LiTek
/
Brigada3
форкнуто от main/is_dnn
1
0
Форкнуть 0
Код Задачи Запросы на слияние Пакеты Проекты Релизы Вики Активность

report and ipynb

Просмотр исходного кода
main
LiTek 3 недель назад
Родитель 2388076bb3
Сommit 2af590add9
2 изменённых файлов: 555 добавлений и 0 удалений
Показать статистику Скачать Patch файл Скачать Diff файл

1
labworks/LW3/is_lab31.ipynb
Просмотреть файл

Различия файлов скрыты, потому что одна или несколько строк слишком длинны

554
labworks/LW3/report (2).md
Unescape Просмотреть файл

@ -0,0 +1,554 @@
# Отчёт по лабораторной работе №3
**Ли Тэ Хо, Синявский Степан — А-02-22**
***Бригада 3***
---
## Задание 1
### 1) В среде Google Colab создали новый блокнот (notebook). Импортировали необходимые для работы библиотеки и модули.
```python
# импорт модулей
import os
os.chdir('/content/drive/MyDrive/Colab Notebooks/is_lab3')
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers
from tensorflow.keras.models import Sequential
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from sklearn.metrics import classification_report, confusion_matrix
from sklearn.metrics import ConfusionMatrixDisplay
```
### 2) Загрузили набор данных MNIST, содержащий размеченные изображения рукописных цифр.
```python
# загрузка датасета
from keras.datasets import mnist
(X_train, y_train), (X_test, y_test) = mnist.load_data()
```
### 3) Разбили набор данных на обучающие и тестовые данные в соотношении 60 000:10 000 элементов. Параметр random_state выбрали равным (4k – 1)=11, где k=3 –номер бригады. Вывели размерности полученных обучающих и тестовых массивов данных.
```python
# 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 = 11)
# вывод размерностей
print('Shape of X train:', X_train.shape)
print('Shape of y train:', y_train.shape)
print('Shape of X test:', X_test.shape)
print('Shape of y test:', y_test.shape)
```
```
Shape of X train: (60000, 28, 28)
Shape of y train: (60000,)
Shape of X test: (10000, 28, 28)
Shape of y test: (10000,)
```
### 4) Провели предобработку данных: привели обучающие и тестовые данные к формату, пригодному для обучения сверточной нейронной сети. Входные данные принимают значения от 0 до 1, метки цифр закодированы по принципу «one-hot encoding». Вывели размерности предобработанных обучающих и тестовых массивов данных.
```python
# Зададим параметры данных и модели
num_classes = 10
input_shape = (28, 28, 1)
# Приведение входных данных к диапазону [0, 1]
X_train = X_train / 255
X_test = X_test / 255
# Расширяем размерность входных данных, чтобы каждое изображение имело
# размерность (высота, ширина, количество каналов)
X_train = np.expand_dims(X_train, -1)
X_test = np.expand_dims(X_test, -1)
print('Shape of transformed X train:', X_train.shape)
print('Shape of transformed X test:', X_test.shape)
# переведем метки в one-hot
y_train = keras.utils.to_categorical(y_train, num_classes)
y_test = keras.utils.to_categorical(y_test, num_classes)
print('Shape of transformed y train:', y_train.shape)
print('Shape of transformed y test:', y_test.shape)
```
```
Shape of transformed X train: (60000, 28, 28, 1)
Shape of transformed X test: (10000, 28, 28, 1)
Shape of transformed y train: (60000, 10)
Shape of transformed y test: (10000, 10)
```
### 5) Реализовали модель сверточной нейронной сети и обучили ее на обучающих данных с выделением части обучающих данных в качестве валидационных. Вывели информацию об архитектуре нейронной сети.
```python
# создаем модель
model = Sequential()
model.add(layers.Conv2D(32, kernel_size=(3, 3), activation="relu", input_shape=input_shape))
model.add(layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(64, kernel_size=(3, 3), activation="relu"))
model.add(layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
model.add(layers.Dropout(0.5))
model.add(layers.Flatten())
model.add(layers.Dense(num_classes, activation="softmax"))
model.summary()
```
**Model: "sequential"**
| Layer (type) | Output Shape | Param # |
|--------------------------------|---------------------|--------:|
| conv2d (Conv2D) | (None, 26, 26, 32) | 320 |
| max_pooling2d (MaxPooling2D) | (None, 13, 13, 32) | 0 |
| conv2d_1 (Conv2D) | (None, 11, 11, 64) | 18,496 |
| max_pooling2d_1 (MaxPooling2D) | (None, 5, 5, 64) | 0 |
| dropout (Dropout) | (None, 5, 5, 64) | 0 |
| flatten (Flatten) | (None, 1600) | 0 |
| dense (Dense) | (None, 10) | 16,010 |
**Total params:** 34,826 (136.04 KB)
**Trainable params:** 34,826 (136.04 KB)
**Non-trainable params:** 0 (0.00 B)
```python
# компилируем и обучаем модель
batch_size = 512
epochs = 15
model.compile(loss="categorical_crossentropy", optimizer="adam", metrics=["accuracy"])
model.fit(X_train, y_train, batch_size=batch_size, epochs=epochs, validation_split=0.1)
```
### 6) Оценили качество обучения на тестовых данных. Вывели значение функции ошибки и значение метрики качества классификации на тестовых данных.
```python
# 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])
```
```
313/313 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2s 4ms/step - accuracy: 0.9909 - loss: 0.0413
Loss on test data: 0.041157860308885574
Accuracy on test data: 0.9873999953269958
```
### 7) Подали на вход обученной модели два тестовых изображения. Вывели изображения, истинные метки и результаты распознавания.
```python
# вывод двух тестовых изображений и результатов распознавания
for n in [3,26]:
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: ', np.argmax(y_test[n]))
print('NN answer: ', np.argmax(result))
```
![picture](images/1.png)
```
Real mark: 2
NN answer: 2
```
![picture](images/2.png)
```
Real mark: 9
NN answer: 9
```
### 8) Вывели отчет о качестве классификации тестовой выборки и матрицу ошибок для тестовой выборки.
```python
# истинные метки классов
true_labels = np.argmax(y_test, axis=1)
# предсказанные метки классов
predicted_labels = np.argmax(model.predict(X_test), axis=1)
# отчет о качестве классификации
print(classification_report(true_labels, predicted_labels))
# вычисление матрицы ошибок
conf_matrix = confusion_matrix(true_labels, predicted_labels)
# отрисовка матрицы ошибок в виде "тепловой карты"
display = ConfusionMatrixDisplay(confusion_matrix=conf_matrix)
display.plot()
plt.show()
```
```
313/313 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2s 4ms/step
precision recall f1-score support
0 0.99 1.00 0.99 1018
1 0.99 0.99 0.99 1098
2 0.99 0.98 0.98 1010
3 0.99 0.98 0.98 992
4 0.99 0.98 0.99 998
5 0.99 0.99 0.99 951
6 0.99 0.99 0.99 933
7 0.98 0.99 0.98 1010
8 0.99 0.99 0.99 960
9 0.98 0.99 0.98 1030
accuracy 0.99 10000
macro avg 0.99 0.99 0.99 10000
weighted avg 0.99 0.99 0.99 10000
```
![picture](images/3.png)
### 9) Загрузили, предобработали и подали на вход обученной нейронной сети собственное изображение, созданное при выполнении лабораторной работы №1. Вывели изображение и результат распознавания.
```python
# загрузка собственного изображения
from PIL import Image
for name_image in ['2.png', '5.png']:
file_data = Image.open(name_image)
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 = np.reshape(test_img, (1,28,28,1))
# распознавание
result = model.predict(test_img)
print('I think it\'s', np.argmax(result))
```
![picture](images/4.png)
```
I think it's 2
```
![picture](images/5.png)
```
I think it's 5
```
### 10) Загрузили с диска модель, сохраненную при выполнении лабораторной работы №1. Вывели информацию об архитектуре модели. Повторили для этой модели п. 6.
```python
model_lr1 = keras.models.load_model("best_model.keras")
model_lr1.summary()
```
**Model: "sequential_10"**
| Layer (type) | Output Shape | Param # |
|------------------|-------------:|--------:|
| dense_14 (Dense) | (None, 100) | 78,500 |
| dense_15 (Dense) | (None, 50) | 10,100 |
| dense_16 (Dense) | (None, 10) | 1,010 |
**Total params:** 89,612 (350.05 KB)
**Trainable params:** 89,610 (350.04 KB)
**Non-trainable params:** 0 (0.00 B)
**Optimizer params:** 2 (12.00 B)
```python
# развернем каждое изображение 28*28 в вектор 784
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y,
test_size = 10000,
train_size = 60000,
random_state = 11)
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)
print('Shape of transformed X train:', X_test.shape)
# переведем метки в one-hot
y_train = keras.utils.to_categorical(y_train, num_classes)
y_test = keras.utils.to_categorical(y_test, num_classes)
print('Shape of transformed y train:', y_train.shape)
print('Shape of transformed y test:', y_test.shape)
```
```
Shape of transformed X train: (60000, 784)
Shape of transformed X train: (10000, 784)
Shape of transformed y train: (60000, 10)
Shape of transformed y test: (10000, 10)
```
```python
# Оценка качества работы модели на тестовых данных
scores = model_lr1.evaluate(X_test, y_test)
print('Loss on test data:', scores[0])
print('Accuracy on test data:', scores[1])
```
```
313/313 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 3s 5ms/step - accuracy: 0.9406 - loss: 0.2055
Loss on test data: 0.1955890655517578
Accuracy on test data: 0.9426000118255615
```
### 11) Сравнили обученную модель сверточной сети и наилучшую модель полносвязной сети из лабораторной работы №1 по следующим показателям:
### - количество настраиваемых параметров в сети
### - количество эпох обучения
### - качество классификации тестовой выборки.
### Сделали выводы по результатам применения сверточной нейронной сети для распознавания изображений.
Таблица1:
| Модель | Количество настраиваемых параметров | Количество эпох обучения | Качество классификации тестовой выборки |
|----------|-------------------------------------|---------------------------|-----------------------------------------|
| Сверточная | 34 826 | 15 | accuracy:0.987 ; loss:0.0413 |
| Полносвязная | 89 612 | 50 | accuracy:0.943 ; loss:0.2055 |
##### По полученной таблице можно сделать выводы о том, что сверточная модель лучше по всем показателям, она имеет более высокое качество классификации, мненьшее время обученя, а также вдвое меньше параметров.
## Задание 2
### В новом блокноте выполнили п. 2–8 задания 1, изменив набор данных MNIST на CIFAR-10, содержащий размеченные цветные изображения объектов, разделенные на 10 классов.
### При этом:
### - в п. 3 разбиение данных на обучающие и тестовые произвели в соотношении 50 000:10 000
### - после разбиения данных (между п. 3 и 4) вывели 25 изображений из обучающей выборки с подписями классов
### - в п. 7 одно из тестовых изображений должно распознаваться корректно, а другое – ошибочно.
### 1) Загрузили набор данных CIFAR-10, содержащий цветные изображения размеченные на 10 классов: самолет, автомобиль, птица, кошка, олень, собака, лягушка, лошадь, корабль, грузовик.
```python
# загрузка датасета
from keras.datasets import cifar10
(X_train, y_train), (X_test, y_test) = cifar10.load_data()
```
### 2) Разбили набор данных на обучающие и тестовые данные в соотношении 50 000:10 000 элементов. Параметр random_state выбрали равным (4k – 1)=23, где k=6 –номер бригады. Вывели размерности полученных обучающих и тестовых массивов данных.
```python
# создание своего разбиения датасета
# 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 = 50000,
random_state = 11)
# вывод размерностей
print('Shape of X train:', X_train.shape)
print('Shape of y train:', y_train.shape)
print('Shape of X test:', X_test.shape)
print('Shape of y test:', y_test.shape)
```
```
Shape of X train: (50000, 32, 32, 3)
Shape of y train: (50000, 1)
Shape of X test: (10000, 32, 32, 3)
Shape of y test: (10000, 1)
```
### Вывели 25 изображений из обучающей выборки с подписью классов.
```python
class_names = ['airplane', 'automobile', 'bird', 'cat', 'deer',
'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck']
plt.figure(figsize=(10,10))
for i in range(25):
plt.subplot(5,5,i+1)
plt.xticks([])
plt.yticks([])
plt.grid(False)
plt.imshow(X_train[i])
plt.xlabel(class_names[y_train[i][0]])
plt.show()
```
![picture](images/6.png)
### 3) Провели предобработку данных: привели обучающие и тестовые данные к формату, пригодному для обучения сверточной нейронной сети. Входные данные принимают значения от 0 до 1, метки цифр закодированы по принципу «one-hot encoding». Вывели размерности предобработанных обучающих и тестовых массивов данных.
```python
# Зададим параметры данных и модели
num_classes = 10
input_shape = (32, 32, 3)
# Приведение входных данных к диапазону [0, 1]
X_train = X_train / 255
X_test = X_test / 255
print('Shape of transformed X train:', X_train.shape)
print('Shape of transformed X test:', X_test.shape)
# переведем метки в one-hot
y_train = keras.utils.to_categorical(y_train, num_classes)
y_test = keras.utils.to_categorical(y_test, num_classes)
print('Shape of transformed y train:', y_train.shape)
print('Shape of transformed y test:', y_test.shape)
```
```
Shape of transformed X train: (50000, 32, 32, 3)
Shape of transformed X test: (10000, 32, 32, 3)
Shape of transformed y train: (50000, 10)
Shape of transformed y test: (10000, 10)
```
### 4) Реализовали модель сверточной нейронной сети и обучили ее на обучающих данных с выделением части обучающих данных в качестве валидационных. Вывели информацию об архитектуре нейронной сети.
```python
# создаем модель
model = Sequential()
# Блок 1
model.add(layers.Conv2D(32, (3, 3), padding="same",
activation="relu", input_shape=input_shape))
model.add(layers.BatchNormalization())
model.add(layers.Conv2D(32, (3, 3), padding="same", activation="relu"))
model.add(layers.BatchNormalization())
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Dropout(0.25))
# Блок 2
model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), padding="same", activation="relu"))
model.add(layers.BatchNormalization())
model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), padding="same", activation="relu"))
model.add(layers.BatchNormalization())
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Dropout(0.25))
# Блок 3
model.add(layers.Conv2D(128, (3, 3), padding="same", activation="relu"))
model.add(layers.BatchNormalization())
model.add(layers.Conv2D(128, (3, 3), padding="same", activation="relu"))
model.add(layers.BatchNormalization())
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Dropout(0.4))
model.add(layers.Flatten())
model.add(layers.Dense(128, activation='relu'))
model.add(layers.Dropout(0.5))
model.add(layers.Dense(num_classes, activation="softmax"))
model.summary()
```
**Model: "sequential_9"**
| Layer (type) | Output Shape | Param # |
|--------------------------------------------|-------------------|---------:|
| conv2d_41 (Conv2D) | (None, 32, 32, 32) | 896 |
| batch_normalization_6 (BatchNormalization) | (None, 32, 32, 32) | 128 |
| conv2d_42 (Conv2D) | (None, 32, 32, 32) | 9,248 |
| batch_normalization_7 (BatchNormalization) | (None, 32, 32, 32) | 128 |
| max_pooling2d_26 (MaxPooling2D) | (None, 16, 16, 32) | 0 |
| dropout_24 (Dropout) | (None, 16, 16, 32) | 0 |
| conv2d_43 (Conv2D) | (None, 16, 16, 64) | 18,496 |
| batch_normalization_8 (BatchNormalization) | (None, 16, 16, 64) | 256 |
| conv2d_44 (Conv2D) | (None, 16, 16, 64) | 36,928 |
| batch_normalization_9 (BatchNormalization) | (None, 16, 16, 64) | 256 |
| max_pooling2d_27 (MaxPooling2D) | (None, 8, 8, 64) | 0 |
| dropout_25 (Dropout) | (None, 8, 8, 64) | 0 |
| conv2d_45 (Conv2D) | (None, 8, 8, 128) | 73,856 |
| batch_normalization_10 (BatchNormalization)| (None, 8, 8, 128) | 512 |
| conv2d_46 (Conv2D) | (None, 8, 8, 128) | 147,584 |
| batch_normalization_11 (BatchNormalization)| (None, 8, 8, 128) | 512 |
| max_pooling2d_28 (MaxPooling2D) | (None, 4, 4, 128) | 0 |
| dropout_26 (Dropout) | (None, 4, 4, 128) | 0 |
| flatten_9 (Flatten) | (None, 2048) | 0 |
| dense_17 (Dense) | (None, 128) | 262,272 |
| dropout_27 (Dropout) | (None, 128) | 0 |
| dense_18 (Dense) | (None, 10) | 1,290 |
**Total params:** 552,362 (2.11 MB)
**Trainable params:** 551,466 (2.10 MB)
**Non-trainable params:** 896 (3.50 KB)
```python
# компилируем и обучаем модель
batch_size = 64
epochs = 50
model.compile(loss="categorical_crossentropy", optimizer="adam", metrics=["accuracy"])
model.fit(X_train, y_train, batch_size=batch_size, epochs=epochs, validation_split=0.1)
```
### 5) Оценили качество обучения на тестовых данных. Вывели значение функции ошибки и значение метрики качества классификации на тестовых данных.
```python
# 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])
```
```
313/313 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 7s 10ms/step - accuracy: 0.8615 - loss: 0.4696
Loss on test data: 0.4909549355506897
Accuracy on test data: 0.857200026512146
```
### 6) Подали на вход обученной модели два тестовых изображения. Вывели изображения, истинные метки и результаты распознавания.
```python
# вывод двух тестовых изображений и результатов распознавания
for n in [3,15]:
result = model.predict(X_test[n:n+1])
print('NN output:', result)
plt.imshow(X_test[n].reshape(32,32,3), cmap=plt.get_cmap('gray'))
plt.show()
print('Real mark: ', np.argmax(y_test[n]))
print('NN answer: ', np.argmax(result))
```
![picture](images/7.png)
```
Real mark: 4
NN answer: 5
```
![picture](images/8.png)
```
Real mark: 2
NN answer: 2
```
### 7) Вывели отчет о качестве классификации тестовой выборки и матрицу ошибок для тестовой выборки.
```python
# истинные метки классов
true_labels = np.argmax(y_test, axis=1)
# предсказанные метки классов
predicted_labels = np.argmax(model.predict(X_test), axis=1)
# отчет о качестве классификации
print(classification_report(true_labels, predicted_labels, target_names=class_names))
# вычисление матрицы ошибок
conf_matrix = confusion_matrix(true_labels, predicted_labels)
# отрисовка матрицы ошибок в виде "тепловой карты"
fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 6))
disp = ConfusionMatrixDisplay(confusion_matrix=conf_matrix,display_labels=class_names)
disp.plot(ax=ax, xticks_rotation=45) # поворот подписей по X и приятная палитра
plt.tight_layout() # чтобы всё влезло
plt.show()
```
```
313/313 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 4s 10ms/step
precision recall f1-score support
airplane 0.89 0.86 0.87 1000
automobile 0.94 0.93 0.93 1019
bird 0.80 0.84 0.82 972
cat 0.78 0.66 0.72 1014
deer 0.84 0.84 0.84 980
dog 0.76 0.81 0.79 1051
frog 0.90 0.87 0.89 1043
horse 0.89 0.89 0.89 1018
ship 0.91 0.94 0.92 945
truck 0.86 0.94 0.90 958
accuracy 0.86 10000
macro avg 0.86 0.86 0.86 10000
weighted avg 0.86 0.86 0.86 10000
```
![picture](images/9.png)
#### По результатам классификации датасета CIFAR-10 созданной сверточной моделью можно сделать вывод, что она довольно неплохо справилась с задачей. Полученные метрики оценки качества имеют показатели в районе 0.85.
Редактирование Предпросмотр
Загрузка…
Отмена
Сохранить