ZhikharevDanS
/
is_Brigada_6
форкнуто от main/is_dnn
1
0
Форкнуть 0
Код Задачи Запросы на слияние Пакеты Проекты Релизы Вики Активность
Вы не можете выбрать более 25 тем Темы должны начинаться с буквы или цифры, могут содержать дефисы(-) и должны содержать не более 35 символов.
Ветки Теги
${ item.name }
Создать тег ${ searchTerm }
Создать ветку ${ searchTerm }
из 'main'
${ noResults }
is_Brigada_6/labworks/LW3/lab3.ipynb

739 строки
30 KiB
Plaintext
Исходник Постоянная ссылка Вина История

{
"nbformat": 4,
"nbformat_minor": 0,
"metadata": {
"colab": {
"provenance": [],
"gpuType": "T4"
},
"kernelspec": {
"name": "python3",
"display_name": "Python 3"
},
"language_info": {
"name": "python"
},
"accelerator": "GPU"
},
"cells": [
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"## Задание 1"
],
"metadata": {
"id": "oZs0KGcz01BY"
}
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 1) В среде Google Colab создали новый блокнот (notebook). Импортировали необходимые для работы библиотеки и модули."
],
"metadata": {
"id": "gz18QPRz03Ec"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# импорт модулей\n",
"import os\n",
"os.chdir('/content/drive/MyDrive/Colab Notebooks/is_lab3')\n",
"\n",
"from tensorflow import keras\n",
"from tensorflow.keras import layers\n",
"from tensorflow.keras.models import Sequential\n",
"import matplotlib.pyplot as plt\n",
"import numpy as np\n",
"from sklearn.metrics import classification_report, confusion_matrix\n",
"from sklearn.metrics import ConfusionMatrixDisplay"
],
"metadata": {
"id": "mr9IszuQ1ANG"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 2) Загрузили набор данных MNIST, содержащий размеченные изображения рукописных цифр. "
],
"metadata": {
"id": "FFRtE0TN1AiA"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# загрузка датасета\n",
"from keras.datasets import mnist\n",
"(X_train, y_train), (X_test, y_test) = mnist.load_data()"
],
"metadata": {
"id": "Ixw5Sp0_1A-w"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 3) Разбили набор данных на обучающие и тестовые данные в соотношении 60 000:10 000 элементов. Параметр random_state выбрали равным (4k – 1)=23, где k=6 –номер бригады. Вывели размерности полученных обучающих и тестовых массивов данных."
],
"metadata": {
"id": "aCo_lUXl1BPV"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# создание своего разбиения датасета\n",
"from sklearn.model_selection import train_test_split\n",
"\n",
"# объединяем в один набор\n",
"X = np.concatenate((X_train, X_test))\n",
"y = np.concatenate((y_train, y_test))\n",
"\n",
"# разбиваем по вариантам\n",
"X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y,\n",
" test_size = 10000,\n",
" train_size = 60000,\n",
" random_state = 23)\n",
"# вывод размерностей\n",
"print('Shape of X train:', X_train.shape)\n",
"print('Shape of y train:', y_train.shape)\n",
"print('Shape of X test:', X_test.shape)\n",
"print('Shape of y test:', y_test.shape)"
],
"metadata": {
"id": "BrSjcpEe1BeV"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 4) Провели предобработку данных: привели обучающие и тестовые данные к формату, пригодному для обучения сверточной нейронной сети. Входные данные принимают значения от 0 до 1, метки цифр закодированы по принципу «one-hot encoding». Вывели размерности предобработанных обучающих и тестовых массивов данных."
],
"metadata": {
"id": "4hclnNaD1BuB"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# Зададим параметры данных и модели\n",
"num_classes = 10\n",
"input_shape = (28, 28, 1)\n",
"\n",
"# Приведение входных данных к диапазону [0, 1]\n",
"X_train = X_train / 255\n",
"X_test = X_test / 255\n",
"\n",
"# Расширяем размерность входных данных, чтобы каждое изображение имело\n",
"# размерность (высота, ширина, количество каналов)\n",
"\n",
"X_train = np.expand_dims(X_train, -1)\n",
"X_test = np.expand_dims(X_test, -1)\n",
"print('Shape of transformed X train:', X_train.shape)\n",
"print('Shape of transformed X test:', X_test.shape)\n",
"\n",
"# переведем метки в one-hot\n",
"y_train = keras.utils.to_categorical(y_train, num_classes)\n",
"y_test = keras.utils.to_categorical(y_test, num_classes)\n",
"print('Shape of transformed y train:', y_train.shape)\n",
"print('Shape of transformed y test:', y_test.shape)"
],
"metadata": {
"id": "xJH87ISq1B9h"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 5) Реализовали модель сверточной нейронной сети и обучили ее на обучающих данных с выделением части обучающих данных в качестве валидационных. Вывели информацию об архитектуре нейронной сети."
],
"metadata": {
"id": "7x99O8ig1CLh"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# создаем модель\n",
"model = Sequential()\n",
"model.add(layers.Conv2D(32, kernel_size=(3, 3), activation=\"relu\", input_shape=input_shape))\n",
"model.add(layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))\n",
"model.add(layers.Conv2D(64, kernel_size=(3, 3), activation=\"relu\"))\n",
"model.add(layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))\n",
"model.add(layers.Dropout(0.5))\n",
"model.add(layers.Flatten())\n",
"model.add(layers.Dense(num_classes, activation=\"softmax\"))\n",
"\n",
"model.summary()"
],
"metadata": {
"id": "Un561zSH1Cmv"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# компилируем и обучаем модель\n",
"batch_size = 512\n",
"epochs = 15\n",
"model.compile(loss=\"categorical_crossentropy\", optimizer=\"adam\", metrics=[\"accuracy\"])\n",
"model.fit(X_train, y_train, batch_size=batch_size, epochs=epochs, validation_split=0.1)"
],
"metadata": {
"id": "q_h8PxkN9m0v"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 6) Оценили качество обучения на тестовых данных. Вывели значение функции ошибки и значение метрики качества классификации на тестовых данных."
],
"metadata": {
"id": "HL2_LVga1C3l"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# Оценка качества работы модели на тестовых данных\n",
"scores = model.evaluate(X_test, y_test)\n",
"print('Loss on test data:', scores[0])\n",
"print('Accuracy on test data:', scores[1])"
],
"metadata": {
"id": "81Cgq8dn9uL6"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 7) Подали на вход обученной модели два тестовых изображения. Вывели изображения, истинные метки и результаты распознавания."
],
"metadata": {
"id": "KzrVY1SR1DZh"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# вывод двух тестовых изображений и результатов распознавания\n",
"\n",
"for n in [3,26]:\n",
" result = model.predict(X_test[n:n+1])\n",
" print('NN output:', result)\n",
"\n",
" plt.imshow(X_test[n].reshape(28,28), cmap=plt.get_cmap('gray'))\n",
" plt.show()\n",
" print('Real mark: ', np.argmax(y_test[n]))\n",
" print('NN answer: ', np.argmax(result))"
],
"metadata": {
"id": "dbfkWjDI1Dp7"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 8) Вывели отчет о качестве классификации тестовой выборки и матрицу ошибок для тестовой выборки."
],
"metadata": {
"id": "YgiVGr5_1D3u"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# истинные метки классов\n",
"true_labels = np.argmax(y_test, axis=1)\n",
"# предсказанные метки классов\n",
"predicted_labels = np.argmax(model.predict(X_test), axis=1)\n",
"\n",
"# отчет о качестве классификации\n",
"print(classification_report(true_labels, predicted_labels))\n",
"# вычисление матрицы ошибок\n",
"conf_matrix = confusion_matrix(true_labels, predicted_labels)\n",
"# отрисовка матрицы ошибок в виде \"тепловой карты\"\n",
"display = ConfusionMatrixDisplay(confusion_matrix=conf_matrix)\n",
"display.plot()\n",
"plt.show()"
],
"metadata": {
"id": "7MqcG_wl1EHI"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 9) Загрузили, предобработали и подали на вход обученной нейронной сети собственное изображение, созданное при выполнении лабораторной работы №1. Вывели изображение и результат распознавания."
],
"metadata": {
"id": "amaspXGW1EVy"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# загрузка собственного изображения\n",
"from PIL import Image\n",
"\n",
"for name_image in ['цифра 3.png', 'цифра 6.png']:\n",
" file_data = Image.open(name_image)\n",
" file_data = file_data.convert('L') # перевод в градации серого\n",
" test_img = np.array(file_data)\n",
"\n",
" # вывод собственного изображения\n",
" plt.imshow(test_img, cmap=plt.get_cmap('gray'))\n",
" plt.show()\n",
"\n",
" # предобработка\n",
" test_img = test_img / 255\n",
" test_img = np.reshape(test_img, (1,28,28,1))\n",
"\n",
" # распознавание\n",
" result = model.predict(test_img)\n",
" print('I think it\\'s', np.argmax(result))"
],
"metadata": {
"id": "ktWEeqWd1EyF"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 10) Загрузили с диска модель, сохраненную при выполнении лабораторной работы №1. Вывели информацию об архитектуре модели. Повторили для этой модели п. 6."
],
"metadata": {
"id": "mgrihPd61E8w"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"model_lr1 = keras.models.load_model(\"model_1h100_2h50.keras\")\n",
"\n",
"model_lr1.summary()"
],
"metadata": {
"id": "DblXqn3l1FL2"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# развернем каждое изображение 28*28 в вектор 784\n",
"X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y,\n",
" test_size = 10000,\n",
" train_size = 60000,\n",
" random_state = 23)\n",
"num_pixels = X_train.shape[1] * X_train.shape[2]\n",
"X_train = X_train.reshape(X_train.shape[0], num_pixels) / 255\n",
"X_test = X_test.reshape(X_test.shape[0], num_pixels) / 255\n",
"print('Shape of transformed X train:', X_train.shape)\n",
"print('Shape of transformed X train:', X_test.shape)\n",
"\n",
"# переведем метки в one-hot\n",
"y_train = keras.utils.to_categorical(y_train, num_classes)\n",
"y_test = keras.utils.to_categorical(y_test, num_classes)\n",
"print('Shape of transformed y train:', y_train.shape)\n",
"print('Shape of transformed y test:', y_test.shape)"
],
"metadata": {
"id": "0ki8fhJrEyEt"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# Оценка качества работы модели на тестовых данных\n",
"scores = model_lr1.evaluate(X_test, y_test)\n",
"print('Loss on test data:', scores[0])\n",
"print('Accuracy on test data:', scores[1])"
],
"metadata": {
"id": "0Yj0fzLNE12k"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 11) Сравнили обученную модель сверточной сети и наилучшую модель полносвязной сети из лабораторной работы №1 по следующим показателям:\n",
"### - количество настраиваемых параметров в сети\n",
"### - количество эпох обучения\n",
"### - качество классификации тестовой выборки.\n",
"### Сделали выводы по результатам применения сверточной нейронной сети для распознавания изображений. "
],
"metadata": {
"id": "MsM3ew3d1FYq"
}
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"Таблица1:"
],
"metadata": {
"id": "xxFO4CXbIG88"
}
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"| Модель | Количество настраиваемых параметров | Количество эпох обучения | Качество классификации тестовой выборки |\n",
"|----------|-------------------------------------|---------------------------|-----------------------------------------|\n",
"| Сверточная | 34 826 | 15 | accuracy:0.990 ; loss:0.029 |\n",
"| Полносвязная | 84 062 | 50 | accuracy:0.942 ; loss:0.198 |\n"
],
"metadata": {
"id": "xvoivjuNFlEf"
}
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"#####По результатам применения сверточной НС, а также по результатам таблицы 1 делаем выводы, что сверточная НС намного лучше справляется с задачами распознования изображений, чем полносвязная - имеет меньше настраиваемых параметров, быстрее обучается, имеет лучшие показатели качества."
],
"metadata": {
"id": "YctF8h_sIB-P"
}
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"## Задание 2"
],
"metadata": {
"id": "wCLHZPGB1F1y"
}
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### В новом блокноте выполнили п. 2–8 задания 1, изменив набор данных MNIST на CIFAR-10, содержащий размеченные цветные изображения объектов, разделенные на 10 классов. \n",
"### При этом:\n",
"### - в п. 3 разбиение данных на обучающие и тестовые произвели в соотношении 50 000:10 000\n",
"### - после разбиения данных (между п. 3 и 4) вывели 25 изображений из обучающей выборки с подписями классов\n",
"### - в п. 7 одно из тестовых изображений должно распознаваться корректно, а другое – ошибочно. "
],
"metadata": {
"id": "DUOYls124TT8"
}
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 1) Загрузили набор данных CIFAR-10, содержащий цветные изображения размеченные на 10 классов: самолет, автомобиль, птица, кошка, олень, собака, лягушка, лошадь, корабль, грузовик."
],
"metadata": {
"id": "XDStuSpEJa8o"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# загрузка датасета\n",
"from keras.datasets import cifar10\n",
"\n",
"(X_train, y_train), (X_test, y_test) = cifar10.load_data()"
],
"metadata": {
"id": "y0qK7eKL4Tjy"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 2) Разбили набор данных на обучающие и тестовые данные в соотношении 50 000:10 000 элементов. Параметр random_state выбрали равным (4k – 1)=23, где k=6 –номер бригады. Вывели размерности полученных обучающих и тестовых массивов данных."
],
"metadata": {
"id": "wTHiBy-ZJ5oh"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# создание своего разбиения датасета\n",
"\n",
"# объединяем в один набор\n",
"X = np.concatenate((X_train, X_test))\n",
"y = np.concatenate((y_train, y_test))\n",
"\n",
"# разбиваем по вариантам\n",
"X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y,\n",
" test_size = 10000,\n",
" train_size = 50000,\n",
" random_state = 23)\n",
"# вывод размерностей\n",
"print('Shape of X train:', X_train.shape)\n",
"print('Shape of y train:', y_train.shape)\n",
"print('Shape of X test:', X_test.shape)\n",
"print('Shape of y test:', y_test.shape)"
],
"metadata": {
"id": "DlnFbQogKD2v"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### Вывели 25 изображений из обучающей выборки с подписью классов."
],
"metadata": {
"id": "pj3bMaz1KZ3a"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"class_names = ['airplane', 'automobile', 'bird', 'cat', 'deer',\n",
" 'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck']\n",
"\n",
"plt.figure(figsize=(10,10))\n",
"for i in range(25):\n",
" plt.subplot(5,5,i+1)\n",
" plt.xticks([])\n",
" plt.yticks([])\n",
" plt.grid(False)\n",
" plt.imshow(X_train[i])\n",
" plt.xlabel(class_names[y_train[i][0]])\n",
"plt.show()"
],
"metadata": {
"id": "TW8D67KEKhVE"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 3) Провели предобработку данных: привели обучающие и тестовые данные к формату, пригодному для обучения сверточной нейронной сети. Входные данные принимают значения от 0 до 1, метки цифр закодированы по принципу «one-hot encoding». Вывели размерности предобработанных обучающих и тестовых массивов данных."
],
"metadata": {
"id": "d3TPr2w1KQTK"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# Зададим параметры данных и модели\n",
"num_classes = 10\n",
"input_shape = (32, 32, 3)\n",
"\n",
"# Приведение входных данных к диапазону [0, 1]\n",
"X_train = X_train / 255\n",
"X_test = X_test / 255\n",
"\n",
"print('Shape of transformed X train:', X_train.shape)\n",
"print('Shape of transformed X test:', X_test.shape)\n",
"\n",
"# переведем метки в one-hot\n",
"y_train = keras.utils.to_categorical(y_train, num_classes)\n",
"y_test = keras.utils.to_categorical(y_test, num_classes)\n",
"print('Shape of transformed y train:', y_train.shape)\n",
"print('Shape of transformed y test:', y_test.shape)"
],
"metadata": {
"id": "iFDpxEauLZ8j"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 4) Реализовали модель сверточной нейронной сети и обучили ее на обучающих данных с выделением части обучающих данных в качестве валидационных. Вывели информацию об архитектуре нейронной сети."
],
"metadata": {
"id": "ydNITXptLeGT"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# создаем модель\n",
"model = Sequential()\n",
"\n",
"# Блок 1\n",
"model.add(layers.Conv2D(32, (3, 3), padding=\"same\",\n",
" activation=\"relu\", input_shape=input_shape))\n",
"model.add(layers.BatchNormalization())\n",
"model.add(layers.Conv2D(32, (3, 3), padding=\"same\", activation=\"relu\"))\n",
"model.add(layers.BatchNormalization())\n",
"model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))\n",
"model.add(layers.Dropout(0.25))\n",
"\n",
"# Блок 2\n",
"model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), padding=\"same\", activation=\"relu\"))\n",
"model.add(layers.BatchNormalization())\n",
"model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), padding=\"same\", activation=\"relu\"))\n",
"model.add(layers.BatchNormalization())\n",
"model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))\n",
"model.add(layers.Dropout(0.25))\n",
"\n",
"# Блок 3\n",
"model.add(layers.Conv2D(128, (3, 3), padding=\"same\", activation=\"relu\"))\n",
"model.add(layers.BatchNormalization())\n",
"model.add(layers.Conv2D(128, (3, 3), padding=\"same\", activation=\"relu\"))\n",
"model.add(layers.BatchNormalization())\n",
"model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))\n",
"model.add(layers.Dropout(0.4))\n",
"\n",
"model.add(layers.Flatten())\n",
"model.add(layers.Dense(128, activation='relu'))\n",
"model.add(layers.Dropout(0.5))\n",
"model.add(layers.Dense(num_classes, activation=\"softmax\"))\n",
"\n",
"\n",
"model.summary()"
],
"metadata": {
"id": "YhAD5CllLlv7"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# компилируем и обучаем модель\n",
"batch_size = 64\n",
"epochs = 50\n",
"model.compile(loss=\"categorical_crossentropy\", optimizer=\"adam\", metrics=[\"accuracy\"])\n",
"model.fit(X_train, y_train, batch_size=batch_size, epochs=epochs, validation_split=0.1)"
],
"metadata": {
"id": "3otvqMjjOdq5"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 5) Оценили качество обучения на тестовых данных. Вывели значение функции ошибки и значение метрики качества классификации на тестовых данных."
],
"metadata": {
"id": "Vv1kUHWTLl9B"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# Оценка качества работы модели на тестовых данных\n",
"scores = model.evaluate(X_test, y_test)\n",
"print('Loss on test data:', scores[0])\n",
"print('Accuracy on test data:', scores[1])"
],
"metadata": {
"id": "SaDxydiyLmRX"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 6) Подали на вход обученной модели два тестовых изображения. Вывели изображения, истинные метки и результаты распознавания."
],
"metadata": {
"id": "OdgEiyUGLmhP"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# вывод двух тестовых изображений и результатов распознавания\n",
"\n",
"for n in [3,15]:\n",
" result = model.predict(X_test[n:n+1])\n",
" print('NN output:', result)\n",
"\n",
" plt.imshow(X_test[n].reshape(32,32,3), cmap=plt.get_cmap('gray'))\n",
" plt.show()\n",
" print('Real mark: ', np.argmax(y_test[n]))\n",
" print('NN answer: ', np.argmax(result))"
],
"metadata": {
"id": "t3yGj1MlLm9H"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"### 7) Вывели отчет о качестве классификации тестовой выборки и матрицу ошибок для тестовой выборки."
],
"metadata": {
"id": "3h6VGDRrLnNC"
}
},
{
"cell_type": "code",
"source": [
"# истинные метки классов\n",
"true_labels = np.argmax(y_test, axis=1)\n",
"# предсказанные метки классов\n",
"predicted_labels = np.argmax(model.predict(X_test), axis=1)\n",
"\n",
"# отчет о качестве классификации\n",
"print(classification_report(true_labels, predicted_labels, target_names=class_names))\n",
"# вычисление матрицы ошибок\n",
"conf_matrix = confusion_matrix(true_labels, predicted_labels)\n",
"# отрисовка матрицы ошибок в виде \"тепловой карты\"\n",
"fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 6))\n",
"disp = ConfusionMatrixDisplay(confusion_matrix=conf_matrix,display_labels=class_names)\n",
"disp.plot(ax=ax, xticks_rotation=45) # поворот подписей по X и приятная палитра\n",
"plt.tight_layout() # чтобы всё влезло\n",
"plt.show()"
],
"metadata": {
"id": "od56oyyzM0nw"
},
"execution_count": null,
"outputs": []
},
{
"cell_type": "markdown",
"source": [
"#### По результатам классификации датасета CIFAR-10 созданной сверточной моделью можно сделать вывод, что она довольно неплохо справилась с задачей. Полученные метрики оценки качества имеют показатели в районе 0.85."
],
"metadata": {
"id": "RF4xK1cxamBc"
}
}
]
}
Ссылка в новой задаче View Git Blame Копировать постоянную ссылку