# Отчет по лабораторной работе №1 Ватьков Антон, Харисов Сергей, А-01-22 ## 1. В среде GoogleColab создали блокнот(notebook.ipynb). ``` import os os.chdir('/content/drive/MyDrive/ColabNotebooks') ``` * импорт модулей ``` from tensorflow import keras import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np import sklearn ``` ## 2. Загрузка датасета MNIST ``` from keras.datasets import mnist (X_train, y_train), (X_test, y_test) = mnist.load_data() ``` ## 3. Разбиение набора данных на обучающие и тестовые в соотношении 60000:10000 элементов. При разбиении параметр random_state выбрали равным (4k–1)=7, где k–номер бригады. Вывести размерности полученных обучающих и тестовых массивов данных. * 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 = 7) ``` * 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 элементов обучающих данных * Создаем subplot для 4 изображений ``` fig, axes = plt.subplots(1, 4, figsize=(10, 3)) for i in range(4): axes[i].imshow(X_train[i], cmap=plt.get_cmap('gray')) axes[i].set_title(f'Label: {y_train[i]}') # Добавляем метку как заголовок plt.show() ``` ![отображение элементов](p_4.png) ## 5. Предобработка данных * 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('ShapeoftransformedXtrain:', X_train.shape) ``` > ShapeoftransformedXtrain: (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 ``` * 6.1. создаем модель - объявляем ее объектом класса Sequential ``` model_1 = Sequential() ``` * 6.2. Добавляем первый(последний) слой ``` model_1.add(Dense(units=num_classes, input_dim = num_pixels, activation='softmax')) ``` * 6.3. компилируем модель ``` model_1.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy']) ``` * вывод информации об архитектуре модели ``` print(model_1.summary()) ``` > Model: "sequential" >┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━┓ >┃ Layer (type) ┃ Output Shape ┃ Param # ┃ >┡━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━┩ >│ dense (Dense) │ (None, 10) │ 7,850 │ >└─────────────────────────────────┴────────────────────────┴───────────────┘ > Total params: 7,850 (30.66 KB) > Trainable params: 7,850 (30.66 KB) > Non-trainable params: 0 (0.00 B) * Обучаем модель ``` H = model_1.fit(X_train, y_train, batch_size=512, validation_split=0.1, epochs=50) ``` ##7.Применить обученную модель к тестовым данным. Вывести значение функции ошибки и значение метрики качества классификации на тестовых данных * 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() ``` ![график функции ошибки](p_7.png) ``` scores = model_1.evaluate(X_test, y_test) print('Loss on test data:', scores[0]) print('Accuracy on test data:', scores[1]) ``` > accuracy: 0.8953 - loss: 0.3909 > Loss on test data: 0.39573559165000916 > Accuracy on test data: 0.8945000171661377 ## 8. Добавили один скрытый слой и повторили п. 6-7 * при 100 нейронах в скрытом слое ``` model_1h100 = Sequential() model_1h100.add(Dense(units=100, input_dim = num_pixels, activation='sigmoid')) model_1h100.add(Dense(units=num_classes, activation='sigmoid')) model_1h100.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy']) print(model_1h100.summary()) ``` >Model: "sequential_2" >┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━┓ >┃ Layer (type) ┃ Output Shape ┃ Param # ┃ >┡━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╇━━━━━━━━━━━━━━━┩ >│ dense_3 (Dense) │ (None, 100) │ 78,500 │ >├─────────────────────────────────┼────────────────────────┼───────────────┤ >│ dense_4 (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) * Обучаем модель ``` H = model_1h100.fit(X_train, y_train, batch_size=1024, validation_split=0.1, epochs=500) ``` * Выводим график функции 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() ``` ![график функции ошибки](p_8_100.png) ``` scores = model_1h100.evaluate(X_test, y_test) print('Loss on test data:', scores[0]) #значение функции ошибки print('Accuracy on test data:',scores[1]) #значение метрики качества ``` > - accuracy: 0.9104 - loss: 0.3070 >Loss on test data: 0.3079969584941864 >Accuracy on test data: 0.9118000268936157 * при 300 нейронах в скрытом слое ``` model_1h300 = Sequential() model_1h300.add(Dense(units=300, input_dim = num_pixels, activation='sigmoid')) model_1h300.add(Dense(units=num_classes, activation='sigmoid')) model_1h300.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy']) print(model_1h300.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) * Обучаем модель ``` H = model_1h300.fit(X_train, y_train, batch_size=1024, validation_split=0.1, epochs=500) ``` * Выводим график функции 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() ``` ![график функции ошибки](p_8_300.png) ``` scores = model_1h300.evaluate(X_test, y_test) print('Loss on test data:', scores[0]) print('Accuracy on test data:', scores[1]) ``` > - accuracy: 0.9069 - loss: 0.3160 >Loss on test data: 0.31613972783088684 >Accuracy on test data: 0.9088000059127808 * при 500 нейронах в скрытом слое ``` model_1h500 = Sequential() model_1h500.add(Dense(units=500, input_dim = num_pixels, activation='sigmoid')) model_1h500.add(Dense(units=num_classes, activation='sigmoid')) model_1h500.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy']) print(model_1h500.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) * Обучаем модель ``` H = model_1h500.fit(X_train, y_train, batch_size=1024, validation_split=0.1, epochs=500) ``` * Выводим график функции 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() ``` ![график функции ошибки](p_8_500.png) ``` scores = model_1h500.evaluate(X_test, y_test) print('Loss on test data:', scores[0]) print('Accuracy on test data:', scores[1]) ``` > - accuracy: 0.9057 - loss: 0.3181 >Loss on test data: 0.31842654943466187 >Accuracy on test data: 0.9065999984741211 * Как мы видим, лучшая метрика получилась равной 0.9465000033378601 при архитектуре со 100 нейронами в скрытом слое, поэтому для дальнейших пунктов используем ее. ## 9. Добавили второй скрытый слой * при 50 нейронах во втором скрытом слое ``` 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='sigmoid')) model_1h100_2h50.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy']) print(model_1h100_2h50.summary()) ``` > Архитектура нейронной сети: >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) * Обучаем модель ``` H = model_1h100_2h50.fit(X_train, y_train, batch_size=1024, validation_split=0.1, epochs=500) ``` * 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](p_9_50.png) ``` scores = model_1h100_2h50.evaluate(X_test, y_test) print('Loss on test data:', scores[0]) print('Accuracy on test data:', scores[1]) ``` > - accuracy: 0.8993 - loss: 0.3454 >Lossontestdata: 0.34858080744743347 >Accuracyontestdata: 0.901199996471405 * при 100 нейронах во втором скрытом слое ``` 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='sigmoid')) model_1h100_2h100.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy']) print(model_1h100_2h100.summary()) ``` > Архитектура нейронной сети: >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) ' * Обучаем модель ``` H = model_1h100_2h100.fit(X_train, y_train, batch_size=1024, validation_split=0.1, epochs=500) ``` * 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](p_9_100.png) ``` scores = model_1h100_2h100.evaluate(X_test, y_test) print('Loss on test data:', scores[0]) print('Accuracy on test data:', scores[1]) ``` > - accuracy: 0.9014 - loss: 0.3374 >Lossontestdata: 0.33766087889671326 >Accuracyontestdata: 0.902400016784668 Количество Количество нейронов в Количество нейронов во Значение метрики скрытых слоев первом скрытом слое втором скрытом слое качества классификации 0 - - 0.890999972820282 1 100 - 0.9118000268936157 1 300 - 0.9088000059127808 1 500 - 0.9065999984741211 2 100 50 0.901199996471405 2 100 100 0.902400016784668 По результатам исследования видно, что модель без скрытых слоев показала себя хуже, чем модели, имеющие скрытые слои. В случае с 1 скрытым слоем лучший результат у модели со 100 нейронами в скрытом слое. При увеличении количества нейронов, качество классификации ухудшается, а время на обучение возрастает. ## 11. Сохранение наилучшей модели на диск ``` model_1h100.save('/content/drive/MyDrive/ColabNotebooks/best_model.keras') ``` ## 12. Вывод тестовых изображений и результатов распознаваний ``` n=123 result = model_1h100.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('Realmark:', str(np.argmax(y_test[n]))) print('NN answer:', str(np.argmax(result))) ``` > NN output: [[0.66835254 0.09272018 0.81127024 0.21817371 0.3535489 0.9175721 > 0.99955636 0.00149954 0.8021261 0.19185443]] ![alt text](p_11.png) >Real mark: 6 >NN answer: 6 ``` n=456 result = model_1h100.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('Realmark:', str(np.argmax(y_test[n]))) print('NN answer:', str(np.argmax(result))) ``` > NN output: [[0.08515459 0.00697097 0.8648257 0.989508 0.1854792 0.2720432 > 0.00732216 0.9988655 0.12480782 0.97128534]] ![alt text](p_11_2.png) >Real mark: 7 >NN answer: 7 ## 12. Тестирование на собственных изображениях * загрузка 1 собственного изображения ``` from PIL import Image file_data = Image.open('2.png') file_data = file_data.convert('L') # перевод в градации серого test_img_2 = np.array(file_data) ``` * вывод собственного изображения ``` plt.imshow(test_img_2, cmap = plt.get_cmap('gray')) plt.show() ``` * предобработка ``` test_img_2 = test_img_2 /255 test_img_2 = test_img_2.reshape(1, num_pixels) ``` * распознавание ``` result = model_1h100.predict(test_img_2) print('I think it is', np.argmax(result)) ``` ![1 изображение](2.png) > I think it's 2 * тест 2 изображения ``` file_data = Image.open('9.png') file_data = file_data.convert('L') # перевод в градации серого test_img_9 = np.array(file_data) plt.imshow(test_img_9, cmap = plt.get_cmap('gray')) plt.show() test_img_9 = test_img_9 /255 test_img_9 = test_img_9.reshape(1, num_pixels) result = model_1h100.predict(test_img_9) print('I think it is', np.argmax(result)) ``` ![2 изображение](9.png) > I think it's 3 Сеть ошиблась только при распозновании второго изображения, но, глядя на вторую картинку, можно сказать, что она отдаленно напоминает тройку ## 14. Тестирование на собственных повернутых изображениях * загрузка собственного изображения ``` file_data = Image.open('9_turn.png') file_data = file_data.convert('L') # перевод в градации серого test_img_9_turn = np.array(file_data) ``` * вывод собственного изображения ``` plt.imshow(test_img_9_turn, cmap = plt.get_cmap('gray')) plt.show() ``` * предобработка ``` test_img_9_turn = test_img_9_turn /255 test_img_9_turn = test_img_9_turn.reshape(1, num_pixels) ``` * распознование ``` result = model_1h100.predict(test_img_9_turn) print('I think it is', np.argmax(result)) ``` ![alt text](9_turn.png) > I think it's 1 * загрузка собственного изображения ``` file_data = Image.open('2_turn.png') file_data = file_data.convert('L') # перевод в градации серого test_img_2_turn = np.array(file_data) ``` * вывод собственного изображения ``` plt.imshow(test_img_2_turn, cmap = plt.get_cmap('gray')) plt.show() ``` * предобработка ``` test_img_2_turn = test_img_2_turn /255 test_img_2_turn = test_img_2_turn.reshape(1, num_pixels) ``` * распознование ``` result = model_1h100.predict(test_img_2_turn) print('I think it is', np.argmax(result)) ``` ![alt text](2_turn.png) > I think it's 1 При повороте изображений сеть не распознала цифры правильно. Так как она не обучалась на повернутых изображениях.