<em>Mac</em>Book项目 2009年学校开始实施<em>Mac</em>Book项目,所有师生配备一本<em>Mac</em>Book,并同步更新了校园无线网络。学校每周进行电脑技术更新,每月发送技术支持资料,极大改变了教学及学习方式。因此2011
2021-06-01 09:32:01
手寫數位識別作為深度學習入門經典的識別案例,各種深度學習框架都有這個例子的實現方法。我這裡將不用任何深度學習現有框架,例如TensorFlow、Keras、pytorch,直接使用Python語言的numpy實現各種啟用函數、損失函數、梯度下降的方法。
程式分為兩部分,首先是手寫數位資料的準備,直接使用如下mnist.py檔案中的方法load_minist即可。檔案程式碼如下:
# coding: utf-8 try: import urllib.request except ImportError: raise ImportError('You should use Python 3.x') import os.path import gzip import pickle import os import numpy as np url_base = 'http://yann.lecun.com/exdb/mnist/' key_file = { 'train_img':'train-images-idx3-ubyte.gz', 'train_label':'train-labels-idx1-ubyte.gz', 'test_img':'t10k-images-idx3-ubyte.gz', 'test_label':'t10k-labels-idx1-ubyte.gz' } dataset_dir = os.path.dirname(os.path.abspath(__file__)) save_file = dataset_dir + "/mnist.pkl" train_num = 60000 test_num = 10000 img_dim = (1, 28, 28) img_size = 784 def _download(file_name): file_path = dataset_dir + "/" + file_name if os.path.exists(file_path): return print("Downloading " + file_name + " ... ") urllib.request.urlretrieve(url_base + file_name, file_path) print("Done") def download_mnist(): for v in key_file.values(): _download(v) def _load_label(file_name): file_path = dataset_dir + "/" + file_name print("Converting " + file_name + " to NumPy Array ...") with gzip.open(file_path, 'rb') as f: labels = np.frombuffer(f.read(), np.uint8, offset=8) print("Done") return labels def _load_img(file_name): file_path = dataset_dir + "/" + file_name print("Converting " + file_name + " to NumPy Array ...") with gzip.open(file_path, 'rb') as f: data = np.frombuffer(f.read(), np.uint8, offset=16) data = data.reshape(-1, img_size) print("Done") return data def _convert_numpy(): dataset = {} dataset['train_img'] = _load_img(key_file['train_img']) dataset['train_label'] = _load_label(key_file['train_label']) dataset['test_img'] = _load_img(key_file['test_img']) dataset['test_label'] = _load_label(key_file['test_label']) return dataset def init_mnist(): download_mnist() dataset = _convert_numpy() print("Creating pickle file ...") with open(save_file, 'wb') as f: pickle.dump(dataset, f, -1) print("Done!") def _change_one_hot_label(X): T = np.zeros((X.size, 10)) for idx, row in enumerate(T): row[X[idx]] = 1 return T def load_mnist(normalize=True, flatten=True, one_hot_label=False): """讀入MNIST資料集 Parameters ---------- normalize : 將影象的畫素值正規化為0.0~1.0 one_hot_label : one_hot_label為True的情況下,標籤作為one-hot陣列返回 one-hot陣列是指[0,0,1,0,0,0,0,0,0,0]這樣的陣列 flatten : 是否將影象展開為一維陣列 Returns ------- (訓練影象, 訓練標籤), (測試影象, 測試標籤) """ if not os.path.exists(save_file): init_mnist() with open(save_file, 'rb') as f: dataset = pickle.load(f) if normalize: for key in ('train_img', 'test_img'): dataset[key] = dataset[key].astype(np.float32) dataset[key] /= 255.0 if one_hot_label: dataset['train_label'] = _change_one_hot_label(dataset['train_label']) dataset['test_label'] = _change_one_hot_label(dataset['test_label']) if not flatten: for key in ('train_img', 'test_img'): dataset[key] = dataset[key].reshape(-1, 1, 28, 28) return (dataset['train_img'], dataset['train_label']), (dataset['test_img'], dataset['test_label']) if __name__ == '__main__': init_mnist()
使用上述檔案中的函數就可以直接得到手寫數位的訓練資料、訓練標籤,測試樣本以及測試標籤。
接下里使用如下程式碼就可以進行手寫數位的訓練,程式碼如下:
import numpy as np from numpy.lib.function_base import select from dataset.mnist import load_mnist import matplotlib.pylab as plt def sigmoid(x): return 1 / (1 + np.exp(-x)) def sigmoid_grad(x): return (1.0 - sigmoid(x)) * sigmoid(x) def softmax(x): if x.ndim == 2: x = x.T x = x - np.max(x, axis=0) y = np.exp(x) / np.sum(np.exp(x), axis=0) return y.T x = x - np.max(x) # 溢位對策 return np.exp(x) / np.sum(np.exp(x)) def cross_entropy_error(y, t): if y.ndim == 1: t = t.reshape(1, t.size) y = y.reshape(1, y.size) # 監督資料是one-hot-vector的情況下,轉換為正確解標籤的索引 if t.size == y.size: t = t.argmax(axis=1) batch_size = y.shape[0] return -np.sum(np.log(y[np.arange(batch_size), t] + 1e-7)) / batch_size def numerical_gradient(f, x): h = 1e-4 # 0.0001 grad = np.zeros_like(x) it = np.nditer(x, flags=['multi_index'], op_flags=['readwrite']) while not it.finished: idx = it.multi_index tmp_val = x[idx] x[idx] = float(tmp_val) + h fxh1 = f(x) # f(x+h) x[idx] = tmp_val - h fxh2 = f(x) # f(x-h) grad[idx] = (fxh1 - fxh2) / (2*h) x[idx] = tmp_val # 還原值 it.iternext() return grad #(x_train,t_train),(x_test,t_test)=load_mnist(normalize=True,one_hot_label=True) #兩層神經網路的類 class TwoLayerNet: def __init__(self,input_size,hidden_size,output_size,weight_init_std=0.01): #初始化權重 self.params={} self.params['W1']=weight_init_std*np.random.randn(input_size,hidden_size) self.params['b1']=np.zeros(hidden_size) self.params['W2']=weight_init_std*np.random.randn(hidden_size,output_size) self.params['b2']=np.zeros(output_size) def predict(self,x): W1,W2=self.params['W1'],self.params['W2'] b1,b2=self.params['b1'],self.params['b2'] a1=np.dot(x,W1)+b1 z1=sigmoid(a1) a2=np.dot(z1,W2)+b2 y=softmax(a2) return y #損失函數 def loss(self,x,t): y=self.predict(x) return cross_entropy_error(y,t) #數值微分法 def numerical_gradient(self,x,t): loss_W=lambda W:self.loss(x,t) grads={} grads['W1']=numerical_gradient(loss_W,self.params['W1']) grads['b1']=numerical_gradient(loss_W,self.params['b1']) grads['W2']=numerical_gradient(loss_W,self.params['W2']) grads['b2']=numerical_gradient(loss_W,self.params['b2']) return grads #誤差反向傳播法 def gradient(self, x, t): W1, W2 = self.params['W1'], self.params['W2'] b1, b2 = self.params['b1'], self.params['b2'] grads = {} batch_num = x.shape[0] # forward a1 = np.dot(x, W1) + b1 z1 = sigmoid(a1) a2 = np.dot(z1, W2) + b2 y = softmax(a2) # backward dy = (y - t) / batch_num grads['W2'] = np.dot(z1.T, dy) grads['b2'] = np.sum(dy, axis=0) da1 = np.dot(dy, W2.T) dz1 = sigmoid_grad(a1) * da1 grads['W1'] = np.dot(x.T, dz1) grads['b1'] = np.sum(dz1, axis=0) return grads #準確率 def accuracy(self,x,t): y=self.predict(x) y=np.argmax(y,axis=1) t=np.argmax(t,axis=1) accuracy=np.sum(y==t)/float(x.shape[0]) return accuracy if __name__=='__main__': (x_train,t_train),(x_test,t_test)=load_mnist(normalize=True,one_hot_label=True) net=TwoLayerNet(input_size=784,hidden_size=50,output_size=10) train_loss_list=[] #超引數 iter_nums=10000 train_size=x_train.shape[0] batch_size=100 learning_rate=0.1 #記錄準確率 train_acc_list=[] test_acc_list=[] #平均每個epoch的重複次數 iter_per_epoch=max(train_size/batch_size,1) for i in range(iter_nums): #小批次資料 batch_mask=np.random.choice(train_size,batch_size) x_batch=x_train[batch_mask] t_batch=t_train[batch_mask] #計算梯度 #數值微分 計算很慢 #grad=net.numerical_gradient(x_batch,t_batch) #誤差反向傳播法 計算很快 grad=net.gradient(x_batch,t_batch) #更新引數 權重W和偏重b for key in ['W1','b1','W2','b2']: net.params[key]-=learning_rate*grad[key] #記錄學習過程 loss=net.loss(x_batch,t_batch) print('訓練次數:'+str(i)+' loss:'+str(loss)) train_loss_list.append(loss) #計算每個epoch的識別精度 if i%iter_per_epoch==0: #測試在所有訓練資料和測試資料上的準確率 train_acc=net.accuracy(x_train,t_train) test_acc=net.accuracy(x_test,t_test) train_acc_list.append(train_acc) test_acc_list.append(test_acc) print('train acc:'+str(train_acc)+' test acc:'+str(test_acc)) print(train_acc_list) print(test_acc_list) # 繪製圖形 markers = {'train': 'o', 'test': 's'} x = np.arange(len(train_acc_list)) plt.plot(x, train_acc_list, label='train acc') plt.plot(x, test_acc_list, label='test acc', linestyle='--') plt.xlabel("epochs") plt.ylabel("accuracy") plt.ylim(0, 1.0) plt.legend(loc='lower right') plt.show()
訓練完成後,檢視繪製準確率的圖片,可以獲取到成功實現了手寫數位識別。
隨著訓練批次的增加,準確率逐漸增大接近於1,說明訓練過程按著正確擬合的方向前進。
到此這篇關於純numpy實現數值微分法實現手寫數位識別的文章就介紹到這了,更多相關numpy 手寫數位識別內容請搜尋it145.com以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以後多多支援it145.com!
相關文章
<em>Mac</em>Book项目 2009年学校开始实施<em>Mac</em>Book项目,所有师生配备一本<em>Mac</em>Book,并同步更新了校园无线网络。学校每周进行电脑技术更新,每月发送技术支持资料,极大改变了教学及学习方式。因此2011
2021-06-01 09:32:01
综合看Anker超能充系列的性价比很高,并且与不仅和iPhone12/苹果<em>Mac</em>Book很配,而且适合多设备充电需求的日常使用或差旅场景,不管是安卓还是Switch同样也能用得上它,希望这次分享能给准备购入充电器的小伙伴们有所
2021-06-01 09:31:42
除了L4WUDU与吴亦凡已经多次共事,成为了明面上的厂牌成员,吴亦凡还曾带领20XXCLUB全队参加2020年的一场音乐节,这也是20XXCLUB首次全员合照,王嗣尧Turbo、陈彦希Regi、<em>Mac</em> Ova Seas、林渝植等人全部出场。然而让
2021-06-01 09:31:34
目前应用IPFS的机构:1 谷歌<em>浏览器</em>支持IPFS分布式协议 2 万维网 (历史档案博物馆)数据库 3 火狐<em>浏览器</em>支持 IPFS分布式协议 4 EOS 等数字货币数据存储 5 美国国会图书馆,历史资料永久保存在 IPFS 6 加
2021-06-01 09:31:24
开拓者的车机是兼容苹果和<em>安卓</em>,虽然我不怎么用,但确实兼顾了我家人的很多需求:副驾的门板还配有解锁开关,有的时候老婆开车,下车的时候偶尔会忘记解锁,我在副驾驶可以自己开门:第二排设计很好,不仅配置了一个很大的
2021-06-01 09:30:48
不仅是<em>安卓</em>手机,苹果手机的降价力度也是前所未有了,iPhone12也“跳水价”了,发布价是6799元,如今已经跌至5308元,降价幅度超过1400元,最新定价确认了。iPhone12是苹果首款5G手机,同时也是全球首款5nm芯片的智能机,它
2021-06-01 09:30:45