用c++写MNIST分类系统

时间: 2023-06-20 19:09:11 浏览: 128
MNIST是一个手写数字图片集,我们可以使用C++来编写一个基于卷积神经网络的MNIST分类系统。下面是一个简单的代码示例: 首先需要加载MNIST数据集,我们可以使用以下代码: ```c++ #include <fstream> #include <iostream> #include <vector> using namespace std; vector<vector<double>> load_mnist_images(string filename, int& num_images) { ifstream file(filename, ios::binary); if (file.is_open()) { int magic_number = 0, n_rows = 0, n_cols = 0; file.read(reinterpret_cast<char*>(&magic_number), sizeof(magic_number)); magic_number = reverse_int(magic_number); file.read(reinterpret_cast<char*>(&num_images), sizeof(num_images)); num_images = reverse_int(num_images); file.read(reinterpret_cast<char*>(&n_rows), sizeof(n_rows)); n_rows = reverse_int(n_rows); file.read(reinterpret_cast<char*>(&n_cols), sizeof(n_cols)); n_cols = reverse_int(n_cols); vector<vector<double>> images(num_images, vector<double>(n_rows * n_cols)); for (int i = 0; i < num_images; ++i) { for (int j = 0; j < n_rows * n_cols; ++j) { unsigned char pixel = 0; file.read(reinterpret_cast<char*>(&pixel), sizeof(pixel)); images[i][j] = static_cast<double>(pixel) / 255.0; } } return images; } else { cout << "Cannot open file: " << filename << endl; exit(-1); } } vector<int> load_mnist_labels(string filename, int& num_labels) { ifstream file(filename, ios::binary); if (file.is_open()) { int magic_number = 0; file.read(reinterpret_cast<char*>(&magic_number), sizeof(magic_number)); magic_number = reverse_int(magic_number); file.read(reinterpret_cast<char*>(&num_labels), sizeof(num_labels)); num_labels = reverse_int(num_labels); vector<int> labels(num_labels); for (int i = 0; i < num_labels; ++i) { unsigned char label = 0; file.read(reinterpret_cast<char*>(&label), sizeof(label)); labels[i] = static_cast<int>(label); } return labels; } else { cout << "Cannot open file: " << filename << endl; exit(-1); } } ``` 接下来,我们需要实现卷积神经网络模型来对MNIST数据集进行分类。以下是一个简单的卷积神经网络模型示例: ```c++ #include <vector> #include <cmath> using namespace std; double sigmoid(double x) { return 1.0 / (1.0 + exp(-x)); } double relu(double x) { return max(0.0, x); } class Conv2D { public: Conv2D(int in_channels, int out_channels, int kernel_size, int stride) : in_channels_(in_channels), out_channels_(out_channels), kernel_size_(kernel_size), stride_(stride), weights_(out_channels, vector<vector<vector<double>>>(in_channels, vector<vector<double>>(kernel_size, vector<double>(kernel_size)))), biases_(out_channels) { for (int i = 0; i < out_channels; ++i) { biases_[i] = 0.0; for (int j = 0; j < in_channels; ++j) { for (int k = 0; k < kernel_size; ++k) { for (int l = 0; l < kernel_size; ++l) { weights_[i][j][k][l] = ((double)rand() / RAND_MAX - 0.5) * sqrt(2.0 / (in_channels + out_channels)); } } } } } vector<vector<vector<double>>> operator()(const vector<vector<double>>& input) { int in_height = input.size(); int in_width = input[0].size(); int out_height = (in_height - kernel_size_) / stride_ + 1; int out_width = (in_width - kernel_size_) / stride_ + 1; vector<vector<vector<double>>> output(out_channels_, vector<vector<double>>(out_height, vector<double>(out_width))); for (int i = 0; i < out_channels_; ++i) { for (int j = 0; j < out_height; ++j) { for (int k = 0; k < out_width; ++k) { double sum = 0.0; for (int l = 0; l < in_channels_; ++l) { for (int m = 0; m < kernel_size_; ++m) { for (int n = 0; n < kernel_size_; ++n) { int row = j * stride_ + m; int col = k * stride_ + n; sum += input[l][row][col] * weights_[i][l][m][n]; } } } output[i][j][k] = sigmoid(sum + biases_[i]); } } } return output; } private: int in_channels_; int out_channels_; int kernel_size_; int stride_; vector<vector<vector<vector<double>>>> weights_; vector<double> biases_; }; class MaxPool2D { public: MaxPool2D(int kernel_size, int stride) : kernel_size_(kernel_size), stride_(stride) {} vector<vector<vector<double>>> operator()(const vector<vector<double>>& input) { int in_height = input.size(); int in_width = input[0].size(); int out_height = (in_height - kernel_size_) / stride_ + 1; int out_width = (in_width - kernel_size_) / stride_ + 1; vector<vector<vector<double>>> output(input.size(), vector<vector<double>>(out_height, vector<double>(out_width))); for (int i = 0; i < input.size(); ++i) { for (int j = 0; j < out_height; ++j) { for (int k = 0; k < out_width; ++k) { double max_val = -INFINITY; for (int l = 0; l < kernel_size_; ++l) { for (int m = 0; m < kernel_size_; ++m) { int row = j * stride_ + l; int col = k * stride_ + m; max_val = max(max_val, input[i][row][col]); } } output[i][j][k] = max_val; } } } return output; } private: int kernel_size_; int stride_; }; class Flatten { public: vector<double> operator()(const vector<vector<vector<double>>>& input) { vector<double> output; for (const auto& channel : input) { for (const auto& row : channel) { for (const auto& pixel : row) { output.push_back(pixel); } } } return output; } }; class Dense { public: Dense(int in_features, int out_features) : in_features_(in_features), out_features_(out_features), weights_(out_features, vector<double>(in_features)), biases_(out_features) { for (int i = 0; i < out_features; ++i) { biases_[i] = 0.0; for (int j = 0; j < in_features; ++j) { weights_[i][j] = ((double)rand() / RAND_MAX - 0.5) * sqrt(2.0 / (in_features + out_features)); } } } vector<double> operator()(const vector<double>& input) { vector<double> output(out_features_); for (int i = 0; i < out_features_; ++i) { double sum = 0.0; for (int j = 0; j < in_features_; ++j) { sum += input[j] * weights_[i][j]; } output[i] = relu(sum + biases_[i]); } return output; } private: int in_features_; int out_features_; vector<vector<double>> weights_; vector<double> biases_; }; class Softmax { public: vector<double> operator()(const vector<double>& input) { double max_val = -INFINITY; for (const auto& val : input) { max_val = max(max_val, val); } vector<double> output(input.size()); double sum = 0.0; for (int i = 0; i < input.size(); ++i) { output[i] = exp(input[i] - max_val); sum += output[i]; } for (auto& val : output) { val /= sum; } return output; } }; class Model { public: Model() : conv1_(1, 32, 5, 1), pool1_(2, 2), conv2_(32, 64, 5, 1), pool2_(2, 2), flatten_(), dense1_(7 * 7 * 64, 256), dense2_(256, 10), softmax_() {} vector<double> operator()(const vector<vector<vector<double>>>& input) { auto output = conv1_(input); output = pool1_(output); output = conv2_(output); output = pool2_(output); output = flatten_(output); output = dense1_(output); output = dense2_(output); output = softmax_(output); return output; } private: Conv2D conv1_; MaxPool2D pool1_; Conv2D conv2_; MaxPool2D pool2_; Flatten flatten_; Dense dense1_; Dense dense2_; Softmax softmax_; }; ``` 最后,我们可以使用以下代码来训练和测试模型: ```c++ int main() { int num_images_train, num_labels_train; auto images_train = load_mnist_images("train-images.idx3-ubyte", num_images_train); auto labels_train = load_mnist_labels("train-labels.idx1-ubyte", num_labels_train); int num_images_test, num_labels_test; auto images_test = load_mnist_images("t10k-images.idx3-ubyte", num_images_test); auto labels_test = load_mnist_labels("t10k-labels.idx1-ubyte", num_labels_test); Model model; int batch_size = 64; int num_batches = num_images_train / batch_size; double learning_rate = 0.001; int num_epochs = 10; for (int epoch = 1; epoch <= num_epochs; ++epoch) { double loss = 0.0; for (int batch_idx = 0; batch_idx < num_batches; ++batch_idx) { int start_idx = batch_idx * batch_size; int end_idx = start_idx + batch_size; vector<vector<vector<double>>> batch_images(images_train.begin() + start_idx, images_train.begin() + end_idx); vector<int> batch_labels(labels_train.begin() + start_idx, labels_train.begin() + end_idx); vector<vector<double>> logits(batch_size, vector<double>(10)); for (int i = 0; i < batch_size; ++i) { logits[i] = model({ batch_images[i] }); } vector<vector<double>> gradients(batch_size, vector<double>(10)); for (int i = 0; i < batch_size; ++i) { for (int j = 0; j < 10; ++j) { gradients[i][j] = logits[i][j] - (batch_labels[i] == j ? 1.0 : 0.0); } } auto output = model({ batch_images[0] }); loss += cross_entropy_loss(output, batch_labels[0]); auto delta = cross_entropy_loss_backward(output, batch_labels[0]); auto gradients = model.backward(delta); model.update_weights(gradients, learning_rate); } cout << "Epoch " << epoch << ", Loss: " << loss / num_batches << endl; int correct = 0; for (int i = 0; i < num_images_test; ++i) { auto output = model({ images_test[i] }); int prediction = argmax(output); if (prediction == labels_test[i]) { ++correct; } } double accuracy = static_cast<double>(correct) / num_images_test; cout << "Validation Accuracy: " << accuracy << endl; } return 0; } ``` 以上是一个简单的使用C++实现MNIST分类系统的示例,实际应用中可能需要更复杂的模型和训练技巧。
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