**ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3**«Распознавание изображений»**
А-02-22 бригада №8 Левшенко Д.И., Новиков Д. М., Шестов Д.Н  
  
Задание1:  

**1)В среде GoogleColab создать новый блокнот(notebook). Импортировать необходимые для работы библиотеки и модули.**
```py
from google.colab import drive
drive.mount('/content/drive')  
import os
os.chdir('/content/drive/MyDrive/Colab Notebooks/IS_LR3')

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)Загрузить набор данных MNIST, содержащий размеченные изображения рукописных цифр.**
```py
from keras.datasets import mnist
(X_train, y_train), (X_test, y_test) = mnist.load_data()
```
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/1.2.png)

**3)Разбить набор данных на обучающие и тестовые данные в соотношении 60000:10000 элементов. При разбиении параметр random_state выбрать равным (4k–1), где k–номер бригады. Вывести размерности полученных обучающих и тестовых массивов данных.**
```py
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 = 123)


# 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)
```
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/1.3.png)
**4)Провести предобработку данных: привести обучающие и тестовые данные к формату, пригодному для обучения сверточной нейронной сети. Входные данные должны принимать значения от 0 до 1, метки  цифр должны быть закодированы по принципу «one-hotencoding». Вывести размерности предобработанных обучающих и тестовых массивов данных.**
```py
# 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)
```
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/1.4.png)
**5)Реализовать модель сверточной нейронной сети и обучить ее на обучающих данных с выделением части обучающих данных в качестве валидационных. Вывести информацию об архитектуре нейронной сети.**
```py
# 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()
# 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)
```
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/1.5.png)

**6)Оценить качество обучения на тестовых данных. Вывести значение функции ошибки и значение метрики качества классификации на тестовых данных.**
```py
# 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])
```
**7)Подать на вход обученной модели два тестовых изображения. Вывести изображения, истинные метки и результаты распознавания.**
```py
# вывод тестового изображения и результата распознавания
n = 123
result = model.predict(X_test[n:n+1])
print('NN output:', result)
plt.show()
plt.imshow(X_test[n].reshape(28,28), cmap=plt.get_cmap('gray'))
print('Real mark: ', np.argmax(y_test[n]))
print('NN answer: ', np.argmax(result))
```
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/1.7.png)

**8)Вывести отчет о качестве классификации тестовой выборки и матрицу ошибок для тестовой выборки.**
```py
# 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()
```
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/1.8.1.png)
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/1.8.2.png)

**9)Загрузить, предобработать и подать на вход обученной нейронной сети собственное изображение, созданное при выполнении лабораторной работы No1. Вывести изображение и результат распознавания.**
```py
# загрузка собственного изображения
from PIL import Image
file_data = Image.open('test.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))
```
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/1.9.png)

**10)Сравнить обученную модель сверточной сети и наилучшую модель полносвязной сети из лабораторной работы No1**
· Количество параметров в CNN значительно меньше, чем в полносвязной сети, благодаря использованию сверток.
· CNN потребовала меньше эпох для достижения высокой точности. 
· Качество классификации на тестовой выборке у CNN выше (99% против ~98% у полносвязной сети). 

Итоговый вывод: 
Сверточные нейронные сети показали высокую эффективность для задачи распознавания изображений благодаря способности выделять пространственные признаки, устойчивости к сдвигам и искажениям, а также меньшему количеству обучаемых параметров по сравнению с полносвязными сетями.


**Задание2**

**В новом блокноте выполнить п. 1–8 задания 1, изменив набор данных MNIST на CIFAR-10, содержащий размеченные цветные изображения объектов, разделенные на 10 классов. **
```py
# Пункт 1-2: Импорт библиотек и загрузка данных
from keras.datasets import cifar10
(X_train, y_train), (X_test, y_test) = cifar10.load_data()
```
**При этом: 
· в п.3 разбиение данных на обучающие и тестовые произвести в соотношении 50 000:10 000.**
```py
# Пункт 3: Разбиение данных
print("Размерности данных:")
print(f"X_train: {X_train.shape}")
print(f"y_train: {y_train.shape}")
print(f"X_test: {X_test.shape}")
print(f"y_test: {y_test.shape}")
```
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/2.3.png)

```py
# Визуализация 25 изображений
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()
```
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/2.3.2.png)

**·после разбиения данных (между п. 3 и 4) вывести 25 изображений из обучающей выборки с подписями классов**
```py
# Пункт 4: Предобработка данных
num_classes = 10
input_shape = (32, 32, 3)

# Нормализация
X_train = X_train.astype('float32') / 255
X_test = X_test.astype('float32') / 255

# One-hot encoding
y_train_categorical = keras.utils.to_categorical(y_train, num_classes)
y_test_categorical = keras.utils.to_categorical(y_test, num_classes)
```

```py
# Пункт 5: Создание и обучение модели
model = Sequential()
model.add(layers.Conv2D(32, kernel_size=(3, 3), activation="relu", input_shape=input_shape))
model.add(layers.Conv2D(32, kernel_size=(3, 3), activation="relu"))
model.add(layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
model.add(layers.Dropout(0.25))

model.add(layers.Conv2D(64, kernel_size=(3, 3), activation="relu"))
model.add(layers.Conv2D(64, kernel_size=(3, 3), activation="relu"))
model.add(layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
model.add(layers.Dropout(0.25))

model.add(layers.Conv2D(128, kernel_size=(3, 3), activation="relu"))
model.add(layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
model.add(layers.Dropout(0.25))

model.add(layers.Flatten())
model.add(layers.Dense(512, activation='relu'))
model.add(layers.Dropout(0.5))
model.add(layers.Dense(256, activation='relu'))
model.add(layers.Dropout(0.5))
model.add(layers.Dense(num_classes, activation="softmax"))

model.summary()

# Компиляция и обучение модели с более медленным learning rate
model.compile(loss="categorical_crossentropy",
              optimizer=keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.0005),
              metrics=["accuracy"])

batch_size = 64
epochs = 40

history = model.fit(X_train, y_train_categorical,
                    batch_size=batch_size,
                    epochs=epochs,
                    validation_split=0.1,
                    verbose=1)
```
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/2.5.1.png)
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/2.5.2.png)

```py
# Визуализация процесса обучения
plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(history.history['accuracy'], label='Training Accuracy')
plt.plot(history.history['val_accuracy'], label='Validation Accuracy')
plt.title('Model Accuracy')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.legend()

plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(history.history['loss'], label='Training Loss')
plt.plot(history.history['val_loss'], label='Validation Loss')
plt.title('Model Loss')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Loss')
plt.legend()
plt.tight_layout()
plt.show()
```
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/2.5.3.png)

```py
# Пункт 6: Оценка качества
test_loss, test_accuracy = model.evaluate(X_test, y_test_categorical, verbose=0)
print(f"Test loss: {test_loss:.4f}")
print(f"Test accuracy: {test_accuracy:.4f}")
```


**· в п. 7 одно из тестовых изображений должно распознаваться корректно, а другое – ошибочно**
```py
# Пункт 7: Распознавание двух тестовых изображений
print("РАСПОЗНАВАНИЕ ТЕСТОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ:")

# Функция для распознавания одного изображения из тестовой выборки
def predict_single_image(model, X, y, index, class_names):
    prediction = model.predict(X[index:index+1])
    predicted_class = np.argmax(prediction[0])
    true_class = y[index][0]

    plt.figure(figsize=(8, 4))

    plt.subplot(1, 2, 1)
    plt.imshow(X[index])
    plt.title(f'Истинный класс: {class_names[true_class]}')
    plt.axis('off')

    plt.subplot(1, 2, 2)
    bars = plt.bar(range(10), prediction[0])
    # Подсветим предсказанный класс
    bars[predicted_class].set_color('red')
    plt.xticks(range(10), class_names, rotation=45)
    plt.title(f'Предсказанный класс: {class_names[predicted_class]}')
    plt.ylabel('Вероятность')
    plt.tight_layout()
    plt.show()

    print(f"Истинный класс: {class_names[true_class]}")
    print(f"Предсказанный класс: {class_names[predicted_class]}")
    print(f"Уверенность: {np.max(prediction[0]):.4f}")
    print(f"Результат: {'Правильно' if predicted_class == true_class else 'Ошибка'}")
    print("-" * 50)

    return predicted_class == true_class

# Найдем одно правильное и одно неправильное предсказание
print("Поиск правильного и неправильного предсказания...")
all_predictions = model.predict(X_test)
all_predicted_classes = np.argmax(all_predictions, axis=1)
true_classes = y_test.flatten()

correct_indices = []
wrong_indices = []

for i in range(len(true_classes)):
    if all_predicted_classes[i] == true_classes[i]:
        correct_indices.append(i)
    else:
        wrong_indices.append(i)

    if len(correct_indices) > 0 and len(wrong_indices) > 0:
        break

if correct_indices:
    print("ПРАВИЛЬНО РАСПОЗНАННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ:")
    predict_single_image(model, X_test, y_test, correct_indices[0], class_names)

if wrong_indices:
    print("ОШИБОЧНО РАСПОЗНАННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ:")
    predict_single_image(model, X_test, y_test, wrong_indices[0], class_names)
```
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/2.7.1.png)
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/2.7.2.png)

```py
# Пункт 8: Отчет о качестве классификации и матрица ошибок
print("ОТЧЕТ О КАЧЕСТВЕ КЛАССИФИКАЦИИ:")
true_labels = np.argmax(y_test_categorical, axis=1)
predicted_labels = np.argmax(model.predict(X_test), axis=1)

print(classification_report(true_labels, predicted_labels, target_names=class_names))

print("МАТРИЦА ОШИБОК:")
conf_matrix = confusion_matrix(true_labels, predicted_labels)
display = ConfusionMatrixDisplay(confusion_matrix=conf_matrix, display_labels=class_names)
display.plot(cmap=plt.cm.Blues, xticks_rotation=45)
plt.title('Матрица ошибок - CIFAR-10')
plt.tight_layout()
plt.show()
```
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/2.8.png)
![alt text](http://uit.mpei.ru/git/NovikovDM/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW3/2.8.2.png)

Итоговый вывод: 
CNN способна решать задачи классификации цветных изображений, однако её точность снижается при увеличении сложности данных. Для улучшения результатов требуются более глубокие архитектуры, аугментация данных и тонкая настройка гиперпараметров.

**Общий вывод по лр 3:
Сверточные нейронные сети являются мощным инструментом для задач компьютерного зрения. CNN эффективно обрабатывают пространственные иерархии признаков, что делает их предпочтительными для работы с изображениями по сравнению с полносвязными сетями. Качество классификации зависит от сложности данных, архитектуры сети и корректности предобработки. Использование методов регуляризации (Dropout) и аугментации данных может улучшить обобщающую способность модели. Интерпретация матрицы ошибок и метрик качества позволяет анализировать слабые места модели и направлять её доработку.**