# Отчет по лабораторной работе №1 Пивоваров Я.В., Сидора Д.А., А-02-22 ## 1. В среде Google Colab создание нового блокнота. ``` import os os.chdir('/content/drive/MyDrive/Colab Notebooks') ``` * Импорт библиотек и модулей ``` from tensorflow import keras import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np import sklearn ``` ## 2. Загрузка и рассмотрение набора данных ``` from keras.datasets import mnist (X_train, y_train), (X_test, y_test) = mnist.load_data() ``` ## 3. Разбиение набора данных на обучающий и тестовый. ``` from sklearn.model_selection import train_test_split ``` * Объединение в один набор. ``` X = np.concatenate((X_train, X_test)) y = np.concatenate((y_train, y_test)) ``` * Разбиение по вариантам. (4 бригада -> k=4*4-1) ``` X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y,test_size = 10000,train_size = 60000, random_state = 15) ``` * Вывод размерностей. ``` print('Shape of X train:', X_train.shape) print('Shape of y train:', y_train.shape) ``` > Shape of X train: (60000, 28, 28) > Shape of y train: (60000,) ## 4. Вывод обучающих данных. * Выведем первые четыре элемента обучающих данных. ``` plt.figure(figsize=(10, 3)) for i in range(4): plt.subplot(1, 4, i + 1) plt.imshow(X_train[i], cmap='gray') plt.title(f'Label: {y_train[i]}') plt.axis('off') plt.tight_layout() plt.show() ``` ![отображение элементов](1.png) ## 5. Предобработка данных. * Развернем каждое изображение в вектор. ``` 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) ``` > Shape of transformed X train: (60000, 784) * Переведем метки в one-hot. ``` from keras.utils import to_categorical y_train = to_categorical(y_train) y_test = to_categorical(y_test) print('Shape of transformed y train:', y_train.shape) num_classes = y_train.shape[1] ``` > Shape of transformed y train: (60000, 10) ## 6. Реализация и обучение однослойной нейронной сети. ``` from keras.models import Sequential from keras.layers import Dense ``` * Создаем модель - объявляем ее объектом класса Sequential, добавляем выходной слой. ``` model = Sequential() model.add(Dense(units=num_classes, activation='softmax')) ``` * Компилируем модель. ``` model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy']) print(model.summary()) ``` >Model: "sequential" >┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━┓ >┃ Layer (type) ┃ Output Shape ┃ Param # ┃ >┡━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━┩ >│ dense (Dense) │ ? │ 0 (unbuilt) │ >└─────────────────────────────────┴────────────────────────┴───────────────┘ > Total params: 0 (0.00 B) > Trainable params: 0 (0.00 B) > Non-trainable params: 0 (0.00 B) >None * Обучаем модель. ``` H = model.fit(X_train, y_train, validation_split=0.1, epochs=50) ``` * Выводим график функции ошибки ``` 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() ``` ![график функции ошибки](2.png) ## 7. Применение модели к тестовым данным. ``` scores = model.evaluate(X_test, y_test) print('Loss on test data:', scores[0]) print('Accuracy on test data:', scores[1]) ``` >accuracy: 0.9313 - loss: 0.2648 >Loss on test data: 0.2729383409023285 >Accuracy on test data: 0.9290000200271606 ## 8. Добавление одного скрытого слоя. * При 100 нейронах в скрытом слое. ``` model100 = Sequential() model100.add(Dense(units=100,input_dim=num_pixels, activation='sigmoid')) model100.add(Dense(units=num_classes, activation='softmax')) model100.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy'] print(model100.summary()) ``` >Model: "sequential_1" >┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━┓ >┃ Layer (type) ┃ Output Shape ┃ Param # ┃ >┡━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━┩ >│ dense_1 (Dense) │ (None, 100) │ 78,500 │ >├─────────────────────────────────┼────────────────────────┼───────────────┤ >│ dense_2 (Dense) │ (None, 10) │ 1,010 │ >└─────────────────────────────────┴────────────────────────┴───────────────┘ > Total params: 79,510 (310.59 KB) > Trainable params: 79,510 (310.59 KB) > Non-trainable params: 0 (0.00 B) >None * Обучение модели. ``` H = model100.fit(X_train, y_train, validation_split=0.1, epochs=50) ``` * График функции ошибки. ``` 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() ``` ![график функции ошибки](3.png) ``` scores = model100.evaluate(X_test, y_test) print('Loss on test data:', scores[0]) print('Accuracy on test data:', scores[1]) ``` >accuracy: 0.9500 - loss: 0.1884 >Loss on test data: 0.1930633932352066 >Accuracy on test data: 0.9473999738693237 * При 300 нейронах в скрытом слое. ``` model300 = Sequential() model300.add(Dense(units=300,input_dim=num_pixels, activation='sigmoid')) model300.add(Dense(units=num_classes, activation='softmax')) model300.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy']) print(model300.summary()) ``` >Model: "sequential_2" >┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━┓ >┃ Layer (type) ┃ Output Shape ┃ Param # ┃ >┡━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━┩ >│ dense_3 (Dense) │ (None, 300) │ 235,500 │ >├─────────────────────────────────┼────────────────────────┼───────────────┤ >│ dense_4 (Dense) │ (None, 10) │ 3,010 │ >└─────────────────────────────────┴────────────────────────┴───────────────┘ > Total params: 238,510 (931.68 KB) > Trainable params: 238,510 (931.68 KB) > Non-trainable params: 0 (0.00 B) >None * Обучение модели. ``` H = model300.fit(X_train, y_train, validation_split=0.1, epochs=50) ``` * Вывод графиков функции ошибки. ``` 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() ``` ![график функции ошибки](4.png) ``` scores = model300.evaluate(X_test, y_test) print('Loss on test data:', scores[0]) print('Accuracy on test data:', scores[1]) ``` >accuracy: 0.9444 - loss: 0.2126 >Loss on test data: 0.2181043177843094 >Accuracy on test data: 0.9419999718666077 * При 500 нейронах в скрытом слое. ``` model500 = Sequential() model500.add(Dense(units=500,input_dim=num_pixels, activation='sigmoid')) model500.add(Dense(units=num_classes, activation='softmax')) model500.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy']) print(model500.summary()) ``` >Model: "sequential_3" >┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━┓ >┃ Layer (type) ┃ Output Shape ┃ Param # ┃ >┡━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━┩ >│ dense_5 (Dense) │ (None, 500) │ 392,500 │ >├─────────────────────────────────┼────────────────────────┼───────────────┤ >│ dense_6 (Dense) │ (None, 10) │ 5,010 │ >└─────────────────────────────────┴────────────────────────┴───────────────┘ > Total params: 397,510 (1.52 MB) > Trainable params: 397,510 (1.52 MB) > Non-trainable params: 0 (0.00 B) >None * Обучение модели. ``` H = model500.fit(X_train, y_train, validation_split=0.1, epochs=50) ``` * Вывод графиков функции ошибки. ``` 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() ``` ![график функции ошибки](5.png) ``` scores = model500.evaluate(X_test, y_test) print('Loss on test data:', scores[0]) print('Accuracy on test data:', scores[1]) ``` >accuracy: 0.9401 - loss: 0.2261 >Loss on test data: 0.2324201464653015 >Accuracy on test data: 0.9376000165939331 Как мы видим, лучшая метрика получилась при архитектуре со 100 нейронами в скрытом слое: Ошибка на тестовых данных: 0.1930633932352066 Точность тестовых данных: 0.9473999738693237 ## 9. Добавление второго скрытого слоя. * При 50 нейронах во втором скрытом слое. ``` model10050 = Sequential() model10050.add(Dense(units=100,input_dim=num_pixels, activation='sigmoid')) model10050.add(Dense(units=50,activation='sigmoid')) model10050.add(Dense(units=num_classes, activation='softmax')) model10050.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy']) print(model10050.summary()) ``` >Model: "sequential_4" >┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━┓ >┃ Layer (type) ┃ Output Shape ┃ Param # ┃ >┡━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━┩ >│ dense_7 (Dense) │ (None, 100) │ 78,500 │ >├─────────────────────────────────┼────────────────────────┼───────────────┤ >│ dense_8 (Dense) │ (None, 50) │ 5,050 │ >├─────────────────────────────────┼────────────────────────┼───────────────┤ >│ dense_9 (Dense) │ (None, 10) │ 510 │ >└─────────────────────────────────┴────────────────────────┴───────────────┘ > Total params: 84,060 (328.36 KB) > Trainable params: 84,060 (328.36 KB) > Non-trainable params: 0 (0.00 B) >None * Обучаем модель. ``` H = model10050.fit(X_train, y_train, validation_split=0.1, epochs=50) ``` * Выводим график функции ошибки. ``` 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() ``` ![график функции ошибки](6.png) ``` scores = model10050.evaluate(X_test, y_test) print('Loss on test data:', scores[0]) print('Accuracy on test data:', scores[1]) ``` >accuracy: 0.9476 - loss: 0.1931 >Loss on test data: 0.1974852979183197 >Accuracy on test data: 0.9449999928474426 * При 100 нейронах во втором скрытом слое. ``` model100100 = Sequential() model100100.add(Dense(units=100,input_dim=num_pixels, activation='sigmoid')) model100100.add(Dense(units=100,activation='sigmoid')) model100100.add(Dense(units=num_classes, activation='softmax')) model100100.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy']) print(model100100.summary()) ``` >Model: "sequential_5" >┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━┓ >┃ Layer (type) ┃ Output Shape ┃ Param # ┃ >┡━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━┩ >│ dense_10 (Dense) │ (None, 100) │ 78,500 │ >├─────────────────────────────────┼────────────────────────┼───────────────┤ >│ dense_11 (Dense) │ (None, 100) │ 10,100 │ >├─────────────────────────────────┼────────────────────────┼───────────────┤ >│ dense_12 (Dense) │ (None, 10) │ 1,010 │ >└─────────────────────────────────┴────────────────────────┴───────────────┘ > Total params: 89,610 (350.04 KB) > Trainable params: 89,610 (350.04 KB) > Non-trainable params: 0 (0.00 B) >None * Обучаем модель. ``` H = model100100.fit(X_train, y_train, validation_split=0.1, epochs=50) ``` * Выводим график функции ошибки. ``` 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() ``` ![график функции ошибки](7.png) ``` scores = model100100.evaluate(X_test, y_test) print('Loss on test data:', scores[0]) print('Accuracy on test data:', scores[1]) ``` >accuracy: 0.9485 - loss: 0.1814 >Loss on test data: 0.18734164535999298 >Accuracy on test data: 0.9470000267028809 ## 10. Результаты исследования архитектур нейронной сети. | Количество скрытых слоев | Количество нейронов в первом скрытом слое | Количество нейронов во втором скрытом слое | Значение метрики качества классификации | |--------------------------|-------------------------------------------|--------------------------------------------|------------------------------------------| | 0 | - | - | 0.9290000200271606 | | 1 | 100 | - | 0.9473999738693237 | | 1 | 300 | - | 0.9419999718666077 | | 1 | 500 | - | 0.9376000165939331 | | 2 | 100 | 50 | 0.9449999928474426 | | 2 | 100 | 100 | 0.9470000267028809 | Анализ результатов позволяет сделать вывод, что наилучшее качество классификации (порядка 94.7%) достигается при использовании моделей с относительно простой архитектурой. Наибольшую точность показали однослойная сеть со 100 нейронами и двухслойная конфигурация с 100 и 100 нейронами соответственно. ## 11. Сохранение наилучшей модели на диск. ``` model100.save('/content/drive/MyDrive/Colab Notebooks/best_model/model100.keras') ``` * Загрузка лучшей модели с диска. ``` from keras.models import load_model model = load_model('/content/drive/MyDrive/Colab Notebooks/best_model/model100.keras') ``` ## 12. Вывод тестовых изображений и результатов распознаваний. ``` 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: ', str(np.argmax(y_test[n]))) print('NN answer: ', str(np.argmax(result))) ``` >NN output: [[3.7926259e-03 9.0994104e-07 2.0981293e-04 2.9478846e-02 2.0727816e-06 > 9.6508384e-01 7.6052487e-07 5.7595258e-05 1.0619552e-03 3.1140275e-04]] ![alt text](8.png) >Real mark: 5 >NN answer: 5 ``` n = 123 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))) ``` >NN output: [[7.6678516e-06 2.1507578e-06 2.5754166e-04 6.3994766e-04 2.8644723e-04 > 2.3038971e-04 1.0776109e-05 2.3045135e-05 9.9186021e-01 6.6818334e-03]] ![alt text](9.png) >Real mark: 8 >NN answer: 8 ## 13. Тестирование на собственных изображениях. * Загрузка 1 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() ``` ![1 изображение](10.png) * 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 2 * Тест 2 изображения. ``` from PIL import Image file2_data = Image.open('test2.png') file2_data = file2_data.convert('L') # перевод в градации серого test2_img = np.array(file2_data) ``` ``` plt.imshow(test2_img, cmap=plt.get_cmap('gray')) plt.show() ``` ![2 изображение](11.png) ``` test2_img = test2_img / 255 test2_img = test2_img.reshape(1, num_pixels) ``` ``` result_2 = model.predict(test2_img) print('I think it\'s ', np.argmax(result_2)) ``` >I think it's 8 Сеть корректно распознала цифры на изображениях. ## 14. Тестирование на повернутых изображениях. ``` from PIL import Image file90_data = Image.open('test90.png') file90_data = file90_data.convert('L') # перевод в градации серого test90_img = np.array(file90_data) plt.imshow(test90_img, cmap=plt.get_cmap('gray')) plt.show() ``` ![alt text](12.png) ``` test90_img = test90_img / 255 test90_img = test90_img.reshape(1, num_pixels) result_3 = model.predict(test90_img) print('I think it\'s ', np.argmax(result_3)) ``` >I think it's 8 ``` from PIL import Image file902_data = Image.open('test90_2.png') file902_data = file902_data.convert('L') # перевод в градации серого test902_img = np.array(file902_data) plt.imshow(test902_img, cmap=plt.get_cmap('gray')) plt.show() ``` ![alt text](13.png) ``` test902_img = test902_img / 255 test902_img = test902_img.reshape(1, num_pixels) result_4 = model.predict(test902_img) print('I think it\'s ', np.argmax(result_4)) ``` >I think it's 4 Сеть не распознала цифры на изображениях корректно.