基于MLP完成CIFAR-10数据集和UCI wine数据集的分类

基于MLP完成CIFAR-10数据集和UCI wine数据集的分类，使用到了sklearn和tensorflow，并对图片分类进行了数据可视化展示

数据集介绍

UCI wine数据集：

http://archive.ics.uci.edu/dataset/109/wine

这些数据是对意大利同一地区种植的葡萄酒进行化学分析的结果，但来自三个不同的品种。该分析确定了三种葡萄酒中每一种中发现的13种成分的数量。

CIFAR-10数据集：

https://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar.html

CIFAR-10 数据集由 10 类 60000 张 32x32 彩色图像组成，每类 6000 张图像。有 50000 张训练图像和 10000 张测试图像。

数据集分为 5 个训练批次和 1 个测试批次，每个批次有 10000 张图像。测试批次正好包含从每个类中随机选择的 1000 张图像。训练批次以随机顺序包含剩余的图像，但某些训练批次可能包含来自一个类的图像多于另一个类。在它们之间，训练批次正好包含来自每个类的 5000 张图像

MLP算法

MLP 代表多层感知器（Multilayer Perceptron），是一种基本的前馈神经网络（Feedforward Neural Network）模型。它由一个输入层、一个或多个隐藏层和一个输出层组成，其中每个层都包含多个神经元（或称为节点）。MLP 是一种强大的模型，常用于解决分类和回归问题。

MLP 的基本组成部分如下：

输入层（Input Layer）：接收原始数据的输入层，每个输入节点对应输入特征。
隐藏层（Hidden Layer）：
位于输入层和输出层之间的一层或多层神经元。每个神经元通过权重与前一层的所有节点相连接，并通过激活函数进行非线性变换。隐藏层的存在使得网络能够学习输入数据的复杂特征。
输出层（Output Layer）：提供最终的网络输出。对于不同的问题，输出层的激活函数可能不同。例如，对于二分类问题，可以使用
sigmoid 激活函数；对于多分类问题，可以使用 softmax 激活函数。

模型构建

UCI wine：

我们加载 sklearn.datasets 中的 load_wine作为训练数据，划分为数据集和测试集，并进行标准化操作

接着调用 MLPClassifier(hidden_layer_sizes=(100,), max_iter=1000, random_state=42) 创建模型

训练后在测试集上预测，最后评估模型
在这里插入图片描述

from sklearn.neural_network import MLPClassifier
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.datasets import load_wine
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import accuracy_score, classification_report, confusion_matrix
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

# 加载Iris数据集
# iris = load_iris()
# X = iris.data
# y = iris.target

wine = load_wine()
X = wine.data
y = wine.target

# 划分训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

# 数据标准化
scaler = StandardScaler()
X_train_scaled = scaler.fit_transform(X_train)
X_test_scaled = scaler.transform(X_test)

# 构建MLP模型
mlp = MLPClassifier(hidden_layer_sizes=(100,), max_iter=1000, random_state=42)

# 训练模型
mlp.fit(X_train_scaled, y_train)

# 在测试集上进行预测
y_pred = mlp.predict(X_test_scaled)

# 评估模型性能
accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)
conf_matrix = confusion_matrix(y_test, y_pred)
class_report = classification_report(y_test, y_pred)

# 打印结果
print("Accuracy:", accuracy)
print("\nConfusion Matrix:\n", conf_matrix)
print("\nClassification Report:\n", class_report)

CIFAR-10：

我们使用 tf.keras.datasets.cifar10中自带的数据进行训练

使用 tf.keras.Sequential() 这个函数创建模型，设置四层网络

接着对代码进行批量训练，评估和保留模型后对结果进行可视化处理

在这里插入图片描述

########cifar10数据集##########
###########保存模型############
########卷积神经网络##########
#train_x:(50000, 32, 32, 3), train_y:(50000, 1), test_x:(10000, 32, 32, 3), test_y:(10000, 1)
#60000条训练数据和10000条测试数据，32x32像素的RGB图像
#第一层两个卷积层16个3*3卷积核，一个池化层：最大池化法2*2卷积核，激活函数：ReLU
#第二层两个卷积层32个3*3卷积核，一个池化层：最大池化法2*2卷积核，激活函数：ReLU
#隐含层激活函数：ReLU函数
#输出层激活函数：softmax函数（实现多分类）
#损失函数：稀疏交叉熵损失函数
#隐含层有128个神经元，输出层有10个节点
import tensorflow as tf
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

import time
print('--------------')
nowtime = time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')
print(nowtime)

#指定GPU
#import os
#os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"] = "0"
# gpus = tf.config.experimental.list_physical_devices('GPU')
# tf.config.experimental.set_memory_growth(gpus[0],True)
#初始化
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']

#加载数据
cifar10 = tf.keras.datasets.cifar10
(train_x,train_y),(test_x,test_y) = cifar10.load_data()
print('\n train_x:%s, train_y:%s, test_x:%s, test_y:%s'%(train_x.shape,train_y.shape,test_x.shape,test_y.shape))

#数据预处理
X_train,X_test = tf.cast(train_x/255.0,tf.float32),tf.cast(test_x/255.0,tf.float32)     #归一化
y_train,y_test = tf.cast(train_y,tf.int16),tf.cast(test_y,tf.int16)


#建立模型
model = tf.keras.Sequential()
##特征提取阶段
#第一层
model.add(tf.keras.layers.Conv2D(16,kernel_size=(3,3),padding='same',activation=tf.nn.relu,data_format='channels_last',input_shape=X_train.shape[1:]))  #卷积层，16个卷积核，大小（3，3），保持原图像大小，relu激活函数，输入形状（28，28，1）
model.add(tf.keras.layers.Conv2D(16,kernel_size=(3,3),padding='same',activation=tf.nn.relu))
model.add(tf.keras.layers.MaxPool2D(pool_size=(2,2)))   #池化层，最大值池化，卷积核（2，2）
#第二层
model.add(tf.keras.layers.Conv2D(32,kernel_size=(3,3),padding='same',activation=tf.nn.relu))
model.add(tf.keras.layers.Conv2D(32,kernel_size=(3,3),padding='same',activation=tf.nn.relu))
model.add(tf.keras.layers.MaxPool2D(pool_size=(2,2)))
##分类识别阶段
#第三层
model.add(tf.keras.layers.Flatten())    #改变输入形状
#第四层
model.add(tf.keras.layers.Dense(128,activation='relu'))     #全连接网络层，128个神经元，relu激活函数
model.add(tf.keras.layers.Dense(10,activation='softmax'))   #输出层，10个节点
print(model.summary())      #查看网络结构和参数信息

#配置模型训练方法
#adam算法参数采用keras默认的公开参数，损失函数采用稀疏交叉熵损失函数，准确率采用稀疏分类准确率函数
model.compile(optimizer='adam',loss='sparse_categorical_crossentropy',metrics=['sparse_categorical_accuracy'])

#训练模型
#批量训练大小为64，迭代5次，测试集比例0.2（48000条训练集数据，12000条测试集数据）
print('--------------')
nowtime = time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')
print('训练前时刻：'+str(nowtime))

history = model.fit(X_train,y_train,batch_size=64,epochs=5,validation_split=0.2)

print('--------------')
nowtime = time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')
print('训练后时刻：'+str(nowtime))

#评估模型
model.evaluate(X_test,y_test,verbose=2)     #每次迭代输出一条记录，来评价该模型是否有比较好的泛化能力

#保存整个模型
model.save('CIFAR10_CNN_weights.h5')

#结果可视化
print(history.history)
loss = history.history['loss']          #训练集损失
val_loss = history.history['val_loss']  #测试集损失
acc = history.history['sparse_categorical_accuracy']            #训练集准确率
val_acc = history.history['val_sparse_categorical_accuracy']    #测试集准确率

plt.figure(figsize=(10,3))

plt.subplot(121)
plt.plot(loss,color='b',label='train')
plt.plot(val_loss,color='r',label='test')
plt.ylabel('loss')
plt.legend()

plt.subplot(122)
plt.plot(acc,color='b',label='train')
plt.plot(val_acc,color='r',label='test')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.legend()

#暂停5秒关闭画布，否则画布一直打开的同时，会持续占用GPU内存
#根据需要自行选择
#plt.ion()       #打开交互式操作模式
#plt.show()
#plt.pause(5)
#plt.close()

#使用模型
plt.figure()
for i in range(10):
    num = np.random.randint(1,10000)

    plt.subplot(2,5,i+1)
    plt.axis('off')
    plt.imshow(test_x[num],cmap='gray')
    demo = tf.reshape(X_test[num],(1,32,32,3))
    y_pred = np.argmax(model.predict(demo))
    plt.title('标签值：'+str(test_y[num])+'\n预测值：'+str(y_pred))
#y_pred = np.argmax(model.predict(X_test[0:5]),axis=1)
#print('X_test[0:5]: %s'%(X_test[0:5].shape))
#print('y_pred: %s'%(y_pred))

#plt.ion()       #打开交互式操作模式
plt.show()
#plt.pause(5)
#plt.close()