Numpy实现卷积神经网络(CNN)的示例


Posted in Python onOctober 09, 2020
import numpy as np
import sys


def conv_(img, conv_filter):
  filter_size = conv_filter.shape[1]
  result = np.zeros((img.shape))
  # 循环遍历图像以应用卷积运算
  for r in np.uint16(np.arange(filter_size/2.0, img.shape[0]-filter_size/2.0+1)):
    for c in np.uint16(np.arange(filter_size/2.0, img.shape[1]-filter_size/2.0+1)):
      # 卷积的区域
      curr_region = img[r-np.uint16(np.floor(filter_size/2.0)):r+np.uint16(np.ceil(filter_size/2.0)),
             c-np.uint16(np.floor(filter_size/2.0)):c+np.uint16(np.ceil(filter_size/2.0))]
      # 卷积操作
      curr_result = curr_region * conv_filter
      conv_sum = np.sum(curr_result)
      # 将求和保存到特征图中
      result[r, c] = conv_sum

    # 裁剪结果矩阵的异常值
  final_result = result[np.uint16(filter_size/2.0):result.shape[0]-np.uint16(filter_size/2.0),
          np.uint16(filter_size/2.0):result.shape[1]-np.uint16(filter_size/2.0)]
  return final_result


def conv(img, conv_filter):
  # 检查图像通道的数量是否与过滤器深度匹配
  if len(img.shape) > 2 or len(conv_filter.shape) > 3:
    if img.shape[-1] != conv_filter.shape[-1]:
      print("错误:图像和过滤器中的通道数必须匹配")
      sys.exit()

  # 检查过滤器是否是方阵
  if conv_filter.shape[1] != conv_filter.shape[2]:
    print('错误:过滤器必须是方阵')
    sys.exit()

  # 检查过滤器大小是否是奇数
  if conv_filter.shape[1] % 2 == 0:
    print('错误:过滤器大小必须是奇数')
    sys.exit()

  # 定义一个空的特征图,用于保存过滤器与图像的卷积输出
  feature_maps = np.zeros((img.shape[0] - conv_filter.shape[1] + 1,
               img.shape[1] - conv_filter.shape[1] + 1,
               conv_filter.shape[0]))

  # 卷积操作
  for filter_num in range(conv_filter.shape[0]):
    print("Filter ", filter_num + 1)
    curr_filter = conv_filter[filter_num, :]

    # 检查单个过滤器是否有多个通道。如果有,那么每个通道将对图像进行卷积。所有卷积的结果加起来得到一个特征图。
    if len(curr_filter.shape) > 2:
      conv_map = conv_(img[:, :, 0], curr_filter[:, :, 0])
      for ch_num in range(1, curr_filter.shape[-1]):
        conv_map = conv_map + conv_(img[:, :, ch_num], curr_filter[:, :, ch_num])
    else:
      conv_map = conv_(img, curr_filter)
    feature_maps[:, :, filter_num] = conv_map
  return feature_maps


def pooling(feature_map, size=2, stride=2):
  # 定义池化操作的输出
  pool_out = np.zeros((np.uint16((feature_map.shape[0] - size + 1) / stride + 1),
             np.uint16((feature_map.shape[1] - size + 1) / stride + 1),
             feature_map.shape[-1]))

  for map_num in range(feature_map.shape[-1]):
    r2 = 0
    for r in np.arange(0, feature_map.shape[0] - size + 1, stride):
      c2 = 0
      for c in np.arange(0, feature_map.shape[1] - size + 1, stride):
        pool_out[r2, c2, map_num] = np.max([feature_map[r: r+size, c: c+size, map_num]])
        c2 = c2 + 1
      r2 = r2 + 1
  return pool_out
import skimage.data
import numpy
import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt
import NumPyCNN as numpycnn

# 读取图像
img = skimage.data.chelsea()
# 转成灰度图像
img = skimage.color.rgb2gray(img)

# 初始化卷积核
l1_filter = numpy.zeros((2, 3, 3))
# 检测垂直边缘
l1_filter[0, :, :] = numpy.array([[[-1, 0, 1], [-1, 0, 1], [-1, 0, 1]]])
# 检测水平边缘
l1_filter[1, :, :] = numpy.array([[[1, 1, 1], [0, 0, 0], [-1, -1, -1]]])

"""
第一个卷积层
"""
# 卷积操作
l1_feature_map = numpycnn.conv(img, l1_filter)
# ReLU
l1_feature_map_relu = numpycnn.relu(l1_feature_map)
# Pooling
l1_feature_map_relu_pool = numpycnn.pooling(l1_feature_map_relu, 2, 2)

"""
第二个卷积层
"""
# 初始化卷积核
l2_filter = numpy.random.rand(3, 5, 5, l1_feature_map_relu_pool.shape[-1])
# 卷积操作
l2_feature_map = numpycnn.conv(l1_feature_map_relu_pool, l2_filter)
# ReLU
l2_feature_map_relu = numpycnn.relu(l2_feature_map)
# Pooling
l2_feature_map_relu_pool = numpycnn.pooling(l2_feature_map_relu, 2, 2)

"""
第三个卷积层
"""
# 初始化卷积核
l3_filter = numpy.random.rand(1, 7, 7, l2_feature_map_relu_pool.shape[-1])
# 卷积操作
l3_feature_map = numpycnn.conv(l2_feature_map_relu_pool, l3_filter)
# ReLU
l3_feature_map_relu = numpycnn.relu(l3_feature_map)
# Pooling
l3_feature_map_relu_pool = numpycnn.pooling(l3_feature_map_relu, 2, 2)

"""
结果可视化
"""
fig0, ax0 = plt.subplots(nrows=1, ncols=1)
ax0.imshow(img).set_cmap("gray")
ax0.set_title("Input Image")
ax0.get_xaxis().set_ticks([])
ax0.get_yaxis().set_ticks([])
plt.savefig("in_img1.png", bbox_inches="tight")
plt.close(fig0)

# 第一层
fig1, ax1 = plt.subplots(nrows=3, ncols=2)
ax1[0, 0].imshow(l1_feature_map[:, :, 0]).set_cmap("gray")
ax1[0, 0].get_xaxis().set_ticks([])
ax1[0, 0].get_yaxis().set_ticks([])
ax1[0, 0].set_title("L1-Map1")

ax1[0, 1].imshow(l1_feature_map[:, :, 1]).set_cmap("gray")
ax1[0, 1].get_xaxis().set_ticks([])
ax1[0, 1].get_yaxis().set_ticks([])
ax1[0, 1].set_title("L1-Map2")

ax1[1, 0].imshow(l1_feature_map_relu[:, :, 0]).set_cmap("gray")
ax1[1, 0].get_xaxis().set_ticks([])
ax1[1, 0].get_yaxis().set_ticks([])
ax1[1, 0].set_title("L1-Map1ReLU")

ax1[1, 1].imshow(l1_feature_map_relu[:, :, 1]).set_cmap("gray")
ax1[1, 1].get_xaxis().set_ticks([])
ax1[1, 1].get_yaxis().set_ticks([])
ax1[1, 1].set_title("L1-Map2ReLU")

ax1[2, 0].imshow(l1_feature_map_relu_pool[:, :, 0]).set_cmap("gray")
ax1[2, 0].get_xaxis().set_ticks([])
ax1[2, 0].get_yaxis().set_ticks([])
ax1[2, 0].set_title("L1-Map1ReLUPool")

ax1[2, 1].imshow(l1_feature_map_relu_pool[:, :, 1]).set_cmap("gray")
ax1[2, 0].get_xaxis().set_ticks([])
ax1[2, 0].get_yaxis().set_ticks([])
ax1[2, 1].set_title("L1-Map2ReLUPool")

plt.savefig("L1.png", bbox_inches="tight")
plt.close(fig1)

# 第二层
fig2, ax2 = plt.subplots(nrows=3, ncols=3)
ax2[0, 0].imshow(l2_feature_map[:, :, 0]).set_cmap("gray")
ax2[0, 0].get_xaxis().set_ticks([])
ax2[0, 0].get_yaxis().set_ticks([])
ax2[0, 0].set_title("L2-Map1")

ax2[0, 1].imshow(l2_feature_map[:, :, 1]).set_cmap("gray")
ax2[0, 1].get_xaxis().set_ticks([])
ax2[0, 1].get_yaxis().set_ticks([])
ax2[0, 1].set_title("L2-Map2")

ax2[0, 2].imshow(l2_feature_map[:, :, 2]).set_cmap("gray")
ax2[0, 2].get_xaxis().set_ticks([])
ax2[0, 2].get_yaxis().set_ticks([])
ax2[0, 2].set_title("L2-Map3")

ax2[1, 0].imshow(l2_feature_map_relu[:, :, 0]).set_cmap("gray")
ax2[1, 0].get_xaxis().set_ticks([])
ax2[1, 0].get_yaxis().set_ticks([])
ax2[1, 0].set_title("L2-Map1ReLU")

ax2[1, 1].imshow(l2_feature_map_relu[:, :, 1]).set_cmap("gray")
ax2[1, 1].get_xaxis().set_ticks([])
ax2[1, 1].get_yaxis().set_ticks([])
ax2[1, 1].set_title("L2-Map2ReLU")

ax2[1, 2].imshow(l2_feature_map_relu[:, :, 2]).set_cmap("gray")
ax2[1, 2].get_xaxis().set_ticks([])
ax2[1, 2].get_yaxis().set_ticks([])
ax2[1, 2].set_title("L2-Map3ReLU")

ax2[2, 0].imshow(l2_feature_map_relu_pool[:, :, 0]).set_cmap("gray")
ax2[2, 0].get_xaxis().set_ticks([])
ax2[2, 0].get_yaxis().set_ticks([])
ax2[2, 0].set_title("L2-Map1ReLUPool")

ax2[2, 1].imshow(l2_feature_map_relu_pool[:, :, 1]).set_cmap("gray")
ax2[2, 1].get_xaxis().set_ticks([])
ax2[2, 1].get_yaxis().set_ticks([])
ax2[2, 1].set_title("L2-Map2ReLUPool")

ax2[2, 2].imshow(l2_feature_map_relu_pool[:, :, 2]).set_cmap("gray")
ax2[2, 2].get_xaxis().set_ticks([])
ax2[2, 2].get_yaxis().set_ticks([])
ax2[2, 2].set_title("L2-Map3ReLUPool")

plt.savefig("L2.png", bbox_inches="tight")
plt.close(fig2)

# 第三层
fig3, ax3 = plt.subplots(nrows=1, ncols=3)
ax3[0].imshow(l3_feature_map[:, :, 0]).set_cmap("gray")
ax3[0].get_xaxis().set_ticks([])
ax3[0].get_yaxis().set_ticks([])
ax3[0].set_title("L3-Map1")

ax3[1].imshow(l3_feature_map_relu[:, :, 0]).set_cmap("gray")
ax3[1].get_xaxis().set_ticks([])
ax3[1].get_yaxis().set_ticks([])
ax3[1].set_title("L3-Map1ReLU")

ax3[2].imshow(l3_feature_map_relu_pool[:, :, 0]).set_cmap("gray")
ax3[2].get_xaxis().set_ticks([])
ax3[2].get_yaxis().set_ticks([])
ax3[2].set_title("L3-Map1ReLUPool")

plt.savefig("L3.png", bbox_inches="tight")
plt.close(fig3)

以上就是Numpy实现卷积神经网络(CNN)的示例的详细内容,更多关于Numpy实现卷积神经网络的资料请关注三水点靠木其它相关文章!

Python 相关文章推荐
Python合并两个字典的常用方法与效率比较
Jun 17 Python
Python实现多线程HTTP下载器示例
Feb 11 Python
python实现转盘效果 python实现轮盘抽奖游戏
Jan 22 Python
python-tkinter之按钮的使用,开关方法
Jun 11 Python
python下的opencv画矩形和文字注释的实现方法
Jul 09 Python
django 2.2和mysql使用的常见问题
Jul 18 Python
django多文件上传,form提交,多对多外键保存的实例
Aug 06 Python
python实现输入任意一个大写字母生成金字塔的示例
Oct 27 Python
Python中实现输入超时及如何通过变量获取变量名
Jan 18 Python
python实现梯度法 python最速下降法
Mar 24 Python
OpenCV+python实现膨胀和腐蚀的示例
Dec 21 Python
Python  lambda匿名函数和三元运算符
Apr 19 Python
Python使用socket_TCP实现小文件下载功能
Oct 09 #Python
python实现逻辑回归的示例
Oct 09 #Python
Django生成数据库及添加用户报错解决方案
Oct 09 #Python
pip已经安装好第三方库但pycharm中import时还是标红的解决方案
Oct 09 #Python
python实现数据结构中双向循环链表操作的示例
Oct 09 #Python
Python collections模块的使用方法
Oct 09 #Python
python爬取代理IP并进行有效的IP测试实现
Oct 09 #Python
You might like
本地计算机无法启动Apache故障处理
2014/08/08 PHP
php中使用sftp教程
2015/03/30 PHP
PHP中ltrim与rtrim去除左右空格及特殊字符实例
2016/01/07 PHP
js实现的类似于asp数据字典的数据类型代码实例
2014/09/03 Javascript
JavaScript插件化开发教程 (二)
2015/01/27 Javascript
关于事件mouseover ,mouseout ,mouseenter,mouseleave的区别
2015/10/12 Javascript
JavaScript中函数声明与函数表达式的区别详解
2016/08/18 Javascript
基于WebUploader的文件上传js插件
2016/08/19 Javascript
让DIV的滚动条自动滚动到最底部的3种方法(推荐)
2016/09/24 Javascript
微信小程序实现人脸识别
2018/05/25 Javascript
JS实现图片转换成base64的各种应用场景实例分析
2018/06/22 Javascript
JavaScript原型对象原理与应用分析
2018/12/27 Javascript
EasyUI 数据表格datagrid列自适应内容宽度的实现
2019/07/18 Javascript
vue.js中使用微信扫一扫解决invalid signature问题(完美解决)
2020/04/11 Javascript
vue项目启动出现cannot GET /服务错误的解决方法
2020/04/26 Javascript
在Python中使用HTML模版的教程
2015/04/29 Python
Python检测字符串中是否包含某字符集合中的字符
2015/05/21 Python
Python的GUI框架PySide的安装配置教程
2016/02/16 Python
利用Python破解验证码实例详解
2016/12/08 Python
Python yield与实现方法代码分析
2018/02/06 Python
Django应用程序入口WSGIHandler源码解析
2019/08/05 Python
Python使用ffmpy将amr格式的音频转化为mp3格式的例子
2019/08/08 Python
python requests证书问题解决
2019/09/05 Python
python操作微信自动发消息的实现(微信聊天机器人)
2020/07/14 Python
Django实现微信小程序支付的示例代码
2020/09/03 Python
计算机网络专业个人的自我评价
2013/10/17 职场文书
刘胡兰的英雄事迹材料
2014/02/11 职场文书
大学生两会学习心得体会
2014/03/10 职场文书
商场租赁意向书
2014/07/30 职场文书
收费员岗位职责
2015/02/14 职场文书
北大自主招生自荐信
2015/03/04 职场文书
2015年卫生院健康教育工作总结
2015/07/24 职场文书
五年级数学教学反思
2016/02/16 职场文书
合作合同协议书
2016/03/21 职场文书
python实现过滤敏感词
2021/05/08 Python
收音机爱好者玩机13年,简评其使用过的19台收音机
2022/04/30 无线电