# 帳票設計書 3-TensorBoardサマリー（Histogram）

## 概要

本ドキュメントは、テンソルのヒストグラム分布をイベントファイルに記録し、TensorBoardで可視化可能な形式で出力するサマリー帳票の設計を定義する。

### 本帳票の処理概要

TensorBoardサマリー（Histogram）は、テンソルの値分布をヒストグラム形式でTensorBoardイベントファイルに記録する帳票出力機能である。

**業務上の目的・背景**：ニューラルネットワークの重みやバイアス、活性化値の分布変化をトレーニング過程で追跡することは、学習の安定性を評価し、勾配消失・爆発の問題を検出するために極めて重要である。ヒストグラムサマリーはこれらの分布情報を時系列で記録し、TensorBoard上で3D表示することを可能にする。

**帳票の利用シーン**：モデルの各レイヤーの重み分布の変化を監視する場面、バッチ正規化の効果を確認する場面、活性化関数の出力分布を分析する場面で利用される。

**主要な出力内容**：
1. タグ名（レイヤー名やテンソル名をベースにした識別子）
2. テンソル値のヒストグラム分布データ
3. ステップ番号
4. サマリーメタデータ

**帳票の出力タイミング**：`tf.summary.histogram()`関数の呼び出し時に、デフォルトSummaryWriterが設定されており記録条件が真である場合に出力される。

**帳票の利用者**：MLエンジニア、データサイエンティスト、研究者

## 帳票種別

イベントログ（TensorBoardサマリー）

## 利用画面

| 画面No | 画面名 | URL/ルーティング | 出力操作 |
|--------|--------|-----------------|---------|
| N/A | TensorBoard Histogramsダッシュボード | http://localhost:6006/#histograms | `tf.summary.histogram()` API呼び出し |

## 出力形式

### 基本仕様

| 項目 | 内容 |
|-----|------|
| ファイル形式 | TFEventファイル（Protocol Buffersバイナリ） |
| 用紙サイズ | N/A |
| 向き | N/A |
| ファイル名 | `events.out.tfevents.{timestamp}.{hostname}.v2` |
| 出力方法 | FileWriter経由でイベントファイルに追記 |
| 文字コード | N/A（バイナリ形式） |

### PDF固有設定

N/A

### Excel固有設定

N/A

## 帳票レイアウト

### レイアウト概要

テンソルの全要素値がヒストグラムデータとしてイベントファイルに記録される。TensorBoard上では時系列の3Dヒストグラムまたはオーバーレイ形式で表示される。

```
[イベントファイル内レコード構造]
+-------------------------------------+
| Event                               |
|  +- wall_time (double)              |
|  +- step (int64)                    |
|  +- summary                         |
|       +- value[]                    |
|            +- tag (string)          |
|            +- tensor (TensorProto)  |
|            +- metadata              |
+-------------------------------------+
```

### ヘッダー部

| No | 項目名 | 説明 | データ取得元 | 表示形式 |
|----|-------|------|-------------|---------|
| 1 | タグ | サマリーの識別名 | `name`引数（name scope付き） | 文字列 |
| 2 | ステップ | 記録時点のステップ番号 | `step`引数またはグローバルステップ | int64 |

### 明細部

| No | 項目名 | 説明 | データ取得元 | 表示形式 | 列幅 |
|----|-------|------|-------------|---------|-----|
| 1 | テンソル値分布 | 記録するテンソルの全要素値 | `tensor`引数 | ヒストグラムバケット | N/A |

### フッター部

| No | 項目名 | 説明 | データ取得元 | 表示形式 |
|----|-------|------|-------------|---------|
| 1 | メタデータ | SummaryMetadata | 自動生成 | Protocol Buffers |

## 出力条件

### 抽出条件

| 条件名 | 説明 | 必須 |
|-------|------|-----|
| デフォルトSummaryWriter | `tf.summary.create_file_writer()`で作成し設定 | Yes |
| 記録条件 | `record_if()`がTrue | Yes |
| ステップ値 | `step`引数またはset_step()で設定 | Yes |

### ソート順

| 優先度 | 項目 | 昇順/降順 |
|-------|------|---------|
| 1 | ステップ番号 | 昇順 |

### 改ページ条件

N/A

## データベース参照仕様

### 参照テーブル一覧

| テーブル名 | 用途 | 結合条件 |
|-----------|------|---------|
| N/A | N/A | N/A |

### テーブル別参照項目詳細

N/A

## 計算仕様

### 計算項目一覧

| 項目名 | 計算式 | 端数処理 | 備考 |
|-------|-------|---------|------|
| ヒストグラムデータ | テンソルの全要素値をそのまま記録（C++カーネルでバケット化） | N/A | `write_histogram_summary`オペレーション内で処理 |
| ステップ値 | `ops.convert_to_tensor(step, dtypes.int64)` | N/A | int64にキャスト |

## 処理フロー

### 出力フロー

```mermaid
flowchart TD
    A[tf.summary.histogram呼び出し] --> B{SummaryWriter設定済み?}
    B -->|No| C[no_op返却]
    B -->|Yes| D{should_record_summaries?}
    D -->|No| E[False返却]
    D -->|Yes| F[stepの検証・取得]
    F --> G[テンソルをCPUに移動 identity]
    G --> H[gen_summary_ops.write_histogram_summary呼び出し]
    H --> I[イベントファイルに書き込み]
    I --> J[True返却]
```

## エラー処理

### エラーケース一覧

| エラー種別 | 発生条件 | 表示メッセージ | 対処方法 |
|----------|---------|--------------|---------|
| ValueError | stepが未設定 | `No step set.` | step引数を指定するかset_step()を呼び出す |
| RuntimeError | クローズ済みSummaryWriter | `SummaryWriter is already closed` | 新しいSummaryWriterを作成する |

## パフォーマンス要件

| 項目 | 内容 |
|-----|------|
| 想定データ件数 | テンソルサイズに依存（要素数: 数百〜数百万） |
| 目標出力時間 | ミリ秒オーダー（テンソルサイズに比例） |
| 同時出力数上限 | SummaryWriter単位 |

## セキュリティ考慮事項

- モデルの重み分布情報が含まれるため、モデルの構造に関する機密情報が漏洩する可能性がある
- イベントファイルのアクセス制御を適切に行う必要がある

## 備考

- Scalar版と異なり、テンソルの全要素値が記録されるためファイルサイズが大きくなりやすい
- TensorBoard上では「Histograms」タブと「Distributions」タブの両方で可視化可能

---

## コードリーディングガイド

本帳票を理解するために参照すべきファイルと、推奨する読み解き順序を以下に示す。

### 推奨読解順序

#### Step 1: データ構造を理解する

| 順序 | ファイル | パス | 読解ポイント |
|-----|---------|------|-------------|
| 1-1 | summary.proto | `tensorflow/core/framework/summary.proto` | HistogramProtoメッセージ構造（min, max, num, sum, sum_squares, bucket_limit, bucket） |

**読解のコツ**: ヒストグラムデータはバケット形式で格納される。C++カーネル側でテンソル値をバケットに分配する処理が行われる。

#### Step 2: エントリーポイントを理解する

| 順序 | ファイル | パス | 読解ポイント |
|-----|---------|------|-------------|
| 2-1 | summary_ops_v2.py | `tensorflow/python/ops/summary_ops_v2.py` | `histogram()`関数（行962-975）: `write_histogram_summary`オペレーションを生成 |

**主要処理フロー**:
1. **行964-965**: stepの選択
2. **行966-973**: function定義 - `gen_summary_ops.write_histogram_summary`呼び出し
3. **行975**: `summary_writer_function()`へ委譲

#### Step 3: 共通のSummaryWriter機構を理解する

| 順序 | ファイル | パス | 読解ポイント |
|-----|---------|------|-------------|
| 3-1 | summary_ops_v2.py | `tensorflow/python/ops/summary_ops_v2.py` | `summary_writer_function()`（行875-904）、`_legacy_contrib_should_record_summaries()`（行147-149） |

### プログラム呼び出し階層図

```
tf.summary.histogram()
    |
    +-- histogram() [行962]
            |
            +-- _choose_step() [行1227]
            +-- summary_writer_function() [行875]
                    |
                    +-- _legacy_contrib_should_record_summaries() [行147]
                    +-- gen_summary_ops.write_histogram_summary()
                            |
                            +-- SummaryWriter._resource
```

### データフロー図

```
[入力]                    [処理]                            [出力]

name (string) --------+
                       |
tensor (N-D) ---------+---> histogram()
                       |      |
step (int64) ---------+      +-- identity(tensor) -> CPU
                       |      +-- write_histogram_summary
family (string) ------+                |
                                       v
                              events.out.tfevents.*
```

### 関連ファイル一覧

| ファイル | パス | 種別 | 役割 |
|---------|------|------|------|
| summary_ops_v2.py | `tensorflow/python/ops/summary_ops_v2.py` | ソース | histogram()関数定義（行962-975） |
| gen_summary_ops.py | `tensorflow/python/ops/gen_summary_ops.py` | 生成コード | write_histogram_summaryバインディング |
| summary.proto | `tensorflow/core/framework/summary.proto` | 定義 | HistogramProto定義 |
| summary_op_util.py | `tensorflow/python/ops/summary_op_util.py` | ユーティリティ | サマリースコープヘルパー |
