Fashion MNIST データセットによる学習と分類（TensorFlow データセット，TensorFlow，Python を使用）（Windows 上，Google Colaboratroy の両方を記載）

ニューラルネットワークの作成，学習，データの分類を行う． TensorFlow データセットのFashion MNIST データセットを使用する．

【目次】

Google Colaboratory での実行
Windows での実行
Fashion MNIST データセットのロード
Fashion MNIST データセットの確認
Keras を用いたニューラルネットワークの作成
ニューラルネットワークの学習と検証

説明資料: [パワーポイント]

【サイト内の関連ページ】

関連の用語集: https://www.kkaneko.jp/tools/man/man.html

【関連する外部ページ】

「https://keras.io/ja/」の「30 秒で Keras に入門しましょう」
TensorFlow のチュートリアルの Web ページ: https://www.tensorflow.org/tutorials/quickstart
TensorFlow のチュートリアルの Web ページに記載のソースコードを使用している．

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/1D0r9WthikzMLWCVCBgLRFXjMkCg17kQs?usp=sharing

2. Windows での実行

Python 3.12 のインストール（Windows 上） [クリックして展開]

以下のいずれかの方法で Python 3.12 をインストールする。Python がインストール済みの場合、この手順は不要である。

方法1：winget によるインストール

管理者権限のコマンドプロンプトで以下を実行する。管理者権限のコマンドプロンプトを起動するには、Windows キーまたはスタートメニューから「cmd」と入力し、表示された「コマンドプロンプト」を右クリックして「管理者として実行」を選択する。

winget install -e --id Python.Python.3.12 --scope machine --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "/quiet InstallAllUsers=1 PrependPath=1 AssociateFiles=1 InstallLauncherAllUsers=1"

--scope machine を指定することで、システム全体（全ユーザー向け）にインストールされる。このオプションの実行には管理者権限が必要である。インストール完了後、コマンドプロンプトを再起動すると PATH が自動的に設定される。

方法2：インストーラーによるインストール

Python 公式サイト（https://www.python.org/downloads/）にアクセスし、「Download Python 3.x.x」ボタンから Windows 用インストーラーをダウンロードする。
ダウンロードしたインストーラーを実行する。
初期画面の下部に表示される「Add python.exe to PATH」に必ずチェックを入れてから「Customize installation」を選択する。このチェックを入れ忘れると、コマンドプロンプトから python コマンドを実行できない。
「Install Python 3.xx for all users」にチェックを入れ、「Install」をクリックする。

インストールの確認

コマンドプロンプトで以下を実行する。

python --version

バージョン番号（例：Python 3.12.x）が表示されればインストール成功である。「'python' は、内部コマンドまたは外部コマンドとして認識されていません。」と表示される場合は、インストールが正常に完了していない。

Git のインストール

以下のコマンドを管理者権限のコマンドプロンプトで実行する（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。管理者権限は、wingetの--scope machineオプションでシステム全体にソフトウェアをインストールするために必要となる。

REM Git をシステム領域にインストール
winget install --scope machine --id Git.Git -e --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements
REM Git のパス設定
set "GIT_PATH=C:\Program Files\Git\cmd"
for /f "skip=2 tokens=2*" %a in ('reg query "HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\Environment" /v Path') do set "SYSTEM_PATH=%b"
if exist "%GIT_PATH%" (
    echo "%SYSTEM_PATH%" | find /i "%GIT_PATH%" >nul
    if errorlevel 1 setx PATH "%GIT_PATH%;%SYSTEM_PATH%" /M >nul
)

【関連する外部ページ】

Git の公式ページ: https://git-scm.com/

TensorFlow 2.10.1 のインストール（Windows 上）

以下の手順を管理者権限のコマンドプロンプトで実行する（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。

TensorFlow 2.10.1 のインストール（Windows 上）

次のコマンドを実行することにより，TensorFlow 2.10.1 および関連パッケージ（tf_slim，tensorflow_datasets，tensorflow-hub，Keras，keras-tuner，keras-visualizer）がインストール（インストール済みのときは最新版に更新）される．そして，Pythonライブラリ（Pillow, pydot, matplotlib, seaborn, pandas, scipy, scikit-learn, scikit-learn-intelex, opencv-python, opencv-contrib-python）がインストール（インストール済みのときは最新版に更新）される．

python -m pip uninstall -y protobuf tensorflow tensorflow-cpu tensorflow-gpu tensorflow-intel tensorflow-text tensorflow-estimator tf-models-official tf_slim tensorflow_datasets tensorflow-hub keras keras-tuner keras-visualizer
python -m pip install -U protobuf tensorflow==2.10.1 tf_slim tensorflow_datasets==4.8.3 tensorflow-hub tf-keras keras keras_cv keras-tuner keras-visualizer
python -m pip install git+https://github.com/tensorflow/docs
python -m pip install git+https://github.com/tensorflow/examples.git
python -m pip install git+https://www.github.com/keras-team/keras-contrib.git
python -m pip install -U pillow pydot matplotlib seaborn pandas scipy scikit-learn scikit-learn-intelex opencv-python opencv-contrib-python

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

次のコマンドを管理者権限のコマンドプロンプトで実行する（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。

python -m pip install -U numpy matplotlib seaborn scikit-learn pandas pydot

Fashion MNIST データセットのロード

Fashion MNIST データセットのロード
- x_train: サイズ 28 × 28 の 60000枚の濃淡画像
- y_train: 60000枚の濃淡画像それぞれの,種類番号(0 から 9 のどれか)
- x_test: サイズ 28 × 28 の 10000枚の濃淡画像
- y_test: 10000枚の濃淡画像それぞれの,種類番号(0 から 9 のどれか)
結果は，TensorFlow の Tensor である．
type は型，shape はサイズ，np.max と np.mi は最大値と最小値．
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．
```
fashion_mnist, fashion_mnist_metadata = tfds.load('fashion_mnist', with_info = True, shuffle_files=True, as_supervised=True, batch_size = -1)
x_train, y_train, x_test, y_test = fashion_mnist['train'][0], fashion_mnist['train'][1], fashion_mnist['test'][0], fashion_mnist['test'][1]
print(fashion_mnist_metadata)
```

Fashion MNIST データセットの確認

型と形と最大値と最小値の確認

print(type(x_train), x_train.shape, np.max(x_train), np.min(x_train))
print(type(x_test), x_test.shape, np.max(x_test), np.min(x_test))
print(type(y_train), y_train.shape, np.max(y_train), np.min(y_train))
print(type(y_test), y_test.shape, np.max(y_test), np.min(y_test))

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

NUM = 0
plt.figure()
plt.imshow(x_train[NUM,:,:,0], cmap='gray')
plt.colorbar()
plt.gca().grid(False)
plt.show()

データセットの情報を表示

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

主成分分析の結果である主成分スコアのプロット

x_train, x_test は主成分分析で２次元にマッピング， y_train, y_test は色．

import pandas as pd
import seaborn as sns
sns.set()
import sklearn.decomposition
# 主成分分析
def prin(A, n):
    pca = sklearn.decomposition.PCA(n_components=n)
    return pca.fit_transform(A)

# 主成分分析で２つの成分を得る
def prin2(A):
    return prin(A, 2)

# M の最初の2列を，b で色を付けてプロット
def scatter_plot(M, b, alpha):
    a12 = pd.DataFrame( M[:,0:2], columns=['a1', 'a2'] )
    a12['target'] = b
    sns.scatterplot(x='a1', y='a2', hue='target', data=a12, palette=sns.color_palette("hls", np.max(b) + 1), legend="full", alpha=alpha)

# 主成分分析プロット
def pcaplot(A, b, alpha):
    scatter_plot(prin2(A), b, alpha)

pcaplot(np.reshape(x_train, (x_train.shape[0], -1)), y_train, 0.1)

pcaplot(np.reshape(x_test, (x_test.shape[0], -1)), y_test, 0.1)

Keras を用いたニューラルネットワークの作成

x_train, x_test, y_train, y_test の numpy ndarray への変換と，値の範囲の調整（値の範囲が 0 〜 255 であるのを，0 〜 1 に調整）

x_train = x_train.numpy().astype("float32") / 255.0
x_test = x_test.numpy().astype("float32") / 255.0
y_train = y_train.numpy()
y_test = y_test.numpy()
print(type(x_train), x_train.shape, np.max(x_train), np.min(x_train))
print(type(x_test), x_test.shape, np.max(x_test), np.min(x_test))
print(type(y_train), y_train.shape, np.max(y_train), np.min(y_train))
print(type(y_test), y_test.shape, np.max(y_test), np.min(y_test))

データの確認表示

MatplotLib を用いて，複数の画像を並べて表示する．

plt.style.use('default')
plt.figure(figsize=(10,10))
for i in range(25):
  plt.subplot(5,5,i+1)
  plt.xticks([])
  plt.yticks([])
  plt.grid(False)
  plt.imshow(x_train[i], cmap=plt.cm.binary)
  plt.xlabel(y_train[i])

plt.show()

モデルの作成と確認
- ニューラルネットワークの種類：層構造 (Sequential Model)
- ニューラルネットワークの構成
  - Flatten の層: 画像（28かける28）を 1次元の配列に変換する．
  - １層目: Dense（全結合），ニューロン（ユニット）の個数: 64
  - ２層目: Dense（全結合），ニューロン（ユニット）の個数: 10
  - ２層目のニューロン（ユニット）の種類: softmax
  - １番目のDense の層と２番目のDense の層の間の結合については，ドロップアウトを行う．
```
num_classes = 10
input_shape = (28, 28)
m = tf.keras.Sequential(
    [
        tf.keras.Input(shape=input_shape),
        layers.Flatten(),
        layers.Dense(units=64, activation='relu'),
        layers.Dropout(0.5),
        layers.Dense(units=num_classes, activation='softmax')
    ]
)
print(m.summary())
```
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(m)
```

ニューラルネットワークの学習と検証

コンパイル，学習を行う

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/

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
m.compile(
    optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.001),
    loss='sparse_categorical_crossentropy',
    metrics=['sparse_categorical_crossentropy', 'accuracy']
)
history = m.fit(x_train, y_train,
                    batch_size=128,
                    epochs=EPOCHS,
                    validation_data=(x_test, y_test),
                    verbose=1)

SGD を使う場合のプログラム例

m.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.SGD(lr=0.01, momentum=0.9, nesterov=True),
          loss='sparse_categorical_crossentropy',
          metrics=['accuracy'])

ディープラーニングによるデータの分類
x_test を分類してみる．
```
print(m.predict(x_test))
```
それぞれの数値の中で、一番大きいものはどれか？
```
m.predict(x_test).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)
```

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

【関連する外部ページ】訓練の履歴の可視化については，https://keras.io/ja/visualization/

学習時と検証時の，損失の違い

acc = history.history['accuracy']
val_acc = history.history['val_accuracy']
loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']

epochs = range(1, len(acc) + 1)

# "bo" は青いドット
plt.plot(epochs, loss, 'bo', label='Training loss')
# ”b" は青い実線
plt.plot(epochs, val_loss, 'b', label='Validation loss')
plt.title('Training and validation loss')
plt.xlabel('Epochs')
plt.ylabel('Loss')
plt.legend()

plt.show()

学習時と検証時の，精度の違い

acc = history.history['accuracy']
val_acc = history.history['val_accuracy']
loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']

plt.clf()   # 図のクリア
plt.plot(epochs, acc, 'bo', label='Training acc')
plt.plot(epochs, val_acc, 'b', label='Validation acc')
plt.title('Training and validation accuracy')
plt.xlabel('Epochs')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.legend()

plt.show()