MNIST (база данных)
База данных MNIST (сокращение от «Modified National Institute of Standards and Technology») — объёмная база данных образцов рукописного написания цифр. База данных является стандартом, предложенным Национальным институтом стандартов и технологий США с целью калибрации и сопоставления методов распознавания изображений с помощью машинного обучения в первую очередь на основе нейронных сетей[1][2]. Данные состоят из заранее подготовленных примеров изображений, на основе которых проводится обучение и тестирование систем[3][4]. База данных была создана после переработки оригинального набора чёрно-белых образцов размером 20x20 пикселей NIST. Создатели базы данных NIST, в свою очередь, использовали набор образцов из Бюро переписи населения США, к которому были добавлены ещё тестовые образцы, написанные студентами американских университетов[5]. Образцы из набора NIST были нормализированы, прошли сглаживание и приведены к серому полутоновому изображению размером 28x28 пикселей[5].
База данных MNIST содержит 60000 изображений для обучения и 10000 изображений для тестирования[6]. Половина образцов для обучения и тестирования были взяты из набора NIST для обучения, а другая половина — из набора NIST для тестирования[7].
Производились многочисленные попытки достичь минимальной ошибки после обучения по базе данных MNIST, которые обсуждались в научной литературе. Рекордные результаты указывались в публикациях, посвящённых использованию свёрточных нейронных сетей, уровень ошибки был доведён до 0,23 %[8]. Сами создатели базы данных предусмотрели несколько методов тестирования[5]. В оригинальной работе указывается, что использование метода опорных векторов позволяет достичь уровня ошибки 0,8 %[9].
Качество результата и развитие подходов
[править | править код]В некоторых работах отмечают высокие результаты систем, построенных на ансамблях из нескольких нейронных сетей; при этом качество распознавания цифр для базы MNIST оказывается сравнимым с уровнем человека, а для других задач распознавания, в частности, для дорожных знаков — даже в два раза лучше[8].
На оригинальных страницах создателей[5] отмечаются ошибки в 12 % при использовании простых линейных классификаторов без предварительной обработки[9].
В 2004 году система LIRA, использующая трёхслойный перцептрон Розенблатта, получила уровень ошибки 0,42 %[10].
Проводились исследование на обучении по системе MNIST с использованием случайных искажений. В качестве искажений вводились аффинные или упругие преобразования[5]. Иногда такие системы достигали хороших показателей, в частности имеются публикации про уровень ошибки 0,39 %[11].
В 2011 был достигнут уровень ошибок 0,27 % при использовании нейронных сетей[12]. В 2013 появились публикации о достижении ошибки 0,21 %, используя регуляризацию нейронных сетей (через разрывы соединений DropConnect)[13].
Позднее применение одиночной свёрточной нейронной сети позволило улучшить качество до уровня ошибки 0,31 %[14]. Самый лучший результат на одиночной свёрточной нейронной сети показала система, полученная после 74 эпох обучения — 0,27 %[15]. Однако ансамбль из пяти свёрточных нейронных сетей позволил добиться 0,21%-го уровня ошибок[16][17]. В 2018 году исследователи, использующие Random Multimodel Deep Learning (RMDL), сообщили об ошибке в размере 0,18 процента, улучшив предыдущий наилучший результат: новый ансамбль, метод глубокого обучения для классификации [18].
Сопоставление систем
[править | править код]В таблице собраны примеры результатов машинного обучения в различных системах классификации изображений:[19]
| Тип | Структура | Искажения | Предварительная обработка | Ошибка (%) |
|---|---|---|---|---|
| Линейный классификатор | Одноуровневый перцептрон | Нет | Нет | 12[8] |
| Линейный классификатор | Попарный линейный классификатор | Нет | Выравнивание | 7.6[9] |
| Метод k ближайших соседей | K-NN с нелинейной деформацией (P2DHMDM) | Нет | Shiftable edges | 0.52[20] |
| Gradient boosting | Обработка остатков на базе признаков Хаара | Нет | Признаки Хаара | 0.87[21] |
| Нелинейный классификатор | 40 PCA + квадратичный классификатор | Нет | Нет | 3.3[9] |
| Метод опорных векторов | Виртуальная система опорных векторов, deg-9 poly, 2-pixel jittered | Нет | Выравнивание | 0.56[22] |
| Нейронная сеть | 2-уровневая сеть 784-800-10 | Нет | Нет | 1.6[23] |
| Нейронная сеть | 2-уровневая сеть 784-800-10 | Упругие деформации | Нет | 0.7[23] |
| Глубокая нейронная сеть | 6-уровневая сеть 784-2500-2000-1500-1000-500-10 | Упругие деформации | Нет | 0.35[24] |
| Свёрточная нейронная сеть | 6-уровневая сеть 784-40-80-500-1000-2000-10 | Нет | Расширение данных для обучения | 0.31[14] |
| Свёрточная нейронная сеть | 6-уровневая сеть 784-50-100-500-1000-10-10 | Нет | Расширение данных для обучения | 0.27[15] |
| Свёрточная нейронная сеть | Ансамбль из 35 CNN-сетей, 1-20-P-40-P-150-10 | Упругие деформации | С нормализацией | 0.23[8] |
| Свёрточная нейронная сеть | Ансамбль из 5 CNN-сетей, 6-уровней 784-50-100-500-1000-10-10 | Нет | Расширение данных для обучения | 0.21[16] |
| Случайное мультимодельное глубокое обучение (RMDL) | 30 моделей случайного глубокого обучения (RDL) (10 CNN, 10 RNN и 10 DNN) | Нет | Нет | 0.18[18] |
См. также
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ Support vector machines speed pattern recognition - Vision Systems Design. Vision Systems Design. Дата обращения: 17 августа 2013. Архивировано 21 сентября 2013 года.
- ↑ Gangaputra, Sachin Handwritten digit database. Дата обращения: 17 августа 2013. Архивировано 21 сентября 2013 года.
- ↑ Qiao, Yu THE MNIST DATABASE of handwritten digits (2007). Дата обращения: 18 августа 2013. Архивировано 11 февраля 2018 года.
- ↑ Platt, John C. Using analytic QP and sparseness to speed training of support vector machines (англ.) // Advances in Neural Information Processing Systems : journal. — 1999. — P. 557—563. Архивировано 4 марта 2016 года.
- ↑ 1 2 3 4 5 LeCun, Yann MNIST handwritten digit database, Yann LeCun, Corinna Cortes and Chris Burges. Дата обращения: 17 августа 2013. Архивировано 7 апреля 2021 года.
- ↑ Kussul, Ernst; Tatiana Baidyk. Improved method of handwritten digit recognition tested on MNIST database (англ.) // Image and Vision Computing : journal. — 2004. — Vol. 22, no. 12. — P. 971—981. — doi:10.1016/j.imavis.2004.03.008.
- ↑ Zhang, Bin; Sargur N. Srihari. Fast k -Nearest Neighbor Classification Using Cluster-Based Trees (англ.) // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence[англ.] : journal. — 2004. — Vol. 26, no. 4. — P. 525—528. — doi:10.1109/TPAMI.2004.1265868. — PMID 15382657. Архивировано 25 июля 2021 года.
- ↑ 1 2 3 4 Cires¸an, Dan; Ueli Meier; Jürgen Schmidhuber. Multi-column deep neural networks for image classification (англ.) // 2012 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition : journal. — 2012. — P. 3642—3649. — ISBN 978-1-4673-1228-8. — doi:10.1109/CVPR.2012.6248110. — arXiv:1202.2745. Архивировано 17 октября 2016 года.
- ↑ 1 2 3 4 LeCun, Yann; Léon Bottou; Yoshua Bengio; Patrick Haffner. Gradient-Based Learning Applied to Document Recognition (англ.) // Proceedings of the IEEE 86 : journal. — 1998. — Vol. 86, no. 11. — P. 2278—2324. — doi:10.1109/5.726791. Архивировано 30 ноября 2016 года.
- ↑ Kussul, Ernst; Tatiana Baidyk. Improved method of handwritten digit recognition tested on MNIST database (англ.) // Image and Vision Computing : journal. — 2004. — Vol. 22. — P. 971—981. — doi:10.1016/j.imavis.2004.03.008. Архивировано 21 сентября 2013 года.
- ↑ Ranzato, Marc’Aurelio; Christopher Poultney; Sumit Chopra; Yann LeCun. Efficient Learning of Sparse Representations with an Energy-Based Model (англ.) // Advances in Neural Information Processing Systems : journal. — 2006. — Vol. 19. — P. 1137—1144. Архивировано 22 марта 2016 года.
- ↑ Ciresan, Dan Claudiu; Ueli Meier; Luca Maria Gambardella; Jürgen Schmidhuber. Convolutional neural network committees for handwritten character classification (англ.) // 2011 International Conference on Document Analysis and Recognition (ICDAR) : journal. — 2011. — P. 1135—1139. — doi:10.1109/ICDAR.2011.229. Архивировано 22 февраля 2016 года.
- ↑ Wan, Li; Matthew Zeiler; Sixin Zhang; Yann LeCun; Rob Fergus (2013). Regularization of Neural Network using DropConnect. International Conference on Machine Learning(ICML).
- ↑ 1 2 Romanuke, Vadim The single convolutional neural network best performance in 18 epochs on the expanded training data at Parallel Computing Center, Khmelnitskiy, Ukraine. Дата обращения: 16 ноября 2016. Архивировано 16 ноября 2016 года.
- ↑ 1 2 Romanuke, Vadim Parallel Computing Center (Khmelnitskiy, Ukraine) gives a single convolutional neural network performing on MNIST at 0.27 percent error rate. Дата обращения: 24 ноября 2016. Архивировано 24 ноября 2016 года.
- ↑ 1 2 Romanuke, Vadim Parallel Computing Center (Khmelnitskiy, Ukraine) represents an ensemble of 5 convolutional neural networks which performs on MNIST at 0.21 percent error rate. Дата обращения: 24 ноября 2016. Архивировано 24 ноября 2016 года.
- ↑ Romanuke, Vadim. Training data expansion and boosting of convolutional neural networks for reducing the MNIST dataset error rate (англ.) // Research Bulletin of NTUU “Kyiv Polytechnic Institute” : journal. — 2016. — Vol. 6. — P. 29—34. — doi:10.20535/1810-0546.2016.6.84115.
- ↑ 1 2 Kowsari, Kamran; Heidarysafa, Mojtaba; Brown, Donald E.; Meimandi, Kiana Jafari; Barnes, Laura E. RMDL: Random Multimodel Deep Learning for Classification (3 мая 2018). Дата обращения: 10 мая 2018. Архивировано 18 мая 2018 года.
- ↑ Le Cunn, THE MNIST DATABASE of handwritten Digits. Дата обращения: 11 декабря 2016. Архивировано 7 апреля 2021 года.
- ↑ Keysers, Daniel; Thomas Deselaers; Christian Gollan; Hermann Ney. Deformation models for image recognition (неопр.) // EEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. — 2007. — August (т. 29, № 8). — С. 1422—1435. Архивировано 4 марта 2016 года.
- ↑ Kégl, Balázs; Róbert Busa-Fekete. Boosting products of base classifiers (неопр.) // Proceedings of the 26th Annual International Conference on Machine Learning. — 2009. — С. 497—504. Архивировано 20 декабря 2016 года.
- ↑ DeCoste and Scholkopf, MLJ 2002
- ↑ 1 2 Patrice Y. Simard; Dave Steinkraus; John C. Platt. Best Practices for Convolutional Neural Networks Applied to Visual Document Analysis (англ.) // Document Analysis and Recognition, 2003. Proceedings. Seventh International Conference on : journal. — IEEE, 2003. — doi:10.1109/ICDAR.2003.1227801. Архивировано 22 декабря 2015 года.
- ↑ Ciresan, Claudiu Dan; Dan, Ueli Meier, Luca Maria Gambardella, and Juergen Schmidhuber. Deep Big Simple Neural Nets Excel on Handwritten Digit Recognition (англ.) // Neural Computation : journal. — 2010. — December (vol. 22, no. 12). — doi:10.1162/NECO_a_00052. — arXiv:1003.0358.
Литература
[править | править код]- Ciresan, Dan; Meier, Ueli; Schmidhuber, Jürgen. Multi-column deep neural networks for image classification (англ.) // 2012 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition[англ.] : journal. — New York, NY: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2012. — June. — P. 3642—3649. — ISBN 9781467312264. — doi:10.1109/CVPR.2012.6248110. — arXiv:1202.2745v1.
Ссылки
[править | править код]- MNIST handwritten digit database, Yann LeCun, Corinna Cortes and Chris Burges — The home of the database
- Neural Net for Handwritten Digit Recognition in JavaScript — A JavaScript implementation of a neural network for handwritten digit classification based on the MNIST database