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）

1. Google Colaboratory での実行

Google Colaboratory のページ:

https://colab.research.google.com/drive/1IfArIvhh-FsvJIE9YTNO8T44Qhpi0rIJ?usp=sharing

2. Windows での実行

winget install --id Python.Python.3.12 -e --scope machine --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "/quiet InstallAllUsers=1 PrependPath=1 Include_test=0 Include_pip=1 Include_launcher=1 InstallLauncherAllUsers=1 TargetDir=\"C:\Program Files\Python312\""
powershell -Command "$p='C:\Program Files\Python312'; $s=\"$p\Scripts\"; $m=[Environment]::GetEnvironmentVariable('Path','Machine'); if($m -notlike \"*$s*\") { [Environment]::SetEnvironmentVariable('Path', \"$p;$s;$m\", 'Machine') }"

python --version

Git のインストール

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。

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 --disable-interactivity --force --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "/VERYSILENT /NORESTART /NOCANCEL /SP- /CLOSEAPPLICATIONS /RESTARTAPPLICATIONS /COMPONENTS=""icons,ext\reg\shellhere,assoc,assoc_sh"" /o:PathOption=Cmd /o:CRLFOption=CRLFCommitAsIs /o:BashTerminalOption=MinTTY /o:DefaultBranchOption=main /o:EditorOption=VIM /o:SSHOption=OpenSSH /o:UseCredentialManager=Enabled /o:PerformanceTweaksFSCache=Enabled /o:EnableSymlinks=Disabled /o:EnableFSMonitor=Disabled"

【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）

1. 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」）。
2. 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

1. 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」）。
する．

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

MNIST データセットのロード

Python 3.12 のインストール

Pythonのインストールを行い、Pythonのプログラムを実行する環境を整える。扱う環境は、Windows搭載パソコンである。金子研究室では、Python 3.12.10を推奨する。

REM Python 3.12 をシステム領域にインストール
winget install --id Python.Python.3.12 -e --scope machine --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "/quiet InstallAllUsers=1 PrependPath=1 Include_test=0 Include_pip=1 Include_launcher=1 InstallLauncherAllUsers=1 TargetDir=\"C:\Program Files\Python312\""

REM Python と Scripts を PATH 先頭に追加
powershell -NoProfile -Command "$p='C:\Program Files\Python312'; $s=\"$p\Scripts\"; $c=[Environment]::GetEnvironmentVariable('Path','Machine'); if((Test-Path $p) -and (';'+$c+';' -notlike \"*;$p;*\") -and (';'+$c+';' -notlike \"*;$s;*\")){[Environment]::SetEnvironmentVariable('Path',\"$p;$s;$c\",'Machine')}"

python --version

Python の開発環境 Visual Studio Code のインストールと Python 用の設定

Python の開発環境Visual Studio Code（プログラムを編集するソフトウェア。以下、VS Code）を整える。

REM ============================================================
REM Microsoft Visual Studio Code
REM ============================================================
winget uninstall -e --id Microsoft.VisualStudioCode --silent --disable-interactivity --accept-source-agreements
rmdir /s /q C:\ProgramData\vscode-extensions 2>nul
rmdir /s /q "%APPDATA%\Code" 2>nul
rmdir /s /q "%USERPROFILE%\.vscode" 2>nul
rmdir /s /q "%LOCALAPPDATA%\Microsoft\vscode-update" 2>nul

REM VS Code をシステム領域に新規インストール
winget install --scope machine --id Microsoft.VisualStudioCode -e --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements

REM 全ユーザー共有の拡張機能フォルダ
mkdir C:\ProgramData\vscode-extensions 2>nul
icacls "C:\ProgramData\vscode-extensions" /grant "Everyone:(OI)(CI)M" /T

REM スタートメニューのショートカットを --extensions-dir 付きで再作成
rmdir /s /q "C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code" 2>nul
del "C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk" 2>nul
powershell -NoProfile -Command "$s=New-Object -ComObject WScript.Shell; $lnk=$s.CreateShortcut('C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk'); $lnk.TargetPath='C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe'; $lnk.Arguments='--extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\"'; $lnk.Save()"
REM ショートカットの検証
powershell -NoProfile -Command "$s=New-Object -ComObject WScript.Shell; $lnk=$s.CreateShortcut('C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk'); Write-Host 'TargetPath:' $lnk.TargetPath; Write-Host 'Arguments:' $lnk.Arguments"

REM ファイル / フォルダ右クリックの「Code で開く」を登録
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\*\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%1\"" /f
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\Directory\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%1\"" /f
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\Directory\Background\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%V\"" /f

REM --extensions-dir 付きで起動する code.cmd ラッパを作成
REM （%* を echo で書くと対話的 cmd で失われるため、PowerShell で [char]37+'*' を書き出す）
powershell -NoProfile -Command "$pct=[char]37; $q=[char]34; $c='@echo off'+[char]13+[char]10+$q+'C:\Program Files\Microsoft VS Code\bin\code.cmd'+$q+' --extensions-dir '+$q+'C:\ProgramData\vscode-extensions'+$q+' '+$pct+'*'+[char]13+[char]10; [IO.File]::WriteAllText('C:\ProgramData\vscode-extensions\vscode.cmd',$c,[Text.Encoding]::ASCII)"

REM 拡張機能のインストール
set "CODE=C:\Program Files\Microsoft VS Code\bin\code.cmd"
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --uninstall-extension GitHub.copilot
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --uninstall-extension GitHub.copilot-chat
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.python
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.vscode-pylance
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.debugpy
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension MS-CEINTL.vscode-language-pack-ja
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension saoudrizwan.claude-dev
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension rust-lang.rust-analyzer
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension tamasfe.even-better-toml
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension anthropic.claude-code
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension almenon.arepl
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --list-extensions --show-versions
echo === セットアップ完了 ===

1. 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 layers
   from tensorflow.keras import backend as K 
   K.clear_session()
   import numpy as np
   import tensorflow_datasets as tfds
   
   %matplotlib inline
   import matplotlib.pyplot as plt
   import warnings
   warnings.filterwarnings('ignore')   # Suppress Matplotlib warnings
   

   
2. TensorFlow データセット から MNIST データセット をロード
   • 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．

   mnist, mnist_metadata = tfds.load('mnist', with_info = True, shuffle_files=True, as_supervised=True, batch_size = -1)
   x_train, y_train, x_test, y_test = mnist['train'][0], mnist['train'][1], mnist['test'][0], mnist['test'][1]
   print(mnist_metadata)
   

   

MNIST データセットの確認

1. 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()
   

   
2. データセットの情報を表示

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

   
3. 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))
   

   
4. 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)
   

   
5. 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．

   class_names = ['T-shirt/top', 'Trouser', 'Pullover', 'Dress', 'Coat', 'Sandal', 'Shirt', 'Sneaker', 'Bag', 'Ankle boot']
   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(class_names[y_train[i]])
   
   plt.show()
   

   

Keras を用いたニューラルネットワークの作成

1. 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))
   

   
2. ニューラルネットワークの作成と確認とコンパイル

   最適化器（オプティマイザ）損失関数とメトリクスを設定する．

   • 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: 128
   • 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．

   ADAM を使う場合のプログラム例

   NUM_CLASSES = 10
   
   m = tf.keras.Sequential()
   m.add(tf.keras.layers.Flatten(input_shape=(28, 28, 1)))
   m.add(tf.keras.layers.Dense(units=128, activation='relu'))
   m.add(tf.keras.layers.Dropout(rate=0.5))
   m.add(tf.keras.layers.Dense(units=NUM_CLASSES, activation='softmax'))
   m.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.001),
                 loss='sparse_categorical_crossentropy',
                 metrics=['accuracy'])
   

   

   SGD を使う場合のプログラム例

   NUM_CLASSES = 10
   
   m = tf.keras.Sequential()
   m.add(tf.keras.layers.Flatten(input_shape=(28, 28, 1)))
   m.add(tf.keras.layers.Dense(units=128, activation='relu'))
   m.add(tf.keras.layers.Dropout(rate=0.5))
   m.add(tf.keras.layers.Dense(units=NUM_CLASSES, activation='softmax'))
   m.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.SGD(lr=0.01, momentum=0.9, nesterov=True),
             loss='sparse_categorical_crossentropy',
             metrics=['accuracy'])
   

3. ニューラルネットワークの確認表示

   print(m.summary())
   

   
4. 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

1. 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．

   EPOCHS = 50
   history = m.fit(x_train, y_train, validation_data=(x_test, y_test), verbose=2, epochs=EPOCHS)
   

   
2. ニューラルネットワークを使い，分類を行う．

   * 訓練(学習）などで乱数が使われるので，下図と違う値になる．

   predictions = m.predict(x_test)
   print(predictions[0])
   

   
3. 正解表示

   テスト画像 0 番の正解を表示

   print(y_test[0])
   

   
4. 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)
   

   
5. 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()