dbfs://{path_on_dbfs}', storage_options=storage_options)

pillow による画像の読み取り

from PIL import Image
from azureml.fsspec import AzureMachineLearningFileSystem

# define the URI - update <> placeholders
uri = 'azureml://subscriptions/<subid>/resourcegroups/<rgname>/workspaces/<workspace_name>/datastores/<datastore_name>'

# create the filesystem
fs = AzureMachineLearningFileSystem(uri)

with fs.open('/<folder>/<image.jpeg>') as f:
    img = Image.open(f)
    img.show()

PyTorch カスタム データセットの例

この例では、画像を処理するための PyTorch カスタム データセットを作成します。 この全体的な構造を持つ注釈ファイル (CSV 形式) が存在すると仮定します。

image_path, label
0/image0.png, label0
0/image1.png, label0
1/image2.png, label1
1/image3.png, label1
2/image4.png, label2
2/image5.png, label2

サブフォルダーには、ラベルに従ってこれらのイメージが格納されます:

/
└── 📁images
    ├── 📁0
    │   ├── 📷image0.png
    │   └── 📷image1.png
    ├── 📁1
    │   ├── 📷image2.png
    │   └── 📷image3.png
    └── 📁2
        ├── 📷image4.png
        └── 📷image5.png

カスタム PyTorch Dataset クラスでは、次に示すように、__init____len____getitem__ の 3 つの関数を実装する必要があります。

import os
import pandas as pd
from PIL import Image
from torch.utils.data import Dataset

class CustomImageDataset(Dataset):
    def __init__(self, filesystem, annotations_file, img_dir, transform=None, target_transform=None):
        self.fs = filesystem
        f = filesystem.open(annotations_file)
        self.img_labels = pd.read_csv(f)
        f.close()
        self.img_dir = img_dir
        self.transform = transform
        self.target_transform = target_transform

    def __len__(self):
        return len(self.img_labels)

    def __getitem__(self, idx):
        img_path = os.path.join(self.img_dir, self.img_labels.iloc[idx, 0])
        f = self.fs.open(img_path)
        image = Image.open(f)
        f.close()
        label = self.img_labels.iloc[idx, 1]
        if self.transform:
            image = self.transform(image)
        if self.target_transform:
            label = self.target_transform(label)
        return image, label

その後、次に示すようにデータセットをインスタンス化できます:

from azureml.fsspec import AzureMachineLearningFileSystem
from torch.utils.data import DataLoader

# define the URI - update <> placeholders
uri = 'azureml://subscriptions/<subid>/resourcegroups/<rgname>/workspaces/<workspace_name>/datastores/<datastore_name>'

# create the filesystem
fs = AzureMachineLearningFileSystem(uri)

# create the dataset
training_data = CustomImageDataset(
    filesystem=fs,
    annotations_file='/annotations.csv', 
    img_dir='/<path_to_images>/'
)

# Prepare your data for training with DataLoaders
train_dataloader = DataLoader(training_data, batch_size=64, shuffle=True)

mltable ライブラリを使用してデータを Pandas に具体化する

mltable ライブラリは、クラウド ストレージ内のデータへのアクセスにも役立ちます。 mltable を使用して Pandas にデータを読み込むには、次の一般的な形式があります。

import mltable

# define a path or folder or pattern
path = {
    'file': '<supported_path>'
    # alternatives
    # 'folder': '<supported_path>'
    # 'pattern': '<supported_path>'
}

# create an mltable from paths
tbl = mltable.from_delimited_files(paths=[path])
# alternatives
# tbl = mltable.from_parquet_files(paths=[path])
# tbl = mltable.from_json_lines_files(paths=[path])
# tbl = mltable.from_delta_lake(paths=[path])

# materialize to Pandas
df = tbl.to_pandas_dataframe()
df.head()

サポートされているパス

mltable ライブラリでは、さまざまなパスの種類からの表形式データの読み取りがサポートされています。

Location
ローカル コンピューター上のパス ./home/username/data/my_data
パブリック HTTP(S) サーバー上のパス https://raw.githubusercontent.com/pandas-dev/pandas/main/doc/data/titanic.csv
Azure Storage 上のパス wasbs://<container_name>@<account_name>.blob.core.windows.net/<path>
abfss://<file_system>@<account_name>.dfs.core.windows.net/<path>
長い形式の Azure Machine Learning データストア azureml://subscriptions/<subid>/resourcegroups/<rgname>/workspaces/<wsname>/datastores/<name>/paths/<path>

注意

mltable は、Azure Storage と Azure Machine Learning のデータストア上のパスに対してユーザー資格情報パススルーを実行します。 基になるストレージ上のデータに対するアクセス許可がない場合は、データにアクセスできません。

ファイル、フォルダー、glob

mltable では、次のものからの読み取りがサポートされています:

  • ファイル - 例: abfss://<file_system>@<account_name>.dfs.core.windows.net/my-csv.csv
  • フォルダー - 例: abfss://<file_system>@<account_name>.dfs.core.windows.net/my-folder/
  • glob パターン - 例: abfss://<file_system>@<account_name>.dfs.core.windows.net/my-folder/*.csv
  • ファイル、フォルダー、または glob パターンの組み合わせ

mltable が柔軟であるため、ローカル ストレージ リソースとクラウド ストレージ リリースの組み合わせと、ファイル/フォルダー/glob の組み合わせから、1 つのデータフレームにデータを具体化できます。 次に例を示します。

path1 = {
    'file': 'abfss://filesystem@account1.dfs.core.windows.net/my-csv.csv'
}

path2 = {
    'folder': './home/username/data/my_data'
}

path3 = {
    'pattern': 'abfss://filesystem@account2.dfs.core.windows.net/folder/*.csv'
}

tbl = mltable.from_delimited_files(paths=[path1, path2, path3])

サポートされるファイル形式

mltable では、次のファイル形式がサポートされています:

  • 区切りテキスト (CSV ファイルなど): mltable.from_delimited_files(paths=[path])
  • Parquet: mltable.from_parquet_files(paths=[path])
  • 差分: mltable.from_delta_lake(paths=[path])
  • JSON 行形式: mltable.from_json_lines_files(paths=[path])

CSV ファイルの読み取り

このコード スニペット内のプレースホルダー (<>) を具体的な詳細で更新します:

import mltable

path = {
    'file': 'abfss://<filesystem>@<account>.dfs.core.windows.net/<folder>/<file_name>.csv'
}

tbl = mltable.from_delimited_files(paths=[path])
df = tbl.to_pandas_dataframe()
df.head()

フォルダー内の Parquet ファイルを読み取る

次の例は、mltableglob パターン (ワイルドカードなど) を使用して、Parquet ファイルのみが読み取られるようにする方法を示しています。

このコード スニペット内のプレースホルダー (<>) を具体的な詳細で更新します:

import mltable

path = {
    'pattern': 'abfss://<filesystem>@<account>.dfs.core.windows.net/<folder>/*.parquet'
}

tbl = mltable.from_parquet_files(paths=[path])
df = tbl.to_pandas_dataframe()
df.head()

データ資産の読み取り

このセクションでは、Azure Machine Learning データ資産にアクセスして Pandas に読み込む方法を示します。

テーブル資産

Azure Machine Learning (mltable、または V1 TabularDataset) でテーブル資産を以前に作成してある場合は、次のコードを使用してそのテーブル資産を Pandas に読み込むことができます:

import mltable
from azure.ai.ml import MLClient
from azure.identity import DefaultAzureCredential

ml_client = MLClient.from_config(credential=DefaultAzureCredential())
data_asset = ml_client.data.get(name="<name_of_asset>", version="<version>")

tbl = mltable.load(f'azureml:/{data_asset.id}')
df = tbl.to_pandas_dataframe()
df.head()

ファイル資産

ファイル資産 (CSV ファイルなど) を登録した場合は、次のコードを使用してその資産を Pandas データ フレームに読み込むことができます。

import mltable
from azure.ai.ml import MLClient
from azure.identity import DefaultAzureCredential

ml_client = MLClient.from_config(credential=DefaultAzureCredential())
data_asset = ml_client.data.get(name="<name_of_asset>", version="<version>")

path = {
    'file': data_asset.path
}

tbl = mltable.from_delimited_files(paths=[path])
df = tbl.to_pandas_dataframe()
df.head()

フォルダー資産

フォルダー資産 (uri_folder または V1 FileDataset) (CSV ファイルを含むフォルダーなど) を登録した場合は、次のコードを使用してその資産を Pandas データ フレームに読み込むことができます:

import mltable
from azure.ai.ml import MLClient
from azure.identity import DefaultAzureCredential

ml_client = MLClient.from_config(credential=DefaultAzureCredential())
data_asset = ml_client.data.get(name="<name_of_asset>", version="<version>")

path = {
    'folder': data_asset.path
}

tbl = mltable.from_delimited_files(paths=[path])
df = tbl.to_pandas_dataframe()
df.head()

Pandas での大きなデータ ボリュームの読み取りと処理に関する注記

ヒント

Pandas は、大規模なデータセットを処理するようには設計されていません。 Pandas は、コンピューティング インスタンスのメモリに収まるデータのみを処理できます。

大規模なデータセットの場合は、Azure Machine Learning マネージド Spark を使用することをお勧めします。 これにより、PySpark Pandas API が提供されます。

リモートの非同期ジョブにスケールアップする前に、大規模なデータセットの小さなサブセットに対して迅速に反復処理することができます。 mltable には、take_random_sample メソッドを使用して大きなデータのサンプルを取得するための組み込みの機能が用意されています:

import mltable

path = {
    'file': 'https://raw.githubusercontent.com/pandas-dev/pandas/main/doc/data/titanic.csv'
}

tbl = mltable.from_delimited_files(paths=[path])
# take a random 30% sample of the data
tbl = tbl.take_random_sample(probability=.3)
df = tbl.to_pandas_dataframe()
df.head()

次の操作を使用して、大きなデータのサブセットを取得することもできます:

azcopy ユーティリティを使用したデータのダウンロード

azcopy ユーティリティを使用して、データをホスト (ローカル コンピューター、クラウド VM、Azure Machine Learning コンピューティング インスタンスなど) のローカル SSD、およびローカル ファイルシステムにダウンロードします。 azure Machine Learning コンピューティング インスタンスにプレインストールされている azcopy ユーティリティは、データのダウンロードを処理します。 Azure Machine Learning コンピューティング インスタンスまたは Data Science Virtual Machine (DSVM) を使用しない場合、azcopy のインストールが必要な場合があります。 詳細については、「azcopy」をご覧ください。

注意事項

コンピューティング インスタンス上の /home/azureuser/cloudfiles/code の場所にデータをダウンロードすることはお勧めしません。 この場所は、データではなく、ノートブックとコードの成果物を格納するように設計されています。 この場所からデータを読み取ると、トレーニング時にかなりのパフォーマンス オーバーヘッドが発生します。 代わりに、計算ノードのローカル SSD である home/azureuser にデータを格納することをお勧めします。

ターミナルを開き、次の例のように新しいディレクトリを作成します:

mkdir /home/azureuser/data

次を使用して azcopy にサインインします:

azcopy login

次に、ストレージ URI を使用してデータをコピーできます

SOURCE=https://<account_name>.blob.core.windows.net/<container>/<path>
DEST=/home/azureuser/data
azcopy cp $SOURCE $DEST

次のステップ