# Отчёт по лабораторной работе №3
## по теме: "Распознавание изображений"
---
Выполнили: Бригада 2, Мачулина Д.В., Бирюкова А.С., А-02-22
---
## Задание 1
### 1. Создание блокнота и настройка среды
```python
from google.colab import drive
drive.mount('/content/drive')
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. Загрузка набора данных MNIST
```python
from keras.datasets import mnist
(X_train, y_train), (X_test, y_test) = mnist.load_data()
```
---
### 3. Разбиение набора данных на общучающие и тестовые (номер бригады - 2)
```python
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 = 7)
# 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. Предобработка 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. Реализация и обучение модели свёрточной 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()
```
| 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. Оценка качества обучения на тестовых данных
```python
scores = model.evaluate(X_test, y_test)
print('Loss on test data:', scores[0])
print('Accuracy on test data:', scores[1])
```
Loss on test data: 0.04353996366262436
Accuracy on test data: 0.9876000285148621
---
### 7. Подача на вход обученной модели тестовых изображений
```python
# вывод тестового изображения и результата распознавания
n = 333
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))
```

Real mark: 3
NN answer: 3
```python
# вывод тестового изображения и результата распознавания
n = 222
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))
```

Real mark: 2
NN answer: 2
---
### 8. Вывод отчёта о качестве классификации тестовой выборки и матрицы 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()
```
| №(type) |
precision |
recall |
f1-score |
support |
| 0 |
0.99 |
0.99 |
0.99 |
968 |
| 1 |
1.00 |
0.99 |
0.99 |
1087 |
| 2 |
0.99 |
0.99 |
0.99 |
1000 |
| 3 |
0.99 |
0.98 |
0.99 |
1039 |
| 4 |
0.99 |
0.99 |
0.99 |
966 |
| 5 |
0.98 |
0.99 |
0.99 |
908 |
| 6 |
0.99 |
0.99 |
0.99 |
972 |
| 7 |
0.98 |
0.99 |
0.98 |
1060 |
| 8 |
0.98 |
0.98 |
0.98 |
1015 |
| 9 |
0.98 |
0.98 |
0.98 |
985 |
|
| accuracy |
|
|
0.99 |
10000 |
| macro avg |
0.99 |
0.99 |
0.99 |
10000 |
| weighted avg |
0.99 |
0.99 |
0.99 |
10000 |
![]()
---
### 9. Загрузка, предобработка и подача собственных изображения
```python
# загрузка собственного изображения
from PIL import Image
file_data = Image.open('7.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 = np.reshape(test_img, (1,28,28,1))
# распознавание
result = model.predict(test_img)
print('I think it\'s ', np.argmax(result))
```
![]()
```python
# загрузка собственного изображения
from PIL import Image
file_data = Image.open('5.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 = np.reshape(test_img, (1,28,28,1))
# распознавание
result = model.predict(test_img)
print('I think it\'s ', np.argmax(result))
```
![]()
### 10. Загрузка модели из ЛР1. Оценка качества
```python
model = keras.models.load_model("best_model.keras")
model.summary()
```
| Layer (type) |
Output Shape |
Param # |
| dense_4 (Dense) |
(None, 300) |
235,500 |
| dense_5 (Dense) |
(None, 10) |
3,010 |
Total params: 238,512 (931.69 KB)
Trainable params: 238,510 (931.68 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 = 7)
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.evaluate(X_test, y_test)
print('Loss on test data:', scores[0])
print('Accuracy on test data:', scores[1])
```
Loss on test data: 0.37091827392578125
Accuracy on test data: 0.9013000130653381
---
### 11. Сравнение обученной модели сверточной сети и наилучшей модели полносвязной сети
| Модель |
Количество настраиваемых параметров сети |
Количество эпох обучения |
Качество классификации тестовой выборки |
| Сверточная |
34,826 |
15 |
0.9876 |
| Полносвязная |
238,512 |
100 |
0.9013 |
Вывод:
## Задание 2
### В новом блокноте выполнили п.1-8 задания 1, изменив набор данных MNIST на CIFAR-10
### 1. Создание блокнота и настройка среды
```python
from google.colab import drive
drive.mount('/content/drive')
import os
os.chdir('/content/drive/MyDrive/Colab Notebooks/is_lab3')
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras import layers
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from sklearn.metrics import classification_report, confusion_matrix
from sklearn.metrics import ConfusionMatrixDisplay
```
### 2.Загрузка набора данных и его разбиение на ообучащие и тестовые
```python
# загрузка датасета
from keras.datasets import cifar10
(X_train, y_train), (X_test, y_test) = cifar10.load_data()
```
```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 = 50000,
random_state = 7)
# 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)
### 3. Вывод изображений с подписями 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()
```
![]()
### 4. Предобработка 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)
---
### 5. Реализация и обучение модели свёрточной 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))
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()
```
| Layer (type) |
Output Shape |
Param # |
| conv2d (Conv2D) |
(None, 32, 32, 32) |
896 |
| batch_normalization_6 (BatchNormalization) |
(None, 32, 32, 32) |
128 |
| conv2d_13 (Conv2D) |
(None, 32, 32, 32) |
9,248 |
| batch_normalization_7 (BatchNormalization) |
(None, 32, 32, 32) |
128 |
| max_pooling2d_9 (MaxPooling2D) |
(None, 16, 16, 32) |
0 |
| dropout_6 (Dropout) |
(None, 16, 16, 32) |
0 |
| conv2d_14 (Conv2D) |
(None, 16, 16, 64) |
18,496 |
| batch_normalization_8 (BatchNormalization) |
(None, 16, 16, 64) |
256 |
| conv2d_15 (Conv2D) |
(None, 16, 16, 64) |
32,928 |
| batch_normalization_9 (BatchNormalization) |
(None, 16, 16, 64) |
256 |
| max_pooling2d_10 (MaxPooling2D) |
(None, 8, 8, 64) |
0 |
| dropout_7 (Dropout) |
(None, 8, 8, 64) |
0 |
| flatten_3 (Flatten) |
(None, 4096) |
0 |
| dense_6 (Dense) |
(None, 128) |
524,416 |
| dropout_8 (Dropout) |
(None, 128) |
0 |
| dense_7 (Dense) |
(None, 10) |
1,290 |
Total params: 592,042 (2.26 MB)
Trainable params: 591,658 (2.26 MB)
Non-trainable params: 384 (1.50 KB)
```python
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)
```
### 6. Оценка качества обучения на тестовых данных
```python
scores = model.evaluate(X_test, y_test)
print('Loss on test data:', scores[0])
print('Accuracy on test data:', scores[1])
```
### 7. Подача на вход обученной модели тестовых изображений
```python
for n in [5,17]:
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))
```
![]()
Real mark: 0
NN answer: 2
![]()
Real mark: 5
NN answer: 5
### 8. Вывод отчёта о качестве классификации тестовой выборки и матрицы 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()
```
| class |
precision |
recall |
f1-score |
support |
| airplane |
0.85 |
0.86 |
0.86 |
1013 |
| automobile |
0.93 |
0.91 |
0.92 |
989 |
| bird |
0.75 |
0.75 |
0.75 |
1018 |
| cat |
0.69 |
0.66 |
0.67 |
1049 |
| deer |
0.79 |
0.78 |
0.78 |
1009 |
| dog |
0.73 |
0.68 |
0.71 |
978 |
| frog |
0.79 |
0.90 |
0.84 |
981 |
| horse |
0.88 |
0.84 |
0.86 |
986 |
| ship |
0.89 |
0.92 |
0.91 |
1029 |
| truck |
0.88 |
0.91 |
0.89 |
948 |
|
| accuracy |
|
|
0.82 |
10000 |
| macro avg |
0.82 |
0.82 |
0.82 |
10000 |
| weighted avg |
0.82 |
0.82 |
0.82 |
10000 |
![]()
Вывод: