c++训练mnist手写数字识别的函数

时间: 2023-12-16 09:03:16 浏览: 37
以下是使用C++实现的一个简单的MNIST手写数字识别程序: ```c++ #include <iostream> #include <fstream> #include <vector> #include <cmath> using namespace std; const int kImageSize = 28; const int kNumImages = 60000; const int kNumTestImages = 10000; struct Image { vector<vector<double>> pixels; int label; }; vector<Image> ReadImages(const string& images_file, const string& labels_file) { vector<Image> images; ifstream images_in(images_file, ios::binary); ifstream labels_in(labels_file, ios::binary); if (images_in.is_open() && labels_in.is_open()) { int magic_number, num_images, num_rows, num_cols; images_in.read((char*)&magic_number, sizeof(magic_number)); images_in.read((char*)&num_images, sizeof(num_images)); images_in.read((char*)&num_rows, sizeof(num_rows)); images_in.read((char*)&num_cols, sizeof(num_cols)); labels_in.read((char*)&magic_number, sizeof(magic_number)); labels_in.read((char*)&num_images, sizeof(num_images)); for (int i = 0; i < kNumImages; ++i) { Image image; image.pixels.resize(kImageSize); for (int j = 0; j < kImageSize; ++j) { image.pixels[j].resize(kImageSize); for (int k = 0; k < kImageSize; ++k) { unsigned char pixel; images_in.read((char*)&pixel, sizeof(pixel)); image.pixels[j][k] = static_cast<double>(pixel) / 255.0; } } unsigned char label; labels_in.read((char*)&label, sizeof(label)); image.label = static_cast<int>(label); images.push_back(image); } } return images; } double Sigmoid(double x) { return 1.0 / (1.0 + exp(-x)); } vector<double> Softmax(const vector<double>& logits) { vector<double> probabilities(logits.size()); double max_logit = *max_element(begin(logits), end(logits)); double sum = 0.0; for (int i = 0; i < logits.size(); ++i) { probabilities[i] = exp(logits[i] - max_logit); sum += probabilities[i]; } for (int i = 0; i < probabilities.size(); ++i) { probabilities[i] /= sum; } return probabilities; } class NeuralNetwork { public: NeuralNetwork(int num_inputs, int num_hidden, int num_outputs) : num_inputs_(num_inputs), num_hidden_(num_hidden), num_outputs_(num_outputs) { weights_ih_.resize(num_inputs_, vector<double>(num_hidden_)); weights_ho_.resize(num_hidden_, vector<double>(num_outputs_)); biases_h_.resize(num_hidden_); biases_o_.resize(num_outputs_); for (int i = 0; i < num_inputs_; ++i) { for (int j = 0; j < num_hidden_; ++j) { weights_ih_[i][j] = (static_cast<double>(rand()) / RAND_MAX - 0.5) * 2.0 / sqrt(num_inputs_); } } for (int i = 0; i < num_hidden_; ++i) { for (int j = 0; j < num_outputs_; ++j) { weights_ho_[i][j] = (static_cast<double>(rand()) / RAND_MAX - 0.5) * 2.0 / sqrt(num_hidden_); } } } vector<double> Predict(const vector<double>& inputs) { vector<double> hidden(num_hidden_); vector<double> outputs(num_outputs_); for (int i = 0; i < num_hidden_; ++i) { double sum = 0.0; for (int j = 0; j < num_inputs_; ++j) { sum += weights_ih_[j][i] * inputs[j]; } hidden[i] = Sigmoid(sum + biases_h_[i]); } for (int i = 0; i < num_outputs_; ++i) { double sum = 0.0; for (int j = 0; j < num_hidden_; ++j) { sum += weights_ho_[j][i] * hidden[j]; } outputs[i] = sum + biases_o_[i]; } return Softmax(outputs); } void Train(const vector<Image>& images, int num_epochs, double learning_rate) { for (int epoch = 0; epoch < num_epochs; ++epoch) { double loss = 0.0; for (const auto& image : images) { vector<double> inputs(kImageSize * kImageSize); for (int i = 0; i < kImageSize; ++i) { for (int j = 0; j < kImageSize; ++j) { inputs[i * kImageSize + j] = image.pixels[i][j]; } } vector<double> targets(num_outputs_); targets[image.label] = 1.0; vector<double> hidden(num_hidden_); vector<double> outputs(num_outputs_); for (int i = 0; i < num_hidden_; ++i) { double sum = 0.0; for (int j = 0; j < num_inputs_; ++j) { sum += weights_ih_[j][i] * inputs[j]; } hidden[i] = Sigmoid(sum + biases_h_[i]); } for (int i = 0; i < num_outputs_; ++i) { double sum = 0.0; for (int j = 0; j < num_hidden_; ++j) { sum += weights_ho_[j][i] * hidden[j]; } outputs[i] = sum + biases_o_[i]; } vector<double> probabilities = Softmax(outputs); for (int i = 0; i < num_outputs_; ++i) { loss -= targets[i] * log(probabilities[i]); } vector<double> output_errors(targets.size()); for (int i = 0; i < num_outputs_; ++i) { output_errors[i] = targets[i] - probabilities[i]; } vector<double> hidden_errors(num_hidden_); for (int i = 0; i < num_hidden_; ++i) { double error = 0.0; for (int j = 0; j < num_outputs_; ++j) { error += output_errors[j] * weights_ho_[i][j]; } hidden_errors[i] = hidden[i] * (1.0 - hidden[i]) * error; } for (int i = 0; i < num_hidden_; ++i) { for (int j = 0; j < num_outputs_; ++j) { weights_ho_[i][j] += learning_rate * output_errors[j] * hidden[i]; } } for (int i = 0; i < num_inputs_; ++i) { for (int j = 0; j < num_hidden_; ++j) { weights_ih_[i][j] += learning_rate * hidden_errors[j] * inputs[i]; } } for (int i = 0; i < num_hidden_; ++i) { biases_h_[i] += learning_rate * hidden_errors[i]; } for (int i = 0; i < num_outputs_; ++i) { biases_o_[i] += learning_rate * output_errors[i]; } } cout << "Epoch " << epoch + 1 << ", loss = " << loss / images.size() << endl; } } private: int num_inputs_; int num_hidden_; int num_outputs_; vector<vector<double>> weights_ih_; vector<vector<double>> weights_ho_; vector<double> biases_h_; vector<double> biases_o_; }; int main() { srand(time(nullptr)); vector<Image> train_images = ReadImages("train-images-idx3-ubyte", "train-labels-idx1-ubyte"); vector<Image> test_images = ReadImages("t10k-images-idx3-ubyte", "t10k-labels-idx1-ubyte"); NeuralNetwork nn(kImageSize * kImageSize, 128, 10); nn.Train(train_images, 10, 0.1); int num_correct = 0; for (const auto& image : test_images) { vector<double> inputs(kImageSize * kImageSize); for (int i = 0; i < kImageSize; ++i) { for (int j = 0; j < kImageSize; ++j) { inputs[i * kImageSize + j] = image.pixels[i][j]; } } vector<double> probabilities = nn.Predict(inputs); int predicted_label = distance(begin(probabilities), max_element(begin(probabilities), end(probabilities))); if (predicted_label == image.label) { ++num_correct; } } cout << "Accuracy = " << static_cast<double>(num_correct) / kNumTestImages << endl; return 0; } ``` 该程序使用了一个简单的全连接神经网络来识别MNIST手写数字图像,每个图像都被压缩成一个长度为784的一维向量,并输入到神经网络中进行训练和预测。训练过程使用交叉熵作为损失函数,并使用随机梯度下降算法进行优化。在测试过程中,使用测试集对模型进行评估,输出预测的准确率。

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