神经网络基础
神经网网络基础
原理
凡是模仿人的神经网络构建出来的数学模型，都叫神经网络,或者人工神经网络。
神经网络可以归为三块：
- BP神经网络
神经网络非常多，今天你根据生物神经网络构建一个模型，明天我根据生物神经网络构建一个。1986年，来了两个家伙Romelhart 和Mcclelland，提出了一个特殊的结构，并命名： BP神经网络 。BP神经网络提出后，瞬间崛起后当了主力军。在不特指时，往往说神经网络都是指BP神经网络。
- 深度学习
BP神经网络虽然很好用，但当要处理图象，音频，文字等问题时，却不行了，BP神经网络的参数会随着输入个数指数增长。例如一个50 * 50像素的图象，就有2500个输入 。假设有100个隐节点，则2500个输入在第一层的权重参数就有2500 * 100个 ， 参数个数量级太爆炸，导致BP在求解时，很难找到优秀解就宕机了。这本来是个没办法的事，但偏偏图象，音频这些问题，它的输入存在很严重的相关性（例如相邻像素的值总是相近的）因此，可以根据这个业务特性，进行输入个数压缩，或者在求解时根据这个业务特性进行特殊讨巧（例如相邻输入对应的权重参数共享）使BP神经网络又可以解决这类问题了。问题解决了，BP还是BP，挂个名： 深度学习！你可以把深度学习看作是BP神经网络的一种加强版，解决输入极极极极多的问题。
- 其它神经网络
感知机、Hopfield神经网络、径向基神经网络等等
BP神经网络是可以解决很多问题的，比较万能，但我们不会所有问题都会使用BP神经网络。在我们在知道X，Y之间的一些特性的条件下，我们更愿意充分利用这些特性，建立其他模型，这样更具解释性 。例如，我们知道X，Y之间是线性关系，我们就会建立线性回归模型，而不是BP神经网络。
神经元与神经元之间是以神经冲动的模式进行传值,信号到了神经元，都是以电信号的形式存在,
当电信号在神经元积累到超过阈值时，就会触发神经冲动，将电信号传给其它神经元。
正是根据这个思路，就构造出了以上的神经网络结构。
tip
简单示例
一张28*28的图片可以抽象为一个784维的向量，每个像素点的值就是向量的一个分量。我们可以将这个向量作为输入，通过神经网络，输出一个10维的向量，每个分量代表图片属于某个数字的概率。
一个有784个输入节点，16个隐藏节点，10个输出节点的神经网络结构，用线性代数的方法简洁表示层与层之间的权重：
矩阵表示
import numpy
# 确保绘图在此nb中进行，而不是在外部窗口中
class NeuralNetwork:
# 初始化神经网络
def __init__(self, inputnodes, hiddennodes, outputnodes, learningrate):
# 设置每个输入、隐藏和输出层的节点数
self.inodes = inputnodes
self.hnodes = hiddennodes
self.onodes = outputnodes
# 连接权重矩阵，wih 和 who
# 数组中的权重是 w_i_j，其中链接从上一层的节点 i 到下一层的节点 j
# w11 w21
# w12 w22 等等
# 返回正态分布数据
self.wih = numpy.random.normal(0.0, pow(self.inodes, -0.5), (self.hnodes, self.inodes))
self.who = numpy.random.normal(0.0, pow(self.hnodes, -0.5), (self.onodes, self.hnodes))
# 学习率
self.lr = learningrate
# 激活函数是 sigmoid 函数
self.activation_function = lambda x: 1 / (1 + numpy.exp(-x))
pass
# 训练神经网络
def train(self, 输入列表, 目标列表):
# 将输入列表转换为 2D 数组
inputs = numpy.array(输入列表, ndmin=2).T
targets = numpy.array(目标列表, ndmin=2).T
# 计 算进入隐藏层的信号
hidden_inputs = numpy.dot(self.wih, inputs)
# 计算从隐藏层出来的信号
hidden_outputs = self.activation_function(hidden_inputs)
# 计算进入最终输出层的信号
final_inputs = numpy.dot(self.who, hidden_outputs)
# 计算从最终输出层出来的信号
final_outputs = self.activation_function(final_inputs)
# 输出层误差是 (目标 - 实际)
output_errors = targets - final_outputs
# 隐藏层误差是输出误差，按权重拆分，重新组合在隐藏节点处
hidden_errors = numpy.dot(self.who.T, output_errors)
# 更新隐藏层和输出层之间的链接权重
self.who += self.lr * numpy.dot((output_errors * final_outputs * (1.0 - final_outputs)), numpy.transpose(hidden_outputs))
# 更新输入层和隐藏层之间的链接权重
self.wih += self.lr * numpy.dot((hidden_errors * hidden_outputs * (1.0 - hidden_outputs)), numpy.transpose(inputs))
pass
# 查询神经网络
def query(self, 输入列表):
# 将输入列表转换为 2D 数组
inputs = numpy.array(输入列表, ndmin=2).T
# 计算进入隐藏层的信号
hidden_inputs = numpy.dot(self.wih, inputs)
# 计算从隐藏层出来的信号
hidden_outputs = self.activation_function(hidden_inputs)
# 计算进入最终输出层的信号
final_inputs = numpy.dot(self.who, hidden_outputs)
# 计算从最终输出层出来的信号
final_outputs = self.activation_function(final_inputs)
return final_outputs
input_nodes = 64
hidden_nodes = 32
output_nodes = 10
# 学习率
learning_rate = 0.2
# 创建神经网络实例
n = NeuralNetwork(input_nodes, hidden_nodes, output_nodes, learning_rate)
from sklearn import datasets
from sklearn.model_selection import train_test_split
# 加载数据集
digits = datasets.load_digits()
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(digits.data, digits.target, test_size=0.1,random_state=0)
epochs = 2 # 回声增加样本量
for i in range(epochs):
for record in zip(y_train, X_train):
y, X = record
# 缩放和移动输入
inputs = (numpy.asfarray(X) / 16.0 * 0.99) + 0.01
# 创建目标输出值（全部为 0.01，除了所需标签为 0.99）
targets = numpy.zeros(output_nodes) + 0.01
# all_values[0] 是此记录的目标标签
targets[int(y)] = 0.99
n.train(inputs, targets)
# 我们自己的图像测试数据集
our_own_dataset = []
for i in zip(y_test, X_test):
label, img_array = i
# img_data = 16.0 - img_array
# 然后将数据缩放到范围从 0.01 到 1.0
img_data = (img_array / 16.0 * 0.99) + 0.01
# 将标签和图像数据附加到测试数据集
record = numpy.append(label, img_data)
our_own_dataset.append(record)
pass
right = 0
error = 0
for item in range(len(our_own_dataset)):
# 正确答案是第一个值
correct_label = our_own_dataset[item][0]
# print(correct_label)
# 数据是剩余的值
inputs = our_own_dataset[item][1:]
# 查询网络
outputs = n.query(inputs)
# 最高值的索引对应于标签
label = numpy.argmax(outputs)
if label != correct_label:
error += 1
else:
right += 1
print(right / (right + error))
实战应用
在现实生活中并不存在一个场景，给你单独一个数字让你进行识别。但是有一些类似的场景，譬如：车牌号、发票号码、网站的验证码等。针对这些场景，我提供一些思路：
- 我们需要对图像进行分割，下面是一个分割4个字的验证码的例子,
- 分割完成后再将结果依次做标准化处理，譬如压缩数组大小
- 逐一识别，返回结果
from PIL import ImageFont,Image,ImageDraw
# 生成一个验证码
c_chars = "0 1 2 3 4"
path = 'test.png'
size = (100,24) #图片大小
img = Image.new("RGB",size)
draw = ImageDraw.Draw(img) #draw一个
font = ImageFont.truetype("arial.ttf", 23) #字体
draw.text((5,0),c_chars,font=font,fill="white") #字颜色
# img.show()
img.save(path)
# 分割图片
def sliceImg(img_path, count = 5):
img = Image.open(img_path).convert("L")
w, h = img.size
eachWidth = int(w/count)
for i in range(count):
box = (i * eachWidth, 0, (i + 1) * eachWidth, h)
yield img.crop(box)
# 转化图片
def exchange(img):
target_size = (8, 8)
resized_image = img.resize(target_size)
# resized_image.show()
return resized_image
out = ""
for i in sliceImg(path):
# .flatten()方法将数组转化为列表
original_array = numpy.array(exchange(i)).flatten()
# 将数据0-1化
inputs = (original_array / 255.0 * 0.99) + 0.01
# 查询网络
outputs = n.query(inputs)
# print(outputs)
# 最高值的索引对应于标签
label = numpy.argmax(outputs)
out+=str(label)
print(out)
从结果上我们可以看到，0、1、2、4被正确的识别了。但数字3没有被正确的识别。请思考这个案例中，最有效的优化方式。
答案A：优化图片裁切结构，使用其他膨胀、侵蚀、over padding等算法
答案B：增加回声，强化模型能力
答案C：.....
Details
# 这里我检查了转化后8*8的数字3的图片，对比了手写数字3和手写数字8，
# 我认为生成的数字3与手写8更接近相对于与手写3
# 所以我认为的解决的方案是：给模型再喂一些生成数字3的样本。
from PIL import ImageFont,Image,ImageDraw
# 生成一个验证码
c_chars = "3 3 3 3 3"
path = 'test.png'
size = (100,24) #图片大小
img = Image.new("RGB",size)
draw = ImageDraw.Draw(img) #draw一个
font = ImageFont.truetype("arial.ttf", 23) #字体
draw.text((5,0),c_chars,font=font,fill="white") #字颜色
# img.show()
img.save(path)
# 分割图片
def sliceImg(img_path, count = 5):
img = Image.open(img_path).convert("L")
w, h = img.size
eachWidth = int(w/count)
for i in range(count):
box = (i * eachWidth, 0, (i + 1) * eachWidth, h)
yield img.crop(box)
# 转化图片
def exchange(img):
target_size = (8, 8)
resized_image = img.resize(target_size)
# resized_image.show()
return resized_image
for i in sliceImg(path):
# .flatten()方法将数组转化为列表
original_array = numpy.array(exchange(i)).flatten()
# 将数据0-1化
inputs = (original_array / 255.0 * 0.99) + 0.01
targets = numpy.zeros(output_nodes) + 0.01
# all_values[0] 是此记录的目标标签
targets[int(3)] = 0.99
n.train(inputs, targets)
# 生成一个验证码
c_chars = "0 1 2 3 4"
path = 'test.png'
size = (100,24) #图片大小
img = Image.new("RGB",size)
draw = ImageDraw.Draw(img) #draw一个
font = ImageFont.truetype("arial.ttf", 23) #字体
draw.text((5,0),c_chars,font=font,fill="white") #字颜色
# img.show()
img.save(path)
out = ""
for i in sliceImg(path):
# .flatten()方法将数组转化为列表
original_array = numpy.array(exchange(i)).flatten()
# 将数据0-1化
inputs = (original_array / 255.0 * 0.99) + 0.01
# 查询网络
outputs = n.query(inputs)
# print(outputs)
# 最高值的索引对应于标签
label = numpy.argmax(outputs)
out+=str(label)
print(out)
# 移除生成的图片，保持文件夹的整洁
import os
os.remove(path)
可以看到输出的结果已经正确的显示为1、2、3、4。如此一来。模型就算训练完成了。
torch示例
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import torchvision
import torchvision.transforms as transforms
from torch.utils.data import DataLoader
# 定义数据转换
# Compose 是一个函数，用于将多个变换组合在一起
transform = transforms.Compose([
# 将图像转换为张量
transforms.ToTensor(),
# 将图像的像素值转换为0.1307附近，标准差为0.3081
# 为什么是0.1307和0.3081？
# 因为MNIST数据集的像素值是0-255，转换为0-1之间的值
# 0.1307是MNIST数据集的均值，0.3081是MNIST数据集的标准差
# 所以需要将图像的像素值转换为0.1307附近，标准差为0.3081
transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))
])
# 加载MNIST数据集
# root：数据集的根目录
# train：是否为训练集(获取带有train=True的数据集)
# download：是否下载数据集，如果没有，则下载
# transform：数据转换
train_dataset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)
test_dataset = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform)
# 创建数据加载器
# batch_size：每个batch（批次）的大小
# 如果batch_size=1，则每次只取一个样本，则不需要打乱数据集
# 如果batch_size=1000，则每次取1000个样本，则需要打乱数据集
# 较大的batch_size可以提高训练速度，但可能会导致内存不足
# shuffle：是否打乱数据集
batch_size = 32
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False)
# 定义神经网络模型
# 继承自nn.Module，所以需要实现forward方法
class NeuralNetwork(nn.Module):
def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size):
# 调用父类nn.Module的构造函数
super(NeuralNetwork, self).__init__()
# 初始化线性层1
self.layer1 = nn.Linear(input_size, hidden_size)
# 初始化ReLU激活函数
self.relu = nn.ReLU()
# 初始化线性层2
self.layer2 = nn.Linear(hidden_size, output_size)
# 在PyTorch中forward是一个特殊方法名，是模型正向传播 的标准命名
# 由于nn.Module继承自nn.Module，所以需要实现forward方法，forward方法中的数据会被记录，用于下方loss.backward()自动反向传播
def forward(self, x):
# 将图像展平
x = x.reshape(-1, input_size)
# 执行线性层1的前向传播计算
x = self.layer1(x)
# 执行ReLU激活函数
x = self.relu(x)
# 执行线性层2的前向传播计算
x = self.layer2(x)
return x
# # 反向传播
# def backward(self, x):
# # 执行线性层1的反向传播计算
# x = self.layer1.backward(x)
# # 执行ReLU激活函数的反向传播计算
# x = self.relu.backward(x)
# # 执行线性层2的反向传播计算
# x = self.layer2.backward(x)
# 创建模型实例
# 输入层：28*28=784
input_size = 28 * 28
# 隐藏层：128（可以设置为其他值，通常设为2的幂次方，且不超过输入层的一半）
hidden_size = 128
# 输出层：10 （因为MNIST数据集有10个类别）
output_size = 10
model = NeuralNetwork(input_size, hidden_size, output_size)
# 定义损失函数和优化器
# 重点1：损失函数
# 常见的损失函数有：交叉熵、均方误差
# 交叉熵损失函数：用于分类问题，计算预测值和真实值之间的差异
# 公式：loss = -sum(y_true * log(y_pred))
# 均方误差：用于回归问题，计算预测值和真实值之间的差异
# 公式：loss = sum((y_true - y_pred) ** 2)
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
# 重点2：优化器
# 常见的优化器有：随机梯度下降、Adam、RMSprop等
# SGD：随机梯度下降
# 公式：optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)
# lr：学习率，用于控制每次更新参数的步长
# momentum：动量，用于加速梯度下降
# 梯度计算公式与momentum有关，最终更新的梯度为：g_v = momentum * g_v + lr * grad
# 其中grad是梯度，lr是学习率，momentum是动量，g_v是最终更新的梯度
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, momentum=0.9)
# 训练模型，epochs是训练的轮数，训练的轮数越多，训练的越充分，但训练时间越长
# 训练的前期梯度下降较多，后期梯度下降较少，因为后期梯度较小，所以需要较小的学习率
epochs = 5
for epoch in range(epochs):
running_loss = 0.0
for i, (images, labels) in enumerate(train_loader):
# 模型训练,把模型设置为训练模式
# 激活BatchNorm层的参数更新机制，使用当前批次的均值和方差进行归一化，并更新运行时统计值
# 激活Dropout层，随机丢弃一部分神经元，防止过拟合
# 确保梯度计算和参数更新正常进行
model.train()
# 前向传播
outputs = model(images)
# 计算损失
loss = criterion(outputs, labels)
# 梯度清零，如果不清零，梯度会累加
optimizer.zero_grad()
# 反向传播
'''
PyTorch的自动微分引擎很智能（你也可以在模型中像构建前向传播一样，手动设置backward方法），它能够自动处理梯度在计算图中的流动。
不需要我们明确指定梯度应该传播到哪个模型。
只要模型的参数参与了损失的计算，它们就会自动成为梯度计算的一部分。
1. 当你执行前向计算时，PyTorch会在后台构建一个动态计算图，记录所有操作及其依赖关系。每个张量都会存储信息，指向创建它的操作（存储在`grad_fn`属性中）。
2. 损失函数（如`loss`）是这个计算图的一个节点，通过`.backward()`方法，PyTorch会从这个节点开始沿着计算图向后追踪所有需要计算梯度的参数。
3. 当创建模型时，所有参数都会自动设置`requires_grad=True`，这些参数会被纳入计算图中。当计算损失时，这些参数通过一系列操作与损失函数相连接。
4. PyTorch会自动追踪从损失到各个参数的路径，不需要明确指定模型。这是因为计算图包含了所有操作的完整记录，包括哪些参数参与了计算。
'''
loss.backward()
# 更新参数,更新参数的公式为：weight = weight - lr * grad
optimizer.step()
# 累计损失
running_loss += loss.item()
# 每个epoch结束后计算准确率
correct = 0
total = 0
# 测试模型
# 测试模型时，不需要计算梯度，即关闭后台自动的梯度计算
with torch.no_grad():
# 加载测试集
for images, labels in test_loader:
# 测试模型，把模型设置为测试模式
# BatchNorm层会使用运行时统计数据而不是批次统计数据
# Dropout层会停止随机丢弃神经元
model.eval()
outputs = model(images)
# 获取预测值
# 区别与torch.maximum
# torch.max会返回两个值，一个是最大值，一个是最大值的索引
# 而torch.maximum只会返回最大值
# 点击进入这个方法，可以看到示例
_, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
# 累计样本数,labels.size(0) 表示当前批次中样本的数量。
# 在测试过程中，当使用 DataLoader 加载数据时，每个批次可能包含多个样本（由 batch_size 决定）。
total += labels.size(0)
# 累计正确样本数
# 计算预测值与真实值相等的样本数
print(predicted) # 得到长度为batch_size的向量（预测值）
print(labels) # 得到长度为batch_size的向量(真实值)
# 计算预测值与真实值相等的样本数
test = (predicted == labels)
# [ True .... False ],Python计算布尔值的时候，把True当作1，False当作0
# 所以test.sum()就是预测值与真实值相等的样本数
# .item() 方法用于将张量转换为标量（即一个数值）用于加法计算
correct += test.sum().item()
accuracy = correct / total
print(f'Epoch {epoch+1}/{epochs}, Loss: {running_loss/len(train_loader):.4f}, Accuracy: {accuracy:.4f}')
# 评估模型
correct = 0
total = 0
# 关闭梯度计算
with torch.no_grad():
for images, labels in test_loader:
# 测试模型，把模型设置为测试模式
"""
本代码不加model.train()和model.eval()原因有以下几点：
1. 模型中没有BatchNorm和Dropout等层，调用与否确实不会有区别
2. 创建模型后，PyTorch默认是训练模式，所以不调用model.train()也能正常训练，只有明确调用model.eval()后才会切换到评估模式
更复杂的模型如ResNet、BERT等都包含这些层。
所以需要养成习惯始终在相应阶段调用model.train()和model.eval()
这样代码更规范，也能避免在模型变复杂后出现意外问题。
"""
model.eval()
outputs = model(images)
_, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
total += labels.size(0)
correct += (predicted == labels).sum().item()
accuracy = correct / total
print(f'测试集准确率: {accuracy:.4f}')