# Отчет по лабораторной работе 1
## Ледовской Михаил, Железнов Артем, Щипков Матвей
## Группа А-02-22
### Пункт 1

В среде GoogleColab создали новый блокнот(notebook).Импортировали необходимые для работы библиотеки и модули.
```python
from google.colab import drive
drive.mount('/content/drive')
import os
os.chdir('/content/drive/MyDrive/Colab Notebooks')
from tensorflow import keras
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import sklearn
```
### Пункт 2
Загрузили набор данных MNIST, содержащий размеченные изображения рукописных цифр.
```python
from keras.datasets import mnist
```

### Пункт 3
Разбили набор данных на обучающие и тестовые данные в соотношении 60000:10000 элементов. При разбиении параметр random_state выбрали 27.
Вывели размерности полученных обучающих и тестовых массивов данных.
```python
(X_train,y_train),(X_test,y_test)=mnist.load_data()
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=27)
#вывод размерностей
print('Shape of X train:',X_train.shape)
print('Shape of y train:',y_train.shape)
```

### Пункт 4
Вывели первые 4 элемента обучающих данных
```python

#вывод изображения
plt.imshow(X_train[1],cmap=plt.get_cmap('gray'))
plt.show()
print(y_train[1])

plt.imshow(X_train[2],cmap=plt.get_cmap('gray'))
plt.show()
print(y_train[2])

plt.imshow(X_train[3],cmap=plt.get_cmap('gray'))
plt.show()
print(y_train[3])

plt.imshow(X_train[4],cmap=plt.get_cmap('gray'))
plt.show()
print(y_train[4])
```

![photo](http://uit.mpei.ru/git/ShchipkovMY/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW1/images%20/picture1.PNG)
![photo](http://uit.mpei.ru/git/ShchipkovMY/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW1/images%20/picture2.PNG)
![photo](http://uit.mpei.ru/git/ShchipkovMY/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW1/images%20/picture3.PNG)
![photo](http://uit.mpei.ru/git/ShchipkovMY/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW1/images%20/picture4.PNG)

### Пункт 5
Провели предобработку данных: привели обучающие и тестовые данные к формату, пригодному для обучения нейронной сети.
Входные данные должны  принимать  значения  от  0  до  1, метки  цифрдолжны  быть закодированы  по  принципу  «one-hotencoding».Вывели  размерности предобработанных обучающих и тестовых массивов данных.
```python
#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
import keras.utils
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]
```

### Пункт 6
Реализовали  модель однослойной нейронной  сети  и  обучили  ее  на обучающих данных с выделением части обучающих данных в качестве валидационных. Вывели  информацию  об архитектуре нейронной  сети. Вывели график функции ошибки на обучающих и валидационных данных по эпохам.
```python
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense

model_1 = Sequential()
model_1.add(Dense(units=num_classes, input_dim=num_pixels, activation='softmax'))
model_1.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy'])
print(model_1.summary())
# Обучаем модель
H = model_1.fit(X_train, y_train, validation_split=0.1, epochs=50)
# 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()
```
![photo](http://uit.mpei.ru/git/ShchipkovMY/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW1/images%20/picture5.PNG)
### Пункт 7
Применили обученную модель к тестовым данным. Вывели значение функции ошибки и значение метрики качества классификации на тестовых данных.
```python
# Оценка качества работы модели на тестовых данных
scores = model_1.evaluate(X_test, y_test)
print('Loss on test data:', scores[0])
print('Accuracy on test data:', scores[1])
```

### Пункт 8
Добавили в модель один скрытый и провели обучение и тестирование при 100, 300, 500 нейронах в скрытом слое. По метрике качества классификации на тестовых данных выбрали наилучшее количество нейронов в скрытом слое. 

При 100 нейронах
```python
# создаем модель
model_1h100 = Sequential()
model_1h100.add(Dense(units=100, input_dim=num_pixels, activation='sigmoid'))
model_1h100.add(Dense(units=num_classes, activation='softmax'))
# компилируем модель
model_1h100.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy'])

# вывод информации об архитектуре модели
print(model_1h100.summary())

# Обучаем модель
H_1h100 = model_1h100.fit(X_train, y_train, validation_split=0.1, epochs=50)

# вывод графика ошибки по эпохам
plt.plot(H_1h100.history['loss'])
plt.plot(H_1h100.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_1h100.evaluate(X_test, y_test)
print('Loss on test data:', scores[0])
print('Accuracy on test data:', scores[1])
```
![photo](http://uit.mpei.ru/git/ShchipkovMY/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW1/images%20/picture6.PNG)

Loss on test data: 0.1981867104768753
Accuracy on test data: 0.9398000240325928

При 300 нейронах
```python
# создаем модель
model_1h300 = Sequential()
model_1h300.add(Dense(units=300, input_dim=num_pixels, activation='sigmoid'))
model_1h300.add(Dense(units=num_classes, activation='softmax'))
# компилируем модель
model_1h300.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy'])

# вывод информации об архитектуре модели
print(model_1h300.summary())

# Обучаем модель
H_1h300 = model_1h300.fit(X_train, y_train, validation_split=0.1, epochs=50)

# вывод графика ошибки по эпохам
plt.plot(H_1h300.history['loss'])
plt.plot(H_1h300.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_1h300.evaluate(X_test, y_test)
print('Loss on test data:', scores[0])
print('Accuracy on test data:', scores[1])
```
![photo](http://uit.mpei.ru/git/ShchipkovMY/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW1/images%20/picture7.PNG)

Loss on test data: 0.22451213002204895
Accuracy on test data: 0.9320999979972839


При 500 нейронах
```python
# создаем модель
model_1h500 = Sequential()
model_1h500.add(Dense(units=500, input_dim=num_pixels, activation='sigmoid'))
model_1h500.add(Dense(units=num_classes, activation='softmax'))
# компилируем модель
model_1h500.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy'])

# вывод информации об архитектуре модели
print(model_1h500.summary())

# Обучаем модель
H_1h500 = model_1h500.fit(X_train, y_train, validation_split=0.1, epochs=50)

# вывод графика ошибки по эпохам
plt.plot(H_1h500.history['loss'])
plt.plot(H_1h500.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_1h500.evaluate(X_test, y_test)
print('Loss on test data:', scores[0])
print('Accuracy on test data:', scores[1])
```
![photo](http://uit.mpei.ru/git/ShchipkovMY/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW1/images%20/picture8.PNG)

Loss on test data: 0.24226699769496918
Accuracy on test data: 0.9291999936103821


Наилучшую метрику наблюдаем при архитектуре со 100 нейронами в скрытом слое.


### Пункт 9
Добавили в наилучшую архитектуру, определенную в п. 8, второй скрытый слой и провели обучение и тестирование при 50 и 100 нейронах во втором скрытом слое.

При 50 нейронах
```python
# создаем модель
model_1h100_2h50 = Sequential()
model_1h100_2h50.add(Dense(units=100, input_dim=num_pixels, activation='sigmoid'))
model_1h100_2h50.add(Dense(units=50, activation='sigmoid'))
model_1h100_2h50.add(Dense(units=num_classes, activation='softmax'))
# компилируем модель
model_1h100_2h50.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy'])

# вывод информации об архитектуре модели
print(model_1h100_2h50.summary())

# Обучаем модель
H_1h100_2h50 = model_1h100_2h50.fit(X_train, y_train, validation_split=0.1, epochs=50)

# вывод графика ошибки по эпохам
plt.plot(H_1h100_2h50.history['loss'])
plt.plot(H_1h100_2h50.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_1h100_2h50.evaluate(X_test, y_test)
print('Loss on test data:', scores[0])
print('Accuracy on test data:', scores[1])
```

![photo](http://uit.mpei.ru/git/ShchipkovMY/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW1/images%20/picture9.PNG)

Loss on test data: 0.19637857377529144
Accuracy on test data: 0.9409000277519226

При 100 нейронах
```python
# создаем модель
model_1h100_2h100 = Sequential()
model_1h100_2h100.add(Dense(units=100, input_dim=num_pixels, activation='sigmoid'))
model_1h100_2h100.add(Dense(units=100, activation='sigmoid'))
model_1h100_2h100.add(Dense(units=num_classes, activation='softmax'))
# компилируем модель
model_1h100_2h100.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy'])

# вывод информации об архитектуре модели
print(model_1h100_2h100.summary())

# Обучаем модель
H_1h100_2h100 = model_1h100_2h100.fit(X_train, y_train, validation_split=0.1, epochs=50)

# вывод графика ошибки по эпохам
plt.plot(H_1h100_2h100.history['loss'])
plt.plot(H_1h100_2h100.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_1h100_2h100.evaluate(X_test, y_test)
print('Loss on test data:', scores[0])
print('Accuracy on test data:', scores[1])
```

![photo](http://uit.mpei.ru/git/ShchipkovMY/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW1/images%20/picture10.PNG)

Loss on test data: 0.19593027234077454
Accuracy on test data: 0.9416999816894531

### Пункт 10
Результаты исследования архитектуры нейронной сети занесли в таблицу
### Таблица с результатами тестирования нейросетевых моделей

| Количество скрытых слоёв | Количество нейронов в первом скрытом слое | Количество нейронов во втором скрытом слое | Значение метрики качества классификации |
|---------------------------|-------------------------------------------|--------------------------------------------|-----------------------------------------|
| 0                         | -                                         | -                                          |  0.9199000000953674                     |
| 1                         | 100                                       | -                                          |  0.9398000240325928                     |
|                           | 300                                       | -                                          |  0.9320999979972839                    |
|                           | 500                                       | -                                          |  0.9291999936103821                    |
| 2                         | 100                        | 50                                         |  0.9409000277519226                     |
|                           | 100                        | 100                                        |  0.9416999816894531                    |



Исходя из нашего исследования, можно сделать вывод о том, что наилучшая архитектра - это архитектура с двумя скрытыми слоями (100 нейронов на первом скрытом слое и 100 на втором).
### Пункт 11
Сохранили  наилучшую  нейронную  сеть  на  диск
```python
model_1h100_2h100.save('best_model.keras')
```

### Пункт 12
Вывели результаты тестирования модели
```python
# вывод тестового изображения и результата распознавания 1
n = 123
result = model_1h100_2h100.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)))
```

![photo](http://uit.mpei.ru/git/ShchipkovMY/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW1/images%20/picture11.PNG)

Real mark:  0
NN answer:  0

### Пункт 13
Создали собственные изображения чисел
```python

# загрузка собственного изображения
from PIL import Image
file_data = Image.open('five_v3.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()
```

![photo](http://uit.mpei.ru/git/ShchipkovMY/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW1/images%20/picture12.PNG)



```python
# предобработка
test_img = test_img / 255
test_img = test_img.reshape(1, num_pixels)
# распознавание
result = model_1h100_2h100.predict(test_img)
print('I think it\'s ', np.argmax(result))
```

I think it's  5


### Пункт 14
Создали копию нарисованных чисел и повернем их на 90 градусов. Протестируем работу нейронной сети.
```python

file_data = Image.open('three_v3_rotated.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_1h100_2h100.predict(test_img)
print('I think it\'s ', np.argmax(result))
```
![photo](http://uit.mpei.ru/git/ShchipkovMY/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW1/images%20/picture13.PNG)

I think it's  2


```python
file_data = Image.open('five_v3_rotated.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_1h100_2h100.predict(test_img)
print('I think it\'s ', np.argmax(result))
```

![photo](http://uit.mpei.ru/git/ShchipkovMY/is_dnn/raw/branch/main/labworks/LW1/images%20/picture14.PNG)

I think it's  2



Нейросеть некорректно определила повернутые изображения.