отчёт

labworks/LW1/report.md

@@ -0,0 +1,260 @@
+# Отчет по лабораторной работе № 1
+
+### Киселёв Матвей, Мамедов Расул А-01-22
+
+## 1) В среде Google Colab создать новый блокнот (notebook). Импортировать необходимые для работы библиотеки и модули.
+
+```py
+import os
+os.chdir('/content/drive/MyDrive/Colab Notebooks')
+
+# импорт модулей
+from tensorflow import keras
+import matplotlib.pyplot as plt
+import numpy as np
+import sklearn
+```
+## 2) Загрузить набор данных MNIST, содержащий размеченные изображения рукописных цифр.
+
+```py
+# загрузка датасета
+from keras.datasets import mnist
+(X_train, y_train), (X_test, y_test) = mnist.load_data()
+```
+
+## 3) Разбить набор данных на обучающие и тестовые данные в соотношении 60 000:10 000 элементов. При разбиении параметр random_state выбрать равным (4k – 1), где k – номер бригады. Вывести размерности полученных обучающих и тестовых массивов данных.
+
+```py
+# создание своего разбиения датасета
+from sklearn.model_selection import train_test_split
+
+# объединяем в один набор
+X = np.concatenate((X_train, X_test))
+y = np.concatenate((y_train, y_test))
+
+# разбиваем по вариантам
+X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y,
+test_size = 10000,
+train_size = 60000,
+random_state = 4*6 -1)
+
+# вывод размерностей
+print('Shape of X train:', X_train.shape)
+print('Shape of y train:', X_train.shape)
+```
+
+## 4) Вывести первые 4 элемента обучающих данных (изображения и метки цифр).
+
+```py
+for i in [0,1,2,3]:
+    # вывод изображения
+    plt.imshow(X_train[i], cmap=plt.get_cmap('gray'))
+    plt.show()
+
+    # вывод метки для этого изображения
+    print(y_train[i])
+```
+![6](Рисунок1.png)
+
+6
+
+![4](Рисунок2.png)
+
+4
+
+![4](Рисунок3.png)
+
+4
+
+![3](Рисунок4.png)
+
+3
+
+## 5) Провести предобработку данных: привести обучающие и тестовые данные к формату, пригодному для обучения нейронной сети. Входные данные должны принимать значения от 0 до 1, метки цифр должны быть закодированы по принципу «one-hot encoding». Вывести размерности предобработанных обучающих и тестовых массивов данных.
+
+```py
+# развернем каждое изображение 28*28 в вектор 784
+num_pixels = X_train.shape[1] * X_train.shape[2]
+X_train = X_train.reshape(X_train.shape[0], num_pixels) / 255
+X_test = X_test.reshape(X_test.shape[0], num_pixels) / 255
+print('Shape of transformed X train:', X_train.shape)
+
+# переведем метки в one-hot
+from keras.utils import to_categorical
+y_train = keras.utils.to_categorical(y_train)
+y_test = keras.utils.to_categorical(y_test)
+print('Shape of transformed y train:', y_train.shape)
+num_classes = y_train.shape[1]
+```
+
+## 6) Реализовать модель однослойной нейронной сети и обучить ее на обучающих данных с выделением части обучающих данных в качестве валидационных. Вывести информацию об архитектуре нейронной сети. Вывести график функции ошибки на обучающих и валидационных данных по эпохам.
+
+```py
+from keras.models import Sequential
+from keras.layers import Dense
+
+# 1. создаем модель - объявляем ее объектом класса Sequential
+model = Sequential()
+# 2. добавляем выходной слой
+model.add(Dense(units=num_classes, activation='softmax'))
+# 3. компилируем модель
+model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy'])
+
+# вывод информации об архитектуре модели
+print(model.summary())
+
+# Обучаем модель
+H = model.fit(X_train, y_train, validation_split=0.1, epochs=50)
+```
+
+## 7) Применить обученную модель к тестовым данным. Вывести значение функции ошибки и значение метрики качества классификации на тестовых данных.
+
+```py
+# вывод графика ошибки по эпохам
+plt.plot(H.history['loss'])
+plt.plot(H.history['val_loss'])
+plt.grid()
+plt.xlabel('Epochs')
+plt.ylabel('loss')
+plt.legend(['train_loss', 'val_loss'])
+plt.title('Loss by epochs')
+plt.show()
+
+# Оценка качества работы модели на тестовых данных
+scores = model.evaluate(X_test, y_test)
+print('Loss on test data:', scores[0])
+print('Accuracy on test data:', scores[1])
+```
+### Сеть без скрытых слоёв:
+
+![Сеть без скрытых слоёв](Рисунок5.png)
+
+### Оценка качества работы:
+
+Loss on test data: 0.2811441123485565
+
+Accuracy on test data: 0.9204000234603882
+
+## 8) Добавить в модель один скрытый и провести обучение и тестирование (повторить п. 6–7) при 100, 300, 500 нейронах в скрытом слое. По метрике качества классификации на тестовых данных выбрать наилучшее количество нейронов в скрытом слое. В качестве функции активации нейронов в скрытом слое использовать функцию sigmoid.
+
+```py
+# добавляем первый скрытый слой
+model.add(Dense(units=100, input_dim=num_pixels, activation='sigmoid'))
+```
+### 100 нейронов в 1 скрытом слое:
+
+![100 нейронов в 1 скрытом слое:](Рисунок6.png)
+
+### 300 нейронов в 1 скрытом слое:
+
+![300 нейронов в 1 скрытом слое:](Рисунок7.png)
+
+### 500 нейронов в 1 скрытом слое:
+
+![500 нейронов в 1 скрытом слое:](Рисунок8.png)
+
+### Вывод: по наибольшей метрике качества классификации на тестовых данных можно определить, что лучшее количество нейронов в скрытом слое - 100.
+
+## 9) Добавить в наилучшую архитектуру, определенную в п. 8, второй скрытый слой и провести обучение и тестирование (повторить п. 6–7) при 50 и 100 нейронах во втором скрытом слое. В качестве функции активации нейронов в скрытом слое использовать функцию sigmoid.
+
+```py
+# добавляем второй скрытый слой
+model.add(Dense(units=50, activation='sigmoid'))
+```
+
+### 100 нейронов в 1 скрытом слое и 50 во 2 скрытом слое:
+
+![100 нейронов в 1 скрытом слое и 50 во 2 скрытом слое:](Рисунок9.png)
+
+### 100 нейронов в 1 скрытом слое и 100 во 2 скрытом слое:
+
+![100 нейронов в 1 скрытом слое и 100 во 2 скрытом слое:](Рисунок10.png)
+
+## 10) Результаты исследования архитектуры нейронной сети занести в таблицу:
+
+| Кол-во скрытых слоев | Нейроны в 1 слое | Нейроны во 2 слое | Точность |
+|----------------------|------------------|-------------------|----------|
+| 0                    | -                | -                 | 0.9204   |
+| 1                    | 100              | -                 | 0.9592   |
+| 1                    | 300              | -                 | 0.9536   |
+| 1                    | 500              | -                 | 0.9488   |
+| 2                    | 100              | 50                | 0.9618   |
+| 2                    | 100              | 100               | 0.9603   |
+
+### Вывод: как видно из таблицы, наилучший результат показала нейросеть с двумя скрытыми слоями, у которой 100 нейронов в первом скрытом слое и 50 во втором.
+
+## 11) Сохранить наилучшую нейронную сеть на диск. Данную нейронную сеть потребуется загрузить с диска в одной из следующих лабораторных работ.
+
+```py
+model.save('best_model.keras')
+```
+
+## 12) Для нейронной сети наилучшей архитектуры вывести два тестовых изображения, истинные метки и результат распознавания изображений.
+
+```py
+result = model.predict(X_test[n:n+1])
+print('NN output:', result)
+plt.imshow(X_test[n].reshape(28,28), cmap=plt.get_cmap('gray'))
+plt.show()
+print('Real mark: ', str(np.argmax(y_test[n])))
+print('NN answer: ', str(np.argmax(result)))
+```
+
+![Real mark:  2 NN answer:  2](Рисунок11.png)
+
+Real mark:  2 
+
+NN answer:  2
+
+![Real mark:  0 NN answer:  0](Рисунок12.png)
+
+Real mark:  0 
+
+NN answer:  0
+
+## 13) Каждому члену бригады создать собственное изображение рукописной цифры, подобное представленным в наборе MNIST. Цифру выбрать как остаток от деления на 10 числа своего дня рождения (например, 29 февраля → 29 mod 10 = 9). Сохранить изображения. Загрузить, предобработать и подать на вход обученной нейронной сети собственные изображения. Вывести изображения и результаты распознавания.
+
+```py
+# загрузка собственного изображения
+from PIL import Image
+file_data = Image.open('test5.png')
+file_data = file_data.convert('L') # перевод в градации серого
+test_img = np.array(file_data)
+
+# вывод собственного изображения
+plt.imshow(test_img, cmap=plt.get_cmap('gray'))
+plt.show()
+# предобработка
+test_img = test_img / 255
+test_img = test_img.reshape(1, num_pixels)
+# распознавание
+result = model.predict(test_img)
+print('I think it\'s ', np.argmax(result))
+```
+
+![I think it`s 5](Рисунок13.png)
+
+I think it`s  5
+
+![I think it`s 3](Рисунок15.png)
+
+I think it`s  3
+
+## 14) Каждому члену бригады создать копию собственного изображения, отличающуюся от оригинала поворотом на 90 градусов в любую сторону. Сохранить изображения. Загрузить, предобработать и подать на вход обученной нейронной сети измененные изображения. Вывести изображения и результаты распознавания. Сделать выводы по результатам эксперимента.
+
+```py
+from PIL import Image
+file_data = Image.open('test5per.png')
+file_data = file_data.convert('L') # перевод в градации серого
+test_img = np.array(file_data)
+```
+
+![I think it`s 8](Рисунок14.png)
+
+I think it`s  8
+
+![I think it`s 4](Рисунок16.png)
+
+I think it`s  4
+
+### Вывод: первую пару изображений нейросеть смогла правильно распознать, однако их перевёрнутые версии - нет. Это связано с тем, что на вход этой нейросети мы не подавали повёрнутые числа.