用C++写一个LeNet-5识别手写数字的程序并带注释

时间: 2024-03-05 21:49:35 浏览: 118
好的,下面是一个简单的LeNet-5识别手写数字的C++程序,带有注释解释每个部分的功能和作用。代码仅供参考。 ```c++ #include <iostream> #include <fstream> #include <vector> #include <cmath> using namespace std; // 定义LeNet-5的每一层的结构 struct ConvLayer { int in_channels, out_channels, kernel_size, stride, padding; vector<vector<vector<double>>> weights; vector<double> bias; }; struct PoolLayer { int kernel_size, stride; }; struct FCLayer { int in_features, out_features; vector<vector<double>> weights; vector<double> bias; }; // 定义LeNet-5的整体结构 class LeNet5 { private: ConvLayer conv1, conv2; PoolLayer pool1, pool2; FCLayer fc1, fc2, fc3; // 激活函数 double relu(double x) { return max(0.0, x); } // Softmax函数 vector<double> softmax(vector<double> x) { vector<double> result(x.size()); double sum = 0.0; for (int i = 0; i < x.size(); i++) { result[i] = exp(x[i]); sum += result[i]; } for (int i = 0; i < x.size(); i++) { result[i] = result[i] / sum; } return result; } // 卷积运算 vector<vector<vector<double>>> convolve(vector<vector<vector<double>>> input, ConvLayer conv) { int in_height = input.size(), in_width = input[0].size(); int out_height = (in_height - conv.kernel_size + 2 * conv.padding) / conv.stride + 1; int out_width = (in_width - conv.kernel_size + 2 * conv.padding) / conv.stride + 1; vector<vector<vector<double>>> output(conv.out_channels, vector<vector<double>>(out_height, vector<double>(out_width, 0.0))); for (int i = 0; i < conv.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 < conv.in_channels; l++) { for (int m = 0; m < conv.kernel_size; m++) { for (int n = 0; n < conv.kernel_size; n++) { int p = j * conv.stride + m - conv.padding; int q = k * conv.stride + n - conv.padding; if (p >= 0 && p < in_height && q >= 0 && q < in_width) { sum += input[l][p][q] * conv.weights[i][l][m * conv.kernel_size + n]; } } } } sum += conv.bias[i]; output[i][j][k] = relu(sum); } } } return output; } // 池化运算 vector<vector<vector<double>>> pool(vector<vector<vector<double>>> input, PoolLayer pool) { int in_height = input[0].size(), in_width = input[0][0].size(); int out_height = (in_height - pool.kernel_size) / pool.stride + 1; int out_width = (in_width - pool.kernel_size) / pool.stride + 1; vector<vector<vector<double>>> output(input.size(), vector<vector<double>>(out_height, vector<double>(out_width, 0.0))); 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 = -1e9; for (int l = 0; l < pool.kernel_size; l++) { for (int m = 0; m < pool.kernel_size; m++) { int p = j * pool.stride + l; int q = k * pool.stride + m; if (input[i][p][q] > max_val) { max_val = input[i][p][q]; } } } output[i][j][k] = max_val; } } } return output; } // 全连接层运算 vector<double> fc(vector<double> input, FCLayer fc) { vector<double> output(fc.out_features, 0.0); for (int i = 0; i < fc.out_features; i++) { double sum = 0.0; for (int j = 0; j < fc.in_features; j++) { sum += input[j] * fc.weights[i][j]; } sum += fc.bias[i]; output[i] = relu(sum); } return output; } public: LeNet5() { // 初始化每一层的结构 conv1.in_channels = 1; conv1.out_channels = 6; conv1.kernel_size = 5; conv1.stride = 1; conv1.padding = 0; conv1.weights = vector<vector<vector<double>>>(conv1.out_channels, vector<vector<double>>(conv1.in_channels, vector<double>(conv1.kernel_size * conv1.kernel_size, 0.0))); conv1.bias = vector<double>(conv1.out_channels, 0.0); conv2.in_channels = 6; conv2.out_channels = 16; conv2.kernel_size = 5; conv2.stride = 1; conv2.padding = 0; conv2.weights = vector<vector<vector<double>>>(conv2.out_channels, vector<vector<double>>(conv2.in_channels, vector<double>(conv2.kernel_size * conv2.kernel_size, 0.0))); conv2.bias = vector<double>(conv2.out_channels, 0.0); pool1.kernel_size = 2; pool1.stride = 2; pool2.kernel_size = 2; pool2.stride = 2; fc1.in_features = 16 * 5 * 5; fc1.out_features = 120; fc1.weights = vector<vector<double>>(fc1.out_features, vector<double>(fc1.in_features, 0.0)); fc1.bias = vector<double>(fc1.out_features, 0.0); fc2.in_features = 120; fc2.out_features = 84; fc2.weights = vector<vector<double>>(fc2.out_features, vector<double>(fc2.in_features, 0.0)); fc2.bias = vector<double>(fc2.out_features, 0.0); fc3.in_features = 84; fc3.out_features = 10; fc3.weights = vector<vector<double>>(fc3.out_features, vector<double>(fc3.in_features, 0.0)); fc3.bias = vector<double>(fc3.out_features, 0.0); } // 加载权重参数 void load_weights(string filename) { ifstream fin(filename); for (int i = 0; i < conv1.out_channels; i++) { for (int j = 0; j < conv1.in_channels; j++) { for (int k = 0; k < conv1.kernel_size * conv1.kernel_size; k++) { fin >> conv1.weights[i][j][k]; } } } for (int i = 0; i < conv1.out_channels; i++) { fin >> conv1.bias[i]; } for (int i = 0; i < conv2.out_channels; i++) { for (int j = 0; j < conv2.in_channels; j++) { for (int k = 0; k < conv2.kernel_size * conv2.kernel_size; k++) { fin >> conv2.weights[i][j][k]; } } } for (int i = 0; i < conv2.out_channels; i++) { fin >> conv2.bias[i]; } for (int i = 0; i < fc1.out_features; i++) { for (int j = 0; j < fc1.in_features; j++) { fin >> fc1.weights[i][j]; } } for (int i = 0; i < fc1.out_features; i++) { fin >> fc1.bias[i]; } for (int i = 0; i < fc2.out_features; i++) { for (int j = 0; j < fc2.in_features; j++) { fin >> fc2.weights[i][j]; } } for (int i = 0; i < fc2.out_features; i++) { fin >> fc2.bias[i]; } for (int i = 0; i < fc3.out_features; i++) { for (int j = 0; j < fc3.in_features; j++) { fin >> fc3.weights[i][j]; } } for (int i = 0; i < fc3.out_features; i++) { fin >> fc3.bias[i]; } fin.close(); } // 前向传播 vector<double> forward(vector<vector<double>> input) { // 卷积层1 auto conv1_output = convolve(vector<vector<vector<double>>>{input}, conv1); // 激活函数 for (int i = 0; i < conv1_output.size(); i++) { for (int j = 0; j < conv1_output[i].size(); j++) { for (int k = 0; k < conv1_output[i][j].size(); k++) { conv1_output[i][j][k] = relu(conv1_output[i][j][k]); } } } // 池化层1 auto pool1_output = pool(conv1_output, pool1); // 卷积层2 auto conv2_output = convolve(pool1_output, conv2); // 激活函数 for (int i = 0; i < conv2_output.size(); i++) { for (int j = 0; j < conv2_output[i].size(); j++) { for (int k = 0; k < conv2_output[i][j].size(); k++) { conv2_output[i][j][k] = relu(conv2_output[i][j][k]); } } } // 池化层2 auto pool2_output = pool(conv2_output, pool2); // 将池化层的输出展平 vector<double> fc_input(pool2_output.size() * pool2_output[0].size() * pool2_output[0][0].size()); int idx = 0; for (int i = 0; i < pool2_output.size(); i++) { for (int j = 0; j < pool2_output[i].size(); j++) { for (int k = 0; k < pool2_output[i][j].size(); k++) { fc_input[idx++] = pool2_output[i][j][k]; } } } // 全连接层1 auto fc1_output = fc(fc_input, fc1); // 全连接层2 auto fc2_output = fc(fc1_output, fc2); // 全连接层3 auto fc3_output = fc(fc2_output, fc3); // Softmax return softmax(fc3_output); } }; int main() { LeNet5 model; model.load_weights("weights.txt"); // 读取测试数据 ifstream fin("test_data.txt"); int num_samples; fin >> num_samples; int correct = 0; for (int i = 0; i < num_samples; i++) { vector<vector<double>> input(28, vector<double>(28, 0.0)); for (int j = 0; j < 28; j++) { for (int k = 0; k < 28; k++) { fin >> input[j][k]; } } vector<double> output = model.forward(input); int pred = 0; double max_val = -1e9; for (int j = 0; j < output.size(); j++) { if (output[j] > max_val) { max_val = output[j]; pred = j; } } cout << "Predicted: " << pred << endl; int label; fin >> label; if (pred == label) { correct++; } } fin.close(); cout << "Accuracy: " << (double)correct / num_samples << endl; return 0; } ``` 这个程序实现了一个简单的LeNet-5模型,可以识别手写数字。具体来说,它包含了卷积层、池化层和全连接层。在程序中,我们使用了一些结构体来表示每一层的结构,方便后续的实现和维护。在主函数中,我们首先加载了预先训练好的权重参数,然后读取测试数据,对每个样本进行前向传播,并计算模型的准确率。
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