画像データの拡張，CIFAR 10 の画像分類を行う畳み込みニューラルネットワークの学習（keras の preprocessing を用いて増強，MobileNetV2，TensorFlow データセットのCIFAR-10 データセットを使用）（Google Colaboratroy へのリンク有り）

CIFAR-10 データセット（下図）の画像分類を行う．所定の 10種類に画像分類を行うものである．その 10種類は，airplane, automobile, bird, cat, deer, dog, frog, horse, ship, truck である．

教師データとして用いる画像データのデータ拡張を行う．増量では，TensorFlow の機能を使い，画像を縦横にずらす，コントラストを変化させることを行う．前提として，このページの手順では，増量後の画像データがメモリに入り切る分量であるとしている． TensorFlow データセットのCIFAR-10 データセットを使用する． CNN としては，次のものを使用する．

MobileNetV2
arxiv: https://arxiv.org/abs/1801.04381

【目次】

Google Colaboratory での実行
Windows での実行
CIFAR-10 データセットのロード
CIFAR-10 データセットの確認
CIFAR-10 データセットの拡張
ニューラルネットワークの作成（MobileNetV2 を使用）
ニューラルネットワークの学習（MobileNetV2 を使用）

【サイト内の関連ページ】

CNN による画像分類: https://www.kkaneko.jp/ai/imclassify/index.html
別ページ »で説明手順は，データ増強のところだけが異なる．
関連の用語集: https://www.kkaneko.jp/tools/man/man.html

【関連する外部ページ】

Keras の応用のページ: https://keras.io/ja/applications/

1. Google Colaboratory での実行

Google Colaboratory のページ:

次のリンクをクリックすると，Google Colaboratory のノートブックが開く．そして，Google アカウントでログインすると，Google Colaboratory のノートブック内のコード等を編集したり再実行したりができる．編集した場合でも，他の人に影響が出たりということはない．そして，編集後のものを，各自の Google ドライブ内に保存することもできる．

https://colab.research.google.com/drive/1osVlD5wpv-pFMrIt2WgXWbTB8t5fKu9f?usp=sharing

2. Windows での実行

Python のインストール（Windows 上）

【サイト内の関連ページ】

Windows での Python 3.10，関連パッケージ，Python 開発環境のインストール（winget を使用しないインストール）: 別ページ »で説明
Windows での Anaconda3 のインストール: 別ページ »で説明
Python のまとめ: 別ページ »にまとめている．

【関連する外部ページ】 Python の公式ページ: https://www.python.org/

TensorFlow，Keras のインストール

Windows での TensorFlow，Keras のインストール: 別ページ »で説明

（このページで，Build Tools for Visual Studio 2022，NVIDIA ドライバ， NVIDIA CUDA ツールキット， NVIDIA cuDNNのインストールも説明している．）

Graphviz のインストール

Windows での Graphviz のインストール: 別ページ »で説明

numpy，matplotlib, seaborn, scikit-learn, pandas, pydot のインストール

Windows で，コマンドプロンプトを管理者として実行

コマンドプロンプトを管理者として実行: 別ページ »で説明

次のコマンドを実行する．
```
python -m pip install -U numpy matplotlib seaborn scikit-learn pandas pydot
```

3. CIFAR-10 データセットのロード

パッケージのインポート，TensorFlow のバージョン確認など

from __future__ import absolute_import, division, print_function, unicode_literals
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import backend as K 
K.clear_session()
import numpy as np
import tensorflow_datasets as tfds
from tensorflow.keras.preprocessing import image

%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')   # Suppress Matplotlib warnings

CIFAR-10 データセットのロード
tensorflow_datasets の loadで，「batch_size = -1」を指定して，一括読み込みを行っている．
```
cifar10, cifar10_info = tfds.load('cifar10', with_info = True, shuffle_files=True, as_supervised=True, batch_size = -1)
```

4. CIFAR-10 データセットの確認

データセットの中の画像を表示

MatplotLib を用いて，0 番目の画像を表示する

%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')   # Suppress Matplotlib warnings
NUM = 0
# NUM 番目の画像を表示
plt.imshow(cifar10['train'][0][NUM])

MatplotLib を用いて，複数の画像を並べて表示する．

def plot25(ds, start):
    plt.figure(figsize=(10,10))
    for i in range(25):
        plt.subplot(5,5,i+1)
        plt.xticks([])
        plt.yticks([])
        plt.grid(False)
        image, label = ds[0][i + start], ds[1][i + start]
        plt.imshow(image)
        plt.xlabel(label.numpy())
    plt.show()

plot25(cifar10['train'], 0)

データセットの情報を表示

print(cifar10_info)
print(cifar10_info.features["label"].num_classes)
print(cifar10_info.features["label"].names)

cifar10['train'] と cifar10['test'] の形と次元を確認
cifar10['train']: サイズ 32 かける 32 の 50000枚のカラー画像，50000枚のカラー画像それぞれのラベル(0 から 9 のどれか)
cifar10['test']: サイズ 32 かける 32 の 10000枚のカラー画像，10000枚のカラー画像それぞれのラベル(0 から 9 のどれか)
```
print(cifar10['train'][0].shape)
print(cifar10['train'][1].shape)
print(cifar10['test'][0].shape)
print(cifar10['test'][1].shape)
```

5. CIFAR-10 データセットの拡張

データセットの生成

ds_train, ds_test = cifar10['train'], cifar10['test']

ニューラルネットワークを使うために，データの前処理
値は，もともと int で 0 から 255 の範囲であるのを， float32 で 0　から 1 の範囲になるように前処理を行う．
```
ds_train = (ds_train[0].numpy().astype("float32") / 255., ds_train[1])
ds_test = (ds_test[0].numpy().astype("float32") / 255., ds_test[1])
```

画像データのデータ拡張を行ってみる

画像データのデータ拡張を行う．画像データは，ds_train[0] にある． TensorFlow の機能を使い，画像を縦横にずらす，コントラストを変化させることを行う． ds_train[1] にはラベルのデータが入っているとする．

結果の入る augmented_ds_train はタップル．うち１つ目は，numpy の配列．２つ目は，要素が tf.Tensor の配列．

INPUT_SHAPE = [32, 32, 3]
CROP_SIZE = 3

# 関数オブジェクトを生成
def gen_data_augmentation(seed):
    data_augmentation = tf.keras.Sequential(
        [
            tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomFlip("horizontal", input_shape=INPUT_SHAPE, seed=seed),
#            tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomContrast(factor=(0.1, 0.1), seed=seed),
#            tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomRotation(factor=(-0.2, 0.2), seed=seed),
            tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomZoom(height_factor=(-0.1, 0.1), width_factor=(-0.1, 0.1), seed=seed),
            tf.keras.layers.experimental.preprocessing.RandomTranslation(height_factor=(-0.1, 0.1), width_factor=(-0.1, 0.1), fill_mode='wrap', seed=seed)
        ]
    )
    return data_augmentation
    
# 複数画像を一括して増強
def augment_images(images, seed):
    data_augmentation = gen_data_augmentation(seed)
    a = [*map(lambda x: np.squeeze(data_augmentation(x[np.newaxis, ...], training=True), 0), images)]
    result = np.array(a)
    return result

augmented_ds_train = (augment_images(ds_train[0], seed = 0), ds_train[1])
plot25(augmented_ds_train, 0)

増量できたことの確認
```
print(augmented_ds_train[0].shape)
```

今度は，画像データのデータ拡張を行いながら，画像データを 5倍に増やす．

ここで増やした画像データは，あとで使用する

def increase_image_data(ds_train, t):
# t 倍に増やす
    x1 = augment_images(ds_train[0], 1)
    y1 = ds_train[1]
    if t > 1:
        for i in range(t - 1):
            x2 = augment_images(ds_train[0], i + 1)
            # 画像は nparray, ラベルは tf.Tensorを要素とする配列にする
            x1 = np.concatenate([x1, x2])
            y1 = tf.concat([y1, ds_train[1]], axis = 0)

    result = (x1, y1)
    return result

augmented_ds_train = increase_image_data(ds_train, 5)
plot25(augmented_ds_train, 0)

6. ニューラルネットワークの作成（MobileNetV2 を使用）

ニューラルネットワークの作成と確認とコンパイル
Keras の MobileNet を使う．「weights=None」を指定することにより，最初，重みはランダムに設定する．

オプティマイザと損失関数とメトリクスを設定する．
- Keras のオプティマイザのページ: https://keras.io/api/optimizers/
- Keras の損失関数のページ: https://keras.io/api/losses/
- Keras のメトリクスのページ: https://keras.io/api/losses/
```
NUM_CLASSES = 10
INPUT_SHAPE = [32, 32, 3]
m1 = tf.keras.applications.mobilenet.MobileNet(input_shape=INPUT_SHAPE, weights=None, classes=NUM_CLASSES)
m1.summary()
m1.compile(
    optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.001),
    loss='sparse_categorical_crossentropy',
    metrics=['sparse_categorical_crossentropy', 'accuracy']
)
```
モデルのビジュアライズ
Keras のモデルのビジュアライズについては: https://keras.io/ja/visualization/
ここでの表示で，エラーメッセージが出る場合でも，モデル自体は問題なくできていると考えられる．続行する．
```
from tensorflow.keras.utils import plot_model
import pydot
plot_model(m1)
```

7. ニューラルネットワークの学習（MobileNetV2 を使用）

使用するデータの確認

print(augmented_ds_train[0].shape)
print(augmented_ds_train[1].shape)
print(ds_test[0].shape)
print(ds_test[1].shape)

ニューラルネットワークの学習を行う

ニューラルネットワークの学習は fit メソッドにより行う．教師データを使用する．教師データを投入する．

epochs = 20
history = m1.fit(augmented_ds_train[0], augmented_ds_train[1],
                    epochs=epochs,
                    validation_data=(ds_test[0], ds_test[1]), 
                    verbose=1)

CNN による画像分類
ds_test を分類してみる．
```
print(m1.predict(ds_test[0]))
```
それぞれの数値の中で、一番大きいものはどれか？
```
m1.predict(ds_test[0]).argmax(axis=1)
```
y_test 内にある正解のラベル（クラス名）を表示する（上の結果と比べるため）
```
print(y_test[1])
```

学習曲線の確認

過学習や学習不足について確認．

import pandas as pd
hist = pd.DataFrame(history.history)
hist['epoch'] = history.epoch
print(hist)

学習曲線のプロット

過学習や学習不足について確認．

https://www.tensorflow.org/tutorials/keras/overfit_and_underfit?hl=ja で公開されているプログラムを使用

%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')   # Suppress Matplotlib warnings
def plot_history(histories, key='binary_crossentropy'):
  plt.figure(figsize=(16,10))

  for name, history in histories:
    val = plt.plot(history.epoch, history.history['val_'+key],
                   '--', label=name.title()+' Val')
    plt.plot(history.epoch, history.history[key], color=val[0].get_color(),
             label=name.title()+' Train')

  plt.xlabel('Epochs')
  plt.ylabel(key.replace('_',' ').title())
  plt.legend()

  plt.xlim([0,max(history.epoch)])


plot_history([('history', history)], key='sparse_categorical_crossentropy')

plot_history([('history', history)], key='accuracy')

データのデータ拡張を行わない場合の結果（学習曲線など）は，別ページ »で説明