cnn numpy实现

时间: 2023-10-20 08:05:50 浏览: 36
下面是一个基本的CNN实现,使用numpy库进行计算。 首先,我们需要导入numpy库并定义一些常量和超参数: ```python import numpy as np # 定义常量和超参数 np.random.seed(1) NUM_EPOCHS = 10 LEARNING_RATE = 0.1 BATCH_SIZE = 32 # 数据维度 INPUT_DIM = (28, 28, 1) # 输入数据是28x28的灰度图像 NUM_CLASSES = 10 # 有10个类别 FILTERS = [32, 64] # 滤波器数量 KERNEL_SIZES = [3, 3] # 滤波器尺寸 STRIDES = [1, 1] # 卷积步长 PADDING = ["same", "same"] # 填充方式 POOL_SIZES = [2, 2] # 池化尺寸 ``` 接下来,我们定义一个CNN类,其中包含了卷积层、池化层、全连接层等。 ```python class ConvolutionalNeuralNetwork: def __init__(self): # 初始化参数 self.params = {} # 卷积层1 self.params["W1"] = np.random.randn(FILTERS[0], KERNEL_SIZES[0], KERNEL_SIZES[0], INPUT_DIM[2]) / np.sqrt(KERNEL_SIZES[0] * KERNEL_SIZES[0] * INPUT_DIM[2]) self.params["b1"] = np.zeros((FILTERS[0], 1)) # 池化层1 self.params["W2"] = np.random.randn(POOL_SIZES[0], POOL_SIZES[0], FILTERS[0], FILTERS[1]) / np.sqrt(POOL_SIZES[0] * POOL_SIZES[0] * FILTERS[0]) self.params["b2"] = np.zeros((FILTERS[1], 1)) # 卷积层2 self.params["W3"] = np.random.randn(FILTERS[1], KERNEL_SIZES[1], KERNEL_SIZES[1], FILTERS[0]) / np.sqrt(KERNEL_SIZES[1] * KERNEL_SIZES[1] * FILTERS[0]) self.params["b3"] = np.zeros((FILTERS[1], 1)) # 池化层2 self.params["W4"] = np.random.randn(POOL_SIZES[1], POOL_SIZES[1], FILTERS[1], NUM_CLASSES) / np.sqrt(POOL_SIZES[1] * POOL_SIZES[1] * FILTERS[1]) self.params["b4"] = np.zeros((NUM_CLASSES, 1)) def relu(self, x): return np.maximum(0, x) def conv(self, X, W, b, stride, padding): n_H_prev, n_W_prev, n_C_prev = X.shape f, f, n_C_prev, n_C = W.shape if padding == "same": pad = int((f - 1) / 2) X = np.pad(X, [(pad, pad), (pad, pad), (0, 0)], mode="constant") n_H = int((n_H_prev - f) / stride) + 1 n_W = int((n_W_prev - f) / stride) + 1 Z = np.zeros((n_H, n_W, n_C)) for h in range(n_H): for w in range(n_W): for c in range(n_C): vert_start = h * stride vert_end = vert_start + f horiz_start = w * stride horiz_end = horiz_start + f X_slice = X[vert_start:vert_end, horiz_start:horiz_end, :] Z[h, w, c] = np.sum(X_slice * W[:, :, :, c]) + b[c] return Z def max_pool(self, X, pool_size, stride): n_H_prev, n_W_prev, n_C_prev = X.shape f = pool_size n_H = int(1 + (n_H_prev - f) / stride) n_W = int(1 + (n_W_prev - f) / stride) n_C = n_C_prev Z = np.zeros((n_H, n_W, n_C)) for h in range(n_H): for w in range(n_W): for c in range(n_C): vert_start = h * stride vert_end = vert_start + f horiz_start = w * stride horiz_end = horiz_start + f X_slice = X[vert_start:vert_end, horiz_start:horiz_end, c] Z[h, w, c] = np.max(X_slice) return Z def softmax(self, X): exp_X = np.exp(X) return exp_X / np.sum(exp_X, axis=0) def forward(self, X): # 卷积层1 Z1 = self.conv(X, self.params["W1"], self.params["b1"], STRIDES[0], PADDING[0]) A1 = self.relu(Z1) # 池化层1 P1 = self.max_pool(A1, POOL_SIZES[0], STRIDES[0]) # 卷积层2 Z2 = self.conv(P1, self.params["W3"], self.params["b3"], STRIDES[1], PADDING[1]) A2 = self.relu(Z2) # 池化层2 P2 = self.max_pool(A2, POOL_SIZES[1], STRIDES[1]) # 展开 F = P2.reshape((P2.shape[0] * P2.shape[1] * P2.shape[2], 1)) # 全连接层 Z3 = np.dot(self.params["W4"].reshape((-1, NUM_CLASSES)).T, F) + self.params["b4"] A3 = self.softmax(Z3) return A3 def backward(self, X, Y_hat, Y): # 计算梯度 dZ3 = Y_hat - Y dW4 = np.dot(P2.T.reshape((-1, FILTERS[1])), dZ3.T) db4 = np.sum(dZ3, axis=1, keepdims=True) dF = np.dot(self.params["W4"].reshape((-1, NUM_CLASSES)), dZ3) dP2 = dF.reshape(P2.shape) dA2 = np.zeros(A2.shape) # 反向传播池化层2 for h in range(P2.shape[0]): for w in range(P2.shape[1]): for c in range(P2.shape[2]): vert_start = h * STRIDES[1] vert_end = vert_start + POOL_SIZES[1] horiz_start = w * STRIDES[1] horiz_end = horiz_start + POOL_SIZES[1] X_slice = X[vert_start:vert_end, horiz_start:horiz_end, :] dA2_slice = np.ones((POOL_SIZES[1], POOL_SIZES[1], FILTERS[1])) * dP2[h, w, c] / (POOL_SIZES[1] * POOL_SIZES[1]) dA2[vert_start:vert_end, horiz_start:horiz_end, c] += dA2_slice # 反向传播卷积层2 dZ2 = dA2 * (A2 > 0) dW3 = np.zeros(self.params["W3"].shape) db3 = np.zeros(self.params["b3"].shape) for c in range(FILTERS[1]): for h in range(dZ2.shape[0]): for w in range(dZ2.shape[1]): vert_start = h * STRIDES[1] vert_end = vert_start + KERNEL_SIZES[1] horiz_start = w * STRIDES[1] horiz_end = horiz_start + KERNEL_SIZES[1] X_slice = P1[vert_start:vert_end, horiz_start:horiz_end, :] dW3[:, :, :, c] += X_slice * dZ2[h, w, c] db3[c] += dZ2[h, w, c] # 反向传播池化层1 dP1 = np.zeros(P1.shape) for h in range(P1.shape[0]): for w in range(P1.shape[1]): for c in range(P1.shape[2]): vert_start = h * STRIDES[0] vert_end = vert_start + POOL_SIZES[0] horiz_start = w * STRIDES[0] horiz_end = horiz_start + POOL_SIZES[0] X_slice = A1[vert_start:vert_end, horiz_start:horiz_end, :] dP1_slice = np.ones((POOL_SIZES[0], POOL_SIZES[0], FILTERS[0])) * dA2[h, w, c] / (POOL_SIZES[0] * POOL_SIZES[0]) dP1[vert_start:vert_end, horiz_start:horiz_end, c] += dP1_slice # 反向传播卷积层1 dZ1 = dP1 * (A1 > 0) dW1 = np.zeros(self.params["W1"].shape) db1 = np.zeros(self.params["b1"].shape) for c in range(FILTERS[0]): for h in range(dZ1.shape[0]): for w in range(dZ1.shape[1]): vert_start = h * STRIDES[0] vert_end = vert_start + KERNEL_SIZES[0] horiz_start = w * STRIDES[0] horiz_end = horiz_start + KERNEL_SIZES[0] X_slice = X[vert_start:vert_end, horiz_start:horiz_end, :] dW1[:, :, :, c] += X_slice * dZ1[h, w, c] db1[c] += dZ1[h, w, c] # 更新参数 self.params["W1"] -= LEARNING_RATE * dW1 / BATCH_SIZE self.params["b1"] -= LEARNING_RATE * db1 / BATCH_SIZE self.params["W3"] -= LEARNING_RATE * dW3 / BATCH_SIZE self.params["b3"] -= LEARNING_RATE * db3 / BATCH_SIZE self.params["W4"] -= LEARNING_RATE * dW4 / BATCH_SIZE self.params["b4"] -= LEARNING_RATE * db4 / BATCH_SIZE ``` 最后,我们生成训练数据并进行训练: ```python # 生成训练数据 x_train = np.random.randn(1000, INPUT_DIM[0], INPUT_DIM[1], INPUT_DIM[2]) y_train = np.random.randint(0, NUM_CLASSES, (1000, 1)) # 初始化模型 model = ConvolutionalNeuralNetwork() # 训练模型 for epoch in range(NUM_EPOCHS): for i in range(0, len(x_train), BATCH_SIZE): X_batch = x_train[i:i+BATCH_SIZE] Y_batch = y_train[i:i+BATCH_SIZE] Y_hat = model.forward(X_batch) model.backward(X_batch, Y_hat, Y_batch) Y_hat_train = model.forward(x_train) loss_train = -np.mean(np.log(Y_hat_train[np.arange(len(y_train)), y_train.reshape(-1)])) print("Epoch %d: loss_train = %f" % (epoch, loss_train)) ``` 以上代码仅为参考实现,实际应用中还需要进行一些调整和优化。

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