Lesson 11 - Convolutional Neural Nets.ipynb

{
 "cells": [
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "source": [
    "# Convolutional Neural Nets\n",
    "\n",
    "This type of neural nets are predominantly (and heavily) used in image processing.\n",
    "\n",
    "## Useful terms:\n",
    "\n",
    "1. Convolution\n",
    "2. Max pooling\n",
    "2. Softmax\n",
    "3. Cross Entropy\n",
    "\n",
    "## Further Readings:\n",
    "https://ujjwalkarn.me/2016/08/11/intuitive-explanation-convnets/"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 1,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
     "name": "stderr",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "Using Theano backend.\n"
     ]
    },
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "Extracting ./train-images-idx3-ubyte.gz\n",
      "Extracting ./train-labels-idx1-ubyte.gz\n",
      "Extracting ./t10k-images-idx3-ubyte.gz\n",
      "Extracting ./t10k-labels-idx1-ubyte.gz\n"
     ]
    }
   ],
   "source": [
    "from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data\n",
    "\n",
    "import numpy as np\n",
    "import matplotlib.pyplot as plt\n",
    "%matplotlib inline\n",
    "\n",
    "from keras.models import Sequential\n",
    "from keras.layers import Dense, Activation, Conv2D, MaxPool2D, Flatten\n",
    "\n",
    "from sklearn.preprocessing import StandardScaler\n",
    "\n",
    "from sklearn.linear_model import LogisticRegression\n",
    "\n",
    "mnist = input_data.read_data_sets('./')"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 2,
   "metadata": {
    "collapsed": true,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "x, y = mnist.train.next_batch(20)\n",
    "num_pixels = x.shape[1]\n",
    "width = 28\n",
    "height = 28"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 3,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
     "data": {
      "text/plain": [
       "(20, 784)"
      ]
     },
     "execution_count": 3,
     "metadata": {},
     "output_type": "execute_result"
    }
   ],
   "source": [
    "x.shape"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 4,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
     "data": {
      "text/plain": [
       "(20,)"
      ]
     },
     "execution_count": 4,
     "metadata": {},
     "output_type": "execute_result"
    }
   ],
   "source": [
    "y.shape"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 5,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
     "data": {
      "text/plain": [
       "array([7, 3, 4, 6, 1, 8, 1, 0, 9, 8, 0, 3, 1, 2, 7, 0, 2, 9, 6, 0], dtype=uint8)"
      ]
     },
     "execution_count": 5,
     "metadata": {},
     "output_type": "execute_result"
    }
   ],
   "source": [
    "y"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 7,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
     "data": {
      "image/png": "iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAP8AAAD8CAYAAAC4nHJkAAAABHNCSVQICAgIfAhkiAAAAAlwSFlz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\nEnv5O50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       "<matplotlib.figure.Figure at 0x7fa2d10ce0b8>"
      ]
     },
     "metadata": {},
     "output_type": "display_data"
    }
   ],
   "source": [
    "plt.imshow(x[1].reshape((28,28)),cmap='Greys')\n",
    "plt.show()"
   ]
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  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "source": [
    "## Basic logistic multiclass classification:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 9,
   "metadata": {
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    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
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      "text/plain": [
       "<matplotlib.figure.Figure at 0x7fa2d0e749b0>"
      ]
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     "output_type": "display_data"
    }
   ],
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    "plt.hist(x.ravel(),100)\n",
    "plt.show()"
   ]
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   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "x_train, y_train = mnist.train.next_batch(1000)\n",
    "x_test, y_test = mnist.test.next_batch(1000)"
   ]
  },
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   "outputs": [
    {
     "data": {
      "text/plain": [
       "LogisticRegression(C=1.0, class_weight=None, dual=False, fit_intercept=True,\n",
       "          intercept_scaling=1, max_iter=100, multi_class='ovr', n_jobs=1,\n",
       "          penalty='l2', random_state=None, solver='liblinear', tol=0.0001,\n",
       "          verbose=0, warm_start=False)"
      ]
     },
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     "output_type": "execute_result"
    }
   ],
   "source": [
    "logistic = LogisticRegression()\n",
    "#TODO: train(fit) the logistic model\n",
    "logistic.fit(x_train, y_train)"
   ]
  },
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    {
     "data": {
      "text/plain": [
       "array([7, 2, 1, 0, 4, 1, 4, 9, 6, 9], dtype=uint8)"
      ]
     },
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    }
   ],
   "source": [
    "y_pred = # TODO: predict with the logistic model\n",
    "y_pred[:10]"
   ]
  },
  {
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    "editable": true
   },
   "source": [
    "Predicting the probabilities for the first 3 images:"
   ]
  },
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    {
     "data": {
      "text/plain": [
       "array([[  5.43206045e-03,   6.41600150e-05,   4.81991694e-03,\n",
       "          1.33296617e-01,   1.20962188e-04,   3.84210471e-04,\n",
       "          2.80679706e-05,   8.48845217e-01,   5.25197830e-04,\n",
       "          6.48359023e-03],\n",
       "       [  2.84037617e-02,   5.71285866e-06,   6.31202299e-01,\n",
       "          4.44730429e-02,   1.07654460e-08,   2.58102091e-01,\n",
       "          3.60641965e-02,   6.78232280e-10,   1.74882649e-03,\n",
       "          5.76337007e-08],\n",
       "       [  1.71209857e-04,   9.28549699e-01,   1.68454544e-02,\n",
       "          1.30787773e-02,   2.82055846e-03,   4.53937143e-03,\n",
       "          9.59213815e-03,   7.95202975e-03,   1.10977136e-02,\n",
       "          5.35304822e-03]])"
      ]
     },
     "execution_count": 133,
     "metadata": {},
     "output_type": "execute_result"
    }
   ],
   "source": [
    "logistic.predict_proba(x_test[:3])"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "source": [
    "Accuracy of the predictions:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 134,
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   },
   "outputs": [
    {
     "data": {
      "text/plain": [
       "0.845"
      ]
     },
     "execution_count": 134,
     "metadata": {},
     "output_type": "execute_result"
    }
   ],
   "source": [
    "np.count_nonzero(y_pred == y_test)/len(y_test)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {
    "collapsed": true,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "source": [
    "## Keras Multilayered Perceptron (Neural Net)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 111,
   "metadata": {
    "collapsed": true,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "def train_data_generator(batch_size):\n",
    "    while(1):\n",
    "        x, y = mnist.train.next_batch(batch_size)\n",
    "        yield x, y"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "source": [
    "### Zero hidden layers"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "source": [
    "It is important to note that when we do classification problems we use the **Categorical Crossentropy Loss**. When its only two classes we can use Logistic Loss (Binary Crossentropy Loss). Finally for regression problems we use **Mean Squared Error**.\n",
    "\n",
    "The Cross Entropy loss is defined as:\n",
    "$$\\mathcal{L} = -\\frac{1}{N}\\sum_i \\mathcal{I}(y_i=1)\\log(p_{i1})+\\mathcal{I}(y_i=2)\\log(1-p_{i2})+\\cdots++\\mathcal{I}(y_i=K)\\log(1-p_{iK})$$\n",
    "where $N$ is the number of training instances, $K$ is the number of classes and $p_{ik}$ is the probability that instance $i$ belongs to $k$.\n",
    "\n",
    "Softmax takes a $D$ dimensional vector and squeezes them through a function such that we have $D$ outputs whos values are positive and sums to one.\n",
    "$$\n",
    "\\text{softmax}(\\mathbf{y})_d = \\frac{\\exp(-y_d)}{\\exp(-y_1)+...+\\exp(-y_D)}\n",
    "$$"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 126,
   "metadata": {
    "collapsed": true,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "model = Sequential()\n",
    "model.add(Dense(units=10, input_dim=num_pixels, activation='softmax'))\n",
    "model.compile(optimizer='adadelta', loss='sparse_categorical_crossentropy')"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 127,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "Epoch 1/1\n",
      "214/214 [==============================] - 1s - loss: 1.3211     \b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\n"
     ]
    },
    {
     "data": {
      "text/plain": [
       "<keras.callbacks.History at 0x7f11019deb00>"
      ]
     },
     "execution_count": 127,
     "metadata": {},
     "output_type": "execute_result"
    }
   ],
   "source": [
    "batch_size = 256\n",
    "model.fit_generator(train_data_generator(batch_size=batch_size), mnist.train.num_examples//batch_size, epochs=1)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 135,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "\r",
      "  32/1000 [..............................] - ETA: 0s"
     ]
    },
    {
     "data": {
      "text/plain": [
       "array([7, 2, 1, 0, 4, 1, 4, 9, 4, 7])"
      ]
     },
     "execution_count": 135,
     "metadata": {},
     "output_type": "execute_result"
    }
   ],
   "source": [
    "y_pred = model.predict_classes(x_test)\n",
    "y_pred[:10]"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 136,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
     "data": {
      "text/plain": [
       "0.804"
      ]
     },
     "execution_count": 136,
     "metadata": {},
     "output_type": "execute_result"
    }
   ],
   "source": [
    "np.count_nonzero(y_pred == y_test)/len(y_test)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "source": [
    "### 1 Hidden Layer"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 137,
   "metadata": {
    "collapsed": true,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "model = Sequential()\n",
    "# TODO: Do the same as above but have 1 hidden Layer"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 138,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "Epoch 1/1\n",
      "214/214 [==============================] - 1s - loss: 0.8048     \b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\n"
     ]
    },
    {
     "data": {
      "text/plain": [
       "<keras.callbacks.History at 0x7f10f57a22b0>"
      ]
     },
     "execution_count": 138,
     "metadata": {},
     "output_type": "execute_result"
    }
   ],
   "source": [
    "batch_size = 256\n",
    "model.fit_generator(train_data_generator(batch_size=batch_size), mnist.train.num_examples//batch_size, epochs=1)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 139,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "\r",
      "  32/1000 [..............................] - ETA: 0s"
     ]
    },
    {
     "data": {
      "text/plain": [
       "0.893"
      ]
     },
     "execution_count": 139,
     "metadata": {},
     "output_type": "execute_result"
    }
   ],
   "source": [
    "y_pred = model.predict_classes(x_test)\n",
    "np.count_nonzero(y_pred == y_test)/len(y_test)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 140,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "_________________________________________________________________\n",
      "Layer (type)                 Output Shape              Param #   \n",
      "=================================================================\n",
      "dense_5 (Dense)              (None, 50)                39250     \n",
      "_________________________________________________________________\n",
      "dense_6 (Dense)              (None, 10)                510       \n",
      "=================================================================\n",
      "Total params: 39,760.0\n",
      "Trainable params: 39,760\n",
      "Non-trainable params: 0.0\n",
      "_________________________________________________________________\n"
     ]
    }
   ],
   "source": [
    "model.summary()"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "source": [
    "## Convolution Neural Networks (CNN)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "source": [
    "** Points to note **\n",
    "1. One CNN, connected to **one** node above is simply a Dense layer with most weights set to zero.\n",
    "2. The same CNN, connected to multiple nodes is weight tying/ sharing.\n",
    "\n",
    "Consider the following convolution mask:\n",
    "<img src='https://ujwlkarn.files.wordpress.com/2016/07/screen-shot-2016-07-24-at-11-25-24-pm.png?w=74&h=64'>\n",
    "<img src='https://ujwlkarn.files.wordpress.com/2016/07/convolution_schematic.gif?w=536&h=392'>\n",
    "\n",
    "![](cnn.png)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 154,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "# Need to reshape the x values to a 28x28 image\n",
    "def train_data_generator(batch_size):\n",
    "    while(1):\n",
    "        x, y = mnist.train.next_batch(batch_size)\n",
    "        yield x.reshape((-1,28,28,1)), y"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 188,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "model = Sequential()\n",
    "model.add(Conv2D(32, kernel_size=(3,3), padding='same', activation='relu', input_shape = (width,height,1)))\n",
    "model.add(Flatten())\n",
    "# TODO: Add the final layer and compile the model (same as previous models last layer)"
   ]
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      "214/214 [==============================] - 17s - loss: 0.4825     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      "Epoch 2/5\n",
      "214/214 [==============================] - 20s - loss: 0.2326     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      "Epoch 3/5\n",
      "214/214 [==============================] - 22s - loss: 0.1720     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      "Epoch 4/5\n",
      "214/214 [==============================] - 23s - loss: 0.1336     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      "Epoch 5/5\n",
      "214/214 [==============================] - 25s - loss: 0.1133     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   "execution_count": 190,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      " 608/1000 [=================>............] - ETA: 0s\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b"
     ]
    },
    {
     "data": {
      "text/plain": [
       "0.969"
      ]
     },
     "execution_count": 190,
     "metadata": {},
     "output_type": "execute_result"
    }
   ],
   "source": [
    "y_pred = model.predict_classes(x_test.reshape((-1,28,28,1)))\n",
    "np.count_nonzero(y_pred == y_test)/len(y_test)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 191,
   "metadata": {
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   },
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "_________________________________________________________________\n",
      "Layer (type)                 Output Shape              Param #   \n",
      "=================================================================\n",
      "conv2d_12 (Conv2D)           (None, 28, 28, 32)        320       \n",
      "_________________________________________________________________\n",
      "flatten_6 (Flatten)          (None, 25088)             0         \n",
      "_________________________________________________________________\n",
      "dense_9 (Dense)              (None, 10)                250890    \n",
      "=================================================================\n",
      "Total params: 251,210.0\n",
      "Trainable params: 251,210.0\n",
      "Non-trainable params: 0.0\n",
      "_________________________________________________________________\n"
     ]
    }
   ],
   "source": [
    "model.summary()"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "source": [
    "### Using the max pooling layer:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 192,
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   },
   "outputs": [],
   "source": [
    "model = Sequential()\n",
    "model.add(Conv2D(32, kernel_size=(3,3), padding='same', activation='relu', input_shape = (width,height,1)))\n",
    "model.add(MaxPool2D(pool_size=(2, 2)))\n",
    "model.add(Flatten())\n",
    "model.add(Dense(10, activation='softmax'))\n",
    "model.compile(optimizer='adadelta', loss='sparse_categorical_crossentropy')"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 193,
   "metadata": {
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    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "_________________________________________________________________\n",
      "Layer (type)                 Output Shape              Param #   \n",
      "=================================================================\n",
      "conv2d_13 (Conv2D)           (None, 28, 28, 32)        320       \n",
      "_________________________________________________________________\n",
      "max_pooling2d_2 (MaxPooling2 (None, 14, 14, 32)        0         \n",
      "_________________________________________________________________\n",
      "flatten_7 (Flatten)          (None, 6272)              0         \n",
      "_________________________________________________________________\n",
      "dense_10 (Dense)             (None, 10)                62730     \n",
      "=================================================================\n",
      "Total params: 63,050.0\n",
      "Trainable params: 63,050.0\n",
      "Non-trainable params: 0.0\n",
      "_________________________________________________________________\n"
     ]
    }
   ],
   "source": [
    "model.summary()"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 194,
   "metadata": {
    "collapsed": false,
    "deletable": true,
    "editable": true
   },
   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
     "output_type": "stream",
     "text": [
      "Epoch 1/5\n",
      "214/214 [==============================] - 20s - loss: 0.6041     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      "Epoch 2/5\n",
      "214/214 [==============================] - 22s - loss: 0.2486     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      "Epoch 3/5\n",
      "214/214 [==============================] - 23s - loss: 0.1848     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      "Epoch 4/5\n",
      "214/214 [==============================] - 25s - loss: 0.1536     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      "Epoch 5/5\n",
      "214/214 [==============================] - 26s - loss: 0.1335     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      " 736/1000 [=====================>........] - ETA: 0s\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b\b"
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