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卷积神经网络(三):卷积神经网络CNN的简单实现(部分Python源码)

发布时间:2025/3/21 python 49 豆豆
生活随笔 收集整理的这篇文章主要介绍了 卷积神经网络(三):卷积神经网络CNN的简单实现(部分Python源码) 小编觉得挺不错的,现在分享给大家,帮大家做个参考.

转载自:

卷积神经网络(三):卷积神经网络CNN的简单实现(部分Python源码) - xuanyuansen的专栏 - 博客频道 - CSDN.NET
http://blog.csdn.net/xuanyuansen/article/details/41924377


上周末利用python简单实现了一个卷积神经网络,只包含一个卷积层和一个maxpooling层,pooling层后面的多层神经网络采用了softmax形式的输出。实验输入仍然采用MNIST图像使用10个feature map时,卷积和pooling的结果分别如下所示。



部分源码如下:

[python] view plaincopy
  • #coding=utf-8  
  • ''''' 
  • Created on 2014年11月30日 
  • @author: Wangliaofan 
  • '''  
  • import numpy  
  • import struct  
  • import matplotlib.pyplot as plt  
  • import math  
  • import random  
  • import copy  
  • #test   
  • from BasicMultilayerNeuralNetwork import BMNN2  
  •   
  •   
  • def sigmoid(inX):  
  •     if 1.0+numpy.exp(-inX)== 0.0:  
  •         return 999999999.999999999  
  •     return 1.0/(1.0+numpy.exp(-inX))  
  • def difsigmoid(inX):  
  •     return sigmoid(inX)*(1.0-sigmoid(inX))  
  • def tangenth(inX):  
  •     return (1.0*math.exp(inX)-1.0*math.exp(-inX))/(1.0*math.exp(inX)+1.0*math.exp(-inX))  
  •   
  • def cnn_conv(in_image, filter_map,B,type_func='sigmoid'):  
  •     #in_image[num,feature map,row,col]=>in_image[Irow,Icol]  
  •     #features map[k filter,row,col]  
  •     #type_func['sigmoid','tangenth']  
  •     #out_feature[k filter,Irow-row+1,Icol-col+1]  
  •     shape_image=numpy.shape(in_image)#[row,col]  
  •     #print "shape_image",shape_image  
  •     shape_filter=numpy.shape(filter_map)#[k filter,row,col]  
  •     if shape_filter[1]>shape_image[0or shape_filter[2]>shape_image[1]:  
  •         raise Exception  
  •     shape_out=(shape_filter[0],shape_image[0]-shape_filter[1]+1,shape_image[1]-shape_filter[2]+1)  
  •     out_feature=numpy.zeros(shape_out)  
  •     k,m,n=numpy.shape(out_feature)  
  •     for k_idx in range(0,k):  
  •         #rotate 180 to calculate conv  
  •         c_filter=numpy.rot90(filter_map[k_idx,:,:], 2)  
  •         for r_idx in range(0,m):  
  •             for c_idx in range(0,n):  
  •                 #conv_temp=numpy.zeros((shape_filter[1],shape_filter[2]))  
  •                 conv_temp=numpy.dot(in_image[r_idx:r_idx+shape_filter[1],c_idx:c_idx+shape_filter[2]],c_filter)  
  •                 sum_temp=numpy.sum(conv_temp)  
  •                 if type_func=='sigmoid':  
  •                     out_feature[k_idx,r_idx,c_idx]=sigmoid(sum_temp+B[k_idx])  
  •                 elif type_func=='tangenth':  
  •                     out_feature[k_idx,r_idx,c_idx]=tangenth(sum_temp+B[k_idx])  
  •                 else:  
  •                     raise Exception        
  •     return out_feature  
  •   
  • def cnn_maxpooling(out_feature,pooling_size=2,type_pooling="max"):  
  •     k,row,col=numpy.shape(out_feature)  
  •     max_index_Matirx=numpy.zeros((k,row,col))  
  •     out_row=int(numpy.floor(row/pooling_size))  
  •     out_col=int(numpy.floor(col/pooling_size))  
  •     out_pooling=numpy.zeros((k,out_row,out_col))  
  •     for k_idx in range(0,k):  
  •         for r_idx in range(0,out_row):  
  •             for c_idx in range(0,out_col):  
  •                 temp_matrix=out_feature[k_idx,pooling_size*r_idx:pooling_size*r_idx+pooling_size,pooling_size*c_idx:pooling_size*c_idx+pooling_size]  
  •                 out_pooling[k_idx,r_idx,c_idx]=numpy.amax(temp_matrix)  
  •                 max_index=numpy.argmax(temp_matrix)  
  •                 #print max_index  
  •                 #print max_index/pooling_size,max_index%pooling_size  
  •                 max_index_Matirx[k_idx,pooling_size*r_idx+max_index/pooling_size,pooling_size*c_idx+max_index%pooling_size]=1  
  •     return out_pooling,max_index_Matirx  
  •   
  • def poolwithfunc(in_pooling,W,B,type_func='sigmoid'):  
  •     k,row,col=numpy.shape(in_pooling)  
  •     out_pooling=numpy.zeros((k,row,col))  
  •     for k_idx in range(0,k):  
  •         for r_idx in range(0,row):  
  •             for c_idx in range(0,col):  
  •                 out_pooling[k_idx,r_idx,c_idx]=sigmoid(W[k_idx]*in_pooling[k_idx,r_idx,c_idx]+B[k_idx])  
  •     return out_pooling  
  • #out_feature is the out put of conv  
  • def backErrorfromPoolToConv(theta,max_index_Matirx,out_feature,pooling_size=2):  
  •     k1,row,col=numpy.shape(out_feature)  
  •     error_conv=numpy.zeros((k1,row,col))  
  •     k2,theta_row,theta_col=numpy.shape(theta)  
  •     if k1!=k2:  
  •         raise Exception  
  •     for idx_k in range(0,k1):  
  •         for idx_row in range( 0, row):  
  •             for idx_col in range( 0, col):  
  •                 error_conv[idx_k,idx_row,idx_col]=\  
  •                     max_index_Matirx[idx_k,idx_row,idx_col]*\  
  •                     float(theta[idx_k,idx_row/pooling_size,idx_col/pooling_size])*\  
  •                     difsigmoid(out_feature[idx_k,idx_row,idx_col])  
  •     return error_conv  
  •   
  • def backErrorfromConvToInput(theta,inputImage):  
  •     k1,row,col=numpy.shape(theta)  
  •     #print "theta",k1,row,col  
  •     i_row,i_col=numpy.shape(inputImage)  
  •     if row>i_row or col> i_col:  
  •         raise Exception  
  •     filter_row=i_row-row+1  
  •     filter_col=i_col-col+1  
  •     detaW=numpy.zeros((k1,filter_row,filter_col))  
  •     #the same with conv valid in matlab  
  •     for k_idx in range(0,k1):  
  •         for idx_row in range(0,filter_row):  
  •             for idx_col in range(0,filter_col):  
  •                 subInputMatrix=inputImage[idx_row:idx_row+row,idx_col:idx_col+col]  
  •                 #print "subInputMatrix",numpy.shape(subInputMatrix)  
  •                 #rotate theta 180  
  •                 #print numpy.shape(theta)  
  •                 theta_rotate=numpy.rot90(theta[k_idx,:,:], 2)  
  •                 #print "theta_rotate",theta_rotate  
  •                 dotMatrix=numpy.dot(subInputMatrix,theta_rotate)  
  •                 detaW[k_idx,idx_row,idx_col]=numpy.sum(dotMatrix)  
  •     detaB=numpy.zeros((k1,1))  
  •     for k_idx in range(0,k1):  
  •         detaB[k_idx]=numpy.sum(theta[k_idx,:,:])  
  •     return detaW,detaB  
  •   
  • def loadMNISTimage(absFilePathandName,datanum=60000):  
  •     images=open(absFilePathandName,'rb')  
  •     buf=images.read()  
  •     index=0  
  •     magic, numImages , numRows , numColumns = struct.unpack_from('>IIII' , buf , index)  
  •     print magic, numImages , numRows , numColumns  
  •     index += struct.calcsize('>IIII')  
  •     if magic != 2051:  
  •         raise Exception  
  •     datasize=int(784*datanum)  
  •     datablock=">"+str(datasize)+"B"  
  •     #nextmatrix=struct.unpack_from('>47040000B' ,buf, index)  
  •     nextmatrix=struct.unpack_from(datablock ,buf, index)  
  •     nextmatrix=numpy.array(nextmatrix)/255.0  
  •     #nextmatrix=nextmatrix.reshape(numImages,numRows,numColumns)  
  •     #nextmatrix=nextmatrix.reshape(datanum,1,numRows*numColumns)  
  •     nextmatrix=nextmatrix.reshape(datanum,1,numRows,numColumns)    
  •     return nextmatrix, numImages  
  •       
  • def loadMNISTlabels(absFilePathandName,datanum=60000):  
  •     labels=open(absFilePathandName,'rb')  
  •     buf=labels.read()  
  •     index=0  
  •     magic, numLabels  = struct.unpack_from('>II' , buf , index)  
  •     print magic, numLabels  
  •     index += struct.calcsize('>II')  
  •     if magic != 2049:  
  •         raise Exception  
  •       
  •     datablock=">"+str(datanum)+"B"  
  •     #nextmatrix=struct.unpack_from('>60000B' ,buf, index)  
  •     nextmatrix=struct.unpack_from(datablock ,buf, index)  
  •     nextmatrix=numpy.array(nextmatrix)  
  •     return nextmatrix, numLabels  
  •   
  • def simpleCNN(numofFilter,filter_size,pooling_size=2,maxIter=1000,imageNum=500):  
  •     decayRate=0.01  
  •     MNISTimage,num1=loadMNISTimage("F:\Machine Learning\UFLDL\data\common\\train-images-idx3-ubyte",imageNum)  
  •     print num1  
  •     row,col=numpy.shape(MNISTimage[0,0,:,:])  
  •     out_Di=numofFilter*((row-filter_size+1)/pooling_size)*((col-filter_size+1)/pooling_size)  
  •     MLP=BMNN2.MuiltilayerANN(1,[128],out_Di,10,maxIter)  
  •     MLP.setTrainDataNum(imageNum)  
  •     MLP.loadtrainlabel("F:\Machine Learning\UFLDL\data\common\\train-labels-idx1-ubyte")  
  •     MLP.initialweights()  
  •     #MLP.printWeightMatrix()  
  •     rng = numpy.random.RandomState(23455)  
  •     W_shp = (numofFilter, filter_size, filter_size)  
  •     W_bound = numpy.sqrt(numofFilter * filter_size * filter_size)  
  •     W_k=rng.uniform(low=-1.0 / W_bound,high=1.0 / W_bound,size=W_shp)  
  •     B_shp = (numofFilter,)  
  •     B= numpy.asarray(rng.uniform(low=-.5, high=.5, size=B_shp))  
  •     cIter=0  
  •     while cIter<maxIter:  
  •         cIter += 1  
  •         ImageNum=random.randint(0,imageNum-1)  
  •         conv_out_map=cnn_conv(MNISTimage[ImageNum,0,:,:], W_k, B,"sigmoid")  
  •         out_pooling,max_index_Matrix=cnn_maxpooling(conv_out_map,2,"max")  
  •         pool_shape = numpy.shape(out_pooling)  
  •         MLP_input=out_pooling.reshape(1,1,out_Di)  
  •         #print numpy.shape(MLP_input)  
  •         DetaW,DetaB,temperror=MLP.backwardPropogation(MLP_input,ImageNum)  
  •         if cIter%50 ==0 :  
  •             print cIter,"Temp error: ",temperror  
  •         #print numpy.shape(MLP.Theta[MLP.Nl-2])  
  •         #print numpy.shape(MLP.Ztemp[0])  
  •         #print numpy.shape(MLP.weightMatrix[0])  
  •         theta_pool=MLP.Theta[MLP.Nl-2]*MLP.weightMatrix[0].transpose()  
  •         #print numpy.shape(theta_pool)  
  •         #print "theta_pool",theta_pool  
  •         temp=numpy.zeros((1,1,out_Di))  
  •         temp[0,:,:]=theta_pool  
  •         back_theta_pool=temp.reshape(pool_shape)  
  •         #print "back_theta_pool",numpy.shape(back_theta_pool)  
  •         #print "back_theta_pool",back_theta_pool  
  •         error_conv=backErrorfromPoolToConv(back_theta_pool,max_index_Matrix,conv_out_map,2)  
  •         #print "error_conv",numpy.shape(error_conv)  
  •         #print error_conv  
  •         conv_DetaW,conv_DetaB=backErrorfromConvToInput(error_conv,MNISTimage[ImageNum,0,:,:])  
  •         #print "W_k",W_k  
  •         #print "conv_DetaW",conv_DetaW  
  •         #print "conv_DetaB",conv_DetaB  
  •         temp=W_k- decayRate*conv_DetaW  
  •         W_k=copy.deepcopy(temp)  
  •         #print "W_k",W_k  
  •         temp = B - decayRate*conv_DetaB  
  •         B=copy.deepcopy(B)  
  •         #print "B",B  
  •         MLP.updatePara(DetaW, DetaB, 1)  
  •     return W_k,B,MLP  
  • def getTrainAccuracy(numofFilter,filter_size,pooling_size,ImageNum,W_k,B,MLP):  
  •     MNISTimage,num1=loadMNISTimage("F:\Machine Learning\UFLDL\data\common\\train-images-idx3-ubyte",ImageNum)  
  •     MLP.setTrainDataNum(ImageNum)  
  •     MLP.loadtrainlabel("F:\Machine Learning\UFLDL\data\common\\train-labels-idx1-ubyte")  
  •     #MNISTlabel,num2=loadMNISTimage("F:\Machine Learning\UFLDL\data\common\\train-images-idx3-ubyte",ImageNum)  
  •     row,col=numpy.shape(MNISTimage[0,0,:,:])  
  •     iteration=0  
  •     out_Di=numofFilter*((row-filter_size+1)/pooling_size)*((col-filter_size+1)/pooling_size)  
  •     accuracycount=0  
  •     while iteration<ImageNum:  
  •         conv_out_map=cnn_conv(MNISTimage[iteration,0,:,:], W_k, B,"sigmoid")  
  •         out_pooling,max_index_Matrix=cnn_maxpooling(conv_out_map,2,"max")  
  •         #pool_shape = numpy.shape(out_pooling)  
  •         MLP_input=out_pooling.reshape(1,1,out_Di)  
  •         Atemp,Ztemp,errorsum=MLP.forwardPropogation(MLP_input,iteration)  
  •         TrainPredict=Atemp[MLP.Nl-2]  
  •         #print TrainPredict  
  •         Plist=TrainPredict.tolist()  
  •         LabelPredict=Plist[0].index(max(Plist[0]))  
  •         #print "LabelPredict",LabelPredict  
  •         #print "trainLabel",MLP.trainlabel[iteration]  
  •         if int(LabelPredict) == int(MLP.trainlabel[iteration]):  
  •             accuracycount += 1  
  •         iteration += 1  
  •         if iteration%50 ==0 :  
  •             print iteration  
  •     print "accuracy:", float(accuracycount)/float(ImageNum)  
  •     return  float(accuracycount)/float(ImageNum)  
  •       
  • if __name__ == '__main__':  
  •     MNISTimage,num1=loadMNISTimage("F:\Machine Learning\UFLDL\data\common\\train-images-idx3-ubyte",1)  
  •     MNISTlabel,num2=loadMNISTlabels("F:\Machine Learning\UFLDL\data\common\\train-labels-idx1-ubyte",1)  
  •     fig1 = plt.figure("convolution")  
  •     k=10  
  •     filter_size=5  
  •     rng = numpy.random.RandomState(23455)  
  •     w_shp = (k, filter_size, filter_size)  
  •     w_bound = numpy.sqrt(k * filter_size * filter_size)  
  •     w_k=rng.uniform(low=-1.0 / w_bound,high=1.0 / w_bound,size=w_shp)  
  •     B_shp = (k,)  
  •     B= numpy.asarray(rng.uniform(low=-.5, high=.5, size=B_shp))  
  •     #print B  
  •     out_map=cnn_conv(MNISTimage[0,0,:,:], w_k, B,"sigmoid")  
  •     for idx in range(0,10):  
  •         plotwindow = fig1.add_subplot(2,5,idx+1)  
  •         plt.imshow(out_map[idx,:,:], cmap='gray')  
  •     #plt.show()  
  •     fig2 = plt.figure("max-pooling")  
  •     out_pooling,max_index=cnn_maxpooling(out_map)  
  •     for idx in range(0,10):  
  •         plotwindow = fig2.add_subplot(2,5,idx+1)  
  •         plt.imshow(out_pooling[idx,:,:], cmap='gray')  
  •           
  •     W_pool_shp = (k,)  
  •     W_pool= numpy.asarray(rng.uniform(low=-1, high=1, size=W_pool_shp))  
  •     B_pool_shp = (k,)  
  •     B_pool= numpy.asarray(rng.uniform(low=-.5, high=.5, size=B_pool_shp))  
  •     fig3 = plt.figure("pooling")  
  •     pooling=poolwithfunc(out_pooling, W_pool, B_pool)  
  •     for idx in range(0,10):  
  •         plotwindow = fig3.add_subplot(2,5,idx+1)  
  •         plt.imshow(pooling[idx,:,:], cmap='gray')  
  •     #plt.show()  
  •       
  •     W_k,B,MLP=simpleCNN(5,5,2,2000,10000)  
  •     #MLP.printWeightMatrix()  
  •     accu=getTrainAccuracy(5,5,2,4000,W_k,B,MLP)  
  •     print accu  
  •     pass  

  • 总结

    以上是生活随笔为你收集整理的卷积神经网络(三):卷积神经网络CNN的简单实现(部分Python源码)的全部内容,希望文章能够帮你解决所遇到的问题。

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