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  • Python实现bp神经网络识别MNIST数据集


    title: "Python实现bp神经网络识别MNIST数据集"
    date: 2018-06-18T14:01:49+08:00
    tags: [""]
    categories: ["python"]


    前言

    训练时读入的是.mat格式的训练集,测试正确率时用的是png格式的图片

    代码

    #!/usr/bin/env python3
    # coding=utf-8
    import math
    import sys
    import os
    import numpy as np
    from PIL import Image
    import scipy.io as sio
    
    
    def sigmoid(x):
        return np.array(list(map(lambda i: 1 / (1 + math.exp(-i)), x)))
    
    
    def get_train_pattern():
        # 返回训练集的特征和标签
        # current_dir = os.getcwd()
        current_dir = "/home/lxp/F/developing_folder/intelligence_system/bpneuralnet/"
        train = sio.loadmat(current_dir + "mnist_train.mat")["mnist_train"]
        train_label = sio.loadmat(
                current_dir + "mnist_train_labels.mat")["mnist_train_labels"]
        train = np.where(train > 180, 1, 0)  # 二值化
        return train, train_label
    
    
    def get_test_pattern():
        # 返回测试集
        # base_url = os.getcwd() + "/test/"
        base_url = "/home/lxp/F/developing_folder/intelligence_system/bpneuralnet/mnist_test/"
        test_img_pattern = []
        for i in range(10):
            img_url = os.listdir(base_url + str(i))
            t = []
            for url in img_url:
                img = Image.open(base_url + str(i) + "/" + url)
                img = img.convert('1')  # 二值化
                img_array = np.asarray(img, 'i')  # 转化为int数组
                img_vector = img_array.reshape(
                        img_array.shape[0] * img_array.shape[1])  # 展开成一维数组
                t.append(img_vector)
            test_img_pattern.append(t)
        return test_img_pattern
    
    
    class BPNetwork:
        # 神经网络类
        def __init__(self, in_count, hiden_count, out_count, in_rate, hiden_rate):
            """
    
            :param in_count:        输入层数
            :param hiden_count:     隐藏层数
            :param out_count:       输出层数
            :param in_rate:         输入层学习率
            :param hiden_rate:      隐藏层学习率
            """
            # 各个层的节点数量
            self.in_count = in_count
            self.hiden_count = hiden_count
            self.out_count = out_count
    
            # 输入层到隐藏层连线的权重随机初始化
            self.w1 = 0.2 * 
                    np.random.random((self.in_count, self.hiden_count)) - 0.1
    
            # 隐藏层到输出层连线的权重随机初始化
            self.w2 = 0.2 * 
                    np.random.random((self.hiden_count, self.out_count)) - 0.1
    
            # 隐藏层偏置向量
            self.hiden_offset = np.zeros(self.hiden_count)
            # 输出层偏置向量
            self.out_offset = np.zeros(self.out_count)
    
            # 输入层学习率
            self.in_rate = in_rate
            # 隐藏层学习率
            self.hiden_rate = hiden_rate
    
        def train(self, train_img_pattern, train_label):
            if self.in_count != len(train_img_pattern[0]):
                sys.exit("输入层维数与样本维数不等")
            # for num in range(10):
            # for num in range(10):
            for i in range(len(train_img_pattern)):
                if i % 5000 == 0:
                    print(i)
                # 生成目标向量
                target = [0] * 10
                target[train_label[i][0]] = 1
                # for t in range(len(train_img_pattern[num])):
                # 前向传播
                # 隐藏层值等于输入层*w1+隐藏层偏置
                hiden_value = np.dot(
                        train_img_pattern[i], self.w1) + self.hiden_offset
                hiden_value = sigmoid(hiden_value)
    
                # 计算输出层的输出
                out_value = np.dot(hiden_value, self.w2) + self.out_offset
                out_value = sigmoid(out_value)
    
                # 反向更新
                error = target - out_value
                # 计算输出层误差
                out_error = out_value * (1 - out_value) * error
                # 计算隐藏层误差
                hiden_error = hiden_value * 
                        (1 - hiden_value) * np.dot(self.w2, out_error)
    
                # 更新w2,w2是j行k列的矩阵,存储隐藏层到输出层的权值
                for k in range(self.out_count):
                    # 更新w2第k列的值,连接隐藏层所有节点到输出层的第k个节点的边
                    # 隐藏层学习率×输入层误差×隐藏层的输出值
                    self.w2[:, k] += self.hiden_rate * out_error[k] * hiden_value
    
                # 更新w1
                for j in range(self.hiden_count):
                    self.w1[:, j] += self.in_rate * 
                            hiden_error[j] * train_img_pattern[i]
    
                # 更新偏置向量
                self.out_offset += self.hiden_rate * out_error
                self.hiden_offset += self.in_rate * hiden_error
    
        def test(self, test_img_pattern):
            """
            测试神经网络的正确率
            :param test_img_pattern[num][t]表示数字num的第t张图片
            :return:
            """
            right = np.zeros(10)
            test_sum = 0
            for num in range(10):  # 10个数字
                # print("正在识别", num)
                num_count = len(test_img_pattern[num])
                test_sum += num_count
                for t in range(num_count):  # 数字num的第t张图片
                    hiden_value = np.dot(
                            test_img_pattern[num][t], self.w1) + self.hiden_offset
                    hiden_value = sigmoid(hiden_value)
                    out_value = np.dot(hiden_value, self.w2) + self.out_offset
                    out_value = sigmoid(out_value)
                    # print(out_value)
                    if np.argmax(out_value) == num:
                        # 识别正确
                        right[num] += 1
                print("数字%d的识别正确率%f" % (num, right[num] / num_count))
    
            # 平均识别率
            print("平均识别率为:", sum(right) / test_sum)
    
        """
        def test1:
    
    
        """
    
    
    def run():
        # 读入训练集
        train, train_label = get_train_pattern()
    
        # 读入测试图片
        test_pattern = get_test_pattern()
    
        # 神经网络配置参数
        in_count = 28 * 28
        hiden_count = 6
        out_count = 10
        in_rate = 0.1
        hiden_rate = 0.1
        bpnn = BPNetwork(in_count, hiden_count, out_count, in_rate, hiden_rate)
        bpnn.train(train, train_label)
        bpnn.test(test_pattern)
    
        # 单张测试
        # 识别单独一张图片,返回识别结果
        """
        while True:
            img_name = input("输入要识别的图片
    ")
            base_url = "/home/lxp/F/developing_folder/intelligence_system/bpneuralnet/"
            img_url = base_url + img_name
            img = Image.open(img_url)
            img = img.convert('1')  # 二值化
            img_array = np.asarray(img, 'i')  # 转化为int数组
            # 得到图片的特征向量
            img_v = img_array.reshape(img_array.shape[0] * img_array.shape[1])  # 展开成一维数组
            bpnn.test1(img_v)
    
        """
    
    
    if __name__ == "__main__":
        run()
        # train, train_label = get_train_pattern()
        # print(train_label[5][0])
    # test = get_test_pattern()
    
    

    数据集下载:
    链接: https://pan.baidu.com/s/1ldWTSqVUm6l1cc4EDOzHpQ 提取码: mm93

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/lepeCoder/p/9195097.html
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