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keras self attention实例

时间: 2023-09-02 07:11:55 浏览: 230
以下是使用 Keras 实现 self-attention 的示例代码： ```python from keras.models import Model from keras.layers import Input, Dense, Dropout, Embedding, LSTM, Bidirectional, TimeDistributed from keras_self_attention import SeqSelfAttention input_layer = Input(shape=(MAX_SEQUENCE_LENGTH,)) embedding_layer = Embedding(input_dim=VOCAB_SIZE, output_dim=EMBEDDING_DIM)(input_layer) lstm_layer = Bidirectional(LSTM(units=LSTM_UNITS, return_sequences=True))(embedding_layer) attention_layer = SeqSelfAttention(attention_activation='sigmoid')(lstm_layer) output_layer = TimeDistributed(Dense(units=NUM_CLASSES, activation='softmax'))(attention_layer) model = Model(inputs=input_layer, outputs=output_layer) model.compile(optimizer='adam', loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy']) ``` 这个模型使用了 LSTM 来进行序列处理，然后使用了 SeqSelfAttention 层来实现 self-attention。其中，attention_activation 参数指定了激活函数，这里使用了 sigmoid。最后的输出层使用了 TimeDistributed 层，用于在序列上对每个时间步进行分类。
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初始化数据 self.train_df = None self.test_df = None self.model = None self.scaler = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1)) # 创建主界面 self.create_widgets() def create_widgets(self): # 创建主框架 main_frame = ttk.Frame(self.root, padding=10) main_frame.pack(fill=tk.BOTH, expand=True) # 左侧控制面板 control_frame = ttk.LabelFrame(main_frame, text="模型控制", padding=10) control_frame.pack(side=tk.LEFT, fill=tk.Y, padx=5, pady=5) # 文件选择部分 file_frame = ttk.LabelFrame(control_frame, text="数据文件", padding=10) file_frame.pack(fill=tk.X, pady=5) # 训练集选择 ttk.Label(file_frame, text="训练集:").grid(row=0, column=0, sticky=tk.W, pady=5) self.train_file_var = tk.StringVar() ttk.Entry(file_frame, textvariable=self.train_file_var, width=30, state='readonly').grid(row=0, column=1, padx=5) ttk.Button(file_frame, text="选择文件", command=lambda: self.select_file("train")).grid(row=0, column=2) # 测试集选择 ttk.Label(file_frame, text="测试集:").grid(row=1, column=0, sticky=tk.W, pady=5) self.test_file_var = tk.StringVar() ttk.Entry(file_frame, textvariable=self.test_file_var, width=30, state='readonly').grid(row=1, column=1, padx=5) ttk.Button(file_frame, text="选择文件", command=lambda: self.select_file("test")).grid(row=1, column=2) # 参数设置部分 param_frame = ttk.LabelFrame(control_frame, text="模型参数", padding=10) param_frame.pack(fill=tk.X, pady=10) # 时间窗口大小 ttk.Label(param_frame, text="时间窗口大小:").grid(row=0, column=0, sticky=tk.W, pady=5) self.window_size_var = tk.IntVar(value=60) ttk.Spinbox(param_frame, from_=10, to=200, increment=5, textvariable=self.window_size_var, width=10).grid(row=0, column=1, padx=5) # LSTM单元数量 ttk.Label(param_frame, text="LSTM单元数:").grid(row=1, column=0, sticky=tk.W, pady=5) self.lstm_units_var = tk.IntVar(value=50) ttk.Spinbox(param_frame, from_=10, to=200, increment=10, textvariable=self.lstm_units_var, width=10).grid(row=1, column=1, padx=5) # 训练轮次 ttk.Label(param_frame, text="训练轮次:").grid(row=2, column=0, sticky=tk.W, pady=5) self.epochs_var = tk.IntVar(value=100) ttk.Spinbox(param_frame, from_=10, to=500, increment=10, textvariable=self.epochs_var, width=10).grid(row=2, column=1, padx=5) # 批处理大小 ttk.Label(param_frame, text="批处理大小:").grid(row=3, column=0, sticky=tk.W, pady=5) self.batch_size_var = tk.IntVar(value=32) ttk.Spinbox(param_frame, from_=16, to=128, increment=16, textvariable=self.batch_size_var, width=10).grid(row=3, column=1, padx=5) # 控制按钮 btn_frame = ttk.Frame(control_frame) btn_frame.pack(fill=tk.X, pady=10) ttk.Button(btn_frame, text="训练模型", command=self.train_model).pack(side=tk.LEFT, padx=5) ttk.Button(btn_frame, text="预测结果", command=self.predict).pack(side=tk.LEFT, padx=5) ttk.Button(btn_frame, text="保存结果", command=self.save_results).pack(side=tk.LEFT, padx=5) ttk.Button(btn_frame, text="重置", command=self.reset).pack(side=tk.RIGHT, padx=5) # 状态栏 self.status_var = tk.StringVar(value="就绪") status_bar = ttk.Label(control_frame, textvariable=self.status_var, relief=tk.SUNKEN, anchor=tk.W) status_bar.pack(fill=tk.X, side=tk.BOTTOM) # 右侧结果显示区域 result_frame = ttk.Frame(main_frame) result_frame.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.BOTH, expand=True, padx=5, pady=5) # 创建标签页 self.notebook = ttk.Notebook(result_frame) self.notebook.pack(fill=tk.BOTH, expand=True) # 损失曲线标签页 self.loss_frame = ttk.Frame(self.notebook) self.notebook.add(self.loss_frame, text="训练损失") # 预测结果标签页 self.prediction_frame = ttk.Frame(self.notebook) self.notebook.add(self.prediction_frame, text="预测结果") # 初始化绘图区域 self.fig, self.ax = plt.subplots(figsize=(10, 6)) self.canvas = FigureCanvasTkAgg(self.fig, master=self.prediction_frame) self.canvas.get_tk_widget().pack(fill=tk.BOTH, expand=True) self.loss_fig, self.loss_ax = plt.subplots(figsize=(10, 4)) self.loss_canvas = FigureCanvasTkAgg(self.loss_fig, master=self.loss_frame) self.loss_canvas.get_tk_widget().pack(fill=tk.BOTH, expand=True) # 文件选择 def select_file(self, file_type): """选择Excel文件""" file_path = filedialog.askopenfilename( title=f"选择{file_type}集Excel文件", filetypes=[("Excel文件", "*.xlsx *.xls"), ("所有文件", "*.*")] ) if file_path: try: # 读取Excel文件 df = pd.read_excel(file_path) # 时间特征列 time_features = ['year', 'month', 'day'] missing_time_features = [feat for feat in time_features if feat not in df.columns] if '水位' not in df.columns: messagebox.showerror("列名错误", "Excel文件必须包含'水位'列") return if missing_time_features: messagebox.showerror("列名错误", f"Excel文件缺少预处理后的时间特征列: {', '.join(missing_time_features)}\n" "请确保已使用预处理功能添加这些列") return # 创建完整的时间戳列 # 处理可能缺失的小时、分钟、秒数据 if 'hour' in df.columns and 'minute' in df.columns and 'second' in df.columns: df['datetime'] = pd.to_datetime( df[['year', 'month', 'day', 'hour', 'minute', 'second']] ) elif 'hour' in df.columns and 'minute' in df.columns: df['datetime'] = pd.to_datetime( df[['year', 'month', 'day', 'hour', 'minute']].assign(second=0) ) else: df['datetime'] = pd.to_datetime(df[['year', 'month', 'day']]) # 设置时间索引 df = df.set_index('datetime') # 保存数据 if file_type == "train": self.train_df = df self.train_file_var.set(os.path.basename(file_path)) self.status_var.set(f"已加载训练集: {len(self.train_df)}条数据") else: self.test_df = df self.test_file_var.set(os.path.basename(file_path)) self.status_var.set(f"已加载测试集: {len(self.test_df)}条数据") except Exception as e: messagebox.showerror("文件错误", f"读取文件失败: {str(e)}") def create_dataset(self, data, window_size): """创建时间窗口数据集""" X, y = [], [] for i in range(len(data) - window_size): X.append(data[i:(i + window_size), 0]) y.append(data[i + window_size, 0]) return np.array(X), np.array(y) def create_dynamic_plot_callback(self): """创建动态绘图回调实例，用于实时显示训练损失曲线""" class DynamicPlotCallback(tf.keras.callbacks.Callback): def __init__(self, gui_app): self.gui_app = gui_app # 引用主GUI实例 self.train_loss = [] # 存储训练损失 self.val_loss = [] # 存储验证损失 def on_epoch_end(self, epoch, logs=None): """每个epoch结束时更新图表""" logs = logs or {} # 收集损失数据 self.train_loss.append(logs.get('loss')) self.val_loss.append(logs.get('val_loss')) # 更新GUI中的图表（在主线程中执行） self.gui_app.root.after(0, self._update_plot) def _update_plot(self): """实际更新图表的函数""" try: # 清除现有图表 self.gui_app.loss_ax.clear() # 绘制训练和验证损失曲线 epochs = range(1, len(self.train_loss) + 1) self.gui_app.loss_ax.plot(epochs, self.train_loss, 'b-', label='训练损失') self.gui_app.loss_ax.plot(epochs, self.val_loss, 'r-', label='验证损失') # 设置图表属性 self.gui_app.loss_ax.set_title('模型训练损失') self.gui_app.loss_ax.set_xlabel('轮次') self.gui_app.loss_ax.set_ylabel('损失', rotation=0) self.gui_app.loss_ax.legend(loc='upper right') self.gui_app.loss_ax.grid(True, alpha=0.3) # 自动调整Y轴范围 all_losses = self.train_loss + self.val_loss min_loss = max(0, min(all_losses) * 0.9) max_loss = max(all_losses) * 1.1 self.gui_app.loss_ax.set_ylim(min_loss, max_loss) # 刷新画布 self.gui_app.loss_canvas.draw() # 更新状态栏显示最新损失 current_epoch = len(self.train_loss) if current_epoch > 0: latest_train_loss = self.train_loss[-1] latest_val_loss = self.val_loss[-1] if self.val_loss else 0 self.gui_app.status_var.set( f"训练中 | 轮次: {current_epoch} | " f"训练损失: {latest_train_loss:.6f} | " f"验证损失: {latest_val_loss:.6f}" ) self.gui_app.root.update() except Exception as e: print(f"更新图表时出错: {str(e)}") # 返回回调实例 return DynamicPlotCallback(self) def train_model(self): """训练LSTM模型""" if self.train_df is None: messagebox.showwarning("警告", "请先选择训练集文件") return try: self.status_var.set("正在预处理数据...") self.root.update() # 数据预处理 train_scaled = self.scaler.fit_transform(self.train_df[['水位']]) # 创建时间窗口数据集 window_size = self.window_size_var.get() X_train, y_train = self.create_dataset(train_scaled, window_size) # 调整LSTM输入格式 X_train = np.reshape(X_train, (X_train.shape[0], X_train.shape[1], 1)) # 构建LSTM模型 self.model = Sequential() self.model.add(LSTM( self.lstm_units_var.get(), return_sequences=True, input_shape=(window_size, 1) )) self.model.add(LSTM(self.lstm_units_var.get(), return_sequences=True)) self.model.add(Attention()) self.model.add(Dense(1)) self.model.compile( optimizer=Adam(learning_rate=0.001), loss='mean_squared_error' ) # 添加早停机制 early_stopping = EarlyStopping( monitor='val_loss', # 监控验证集损失 patience=20, # 连续20轮无改善则停止 min_delta=0.0001, # 最小改善阈值 restore_best_weights=True, # 恢复最佳权重 verbose=1 # 显示早停信息 ) # 训练模型 self.status_var.set("正在训练模型...") self.root.update() history = self.model.fit( X_train, y_train, epochs=self.epochs_var.get(), batch_size=self.batch_size_var.get(), validation_split=0.2, # 使用20%数据作为验证集 callbacks=[early_stopping], # 添加早停回调 verbose=0 ) # 绘制损失曲线 self.loss_ax.clear() self.loss_ax.plot(history.history['loss'], label='训练损失') self.loss_ax.plot(history.history['val_loss'], label='验证损失') self.loss_ax.set_title('模型训练损失') self.loss_ax.set_xlabel('轮次') self.loss_ax.set_ylabel('损失',rotation=0) self.loss_ax.legend() self.loss_ax.grid(True) self.loss_canvas.draw() # 根据早停情况更新状态信息 if early_stopping.stopped_epoch > 0: stopped_epoch = early_stopping.stopped_epoch best_epoch = early_stopping.best_epoch final_loss = history.history['loss'][-1] best_loss = min(history.history['val_loss']) self.status_var.set( f"训练在{stopped_epoch + 1}轮提前终止 | " f"最佳模型在第{best_epoch + 1}轮 | " f"最终损失: {final_loss:.6f} | " f"最佳验证损失: {best_loss:.6f}" ) messagebox.showinfo( "训练完成", f"模型训练提前终止！\n" f"最佳模型在第{best_epoch + 1}轮\n" f"最佳验证损失: {best_loss:.6f}" ) else: final_loss = history.history['loss'][-1] self.status_var.set(f"模型训练完成 | 最终损失: {final_loss:.6f}") messagebox.showinfo("训练完成", "模型训练成功完成！") except Exception as e: messagebox.showerror("训练错误", f"模型训练失败:\n{str(e)}") self.status_var.set("训练失败") def predict(self): """使用模型进行预测""" if self.model is None: messagebox.showwarning("警告", "请先训练模型") return if self.test_df is None: messagebox.showwarning("警告", "请先选择测试集文件") return try: self.status_var.set("正在生成预测...") self.root.update() # 预处理测试数据 test_scaled = self.scaler.transform(self.test_df[['水位']]) # 创建测试集时间窗口 window_size = self.window_size_var.get() X_test, y_test = self.create_dataset(test_scaled, window_size) X_test = np.reshape(X_test, (X_test.shape[0], X_test.shape[1], 1)) # 进行预测 test_predict = self.model.predict(X_test) # 反归一化 test_predict = self.scaler.inverse_transform(test_predict) y_test_orig = self.scaler.inverse_transform([y_test]).T # 创建时间索引 test_time = self.test_df.index[window_size:window_size + len(test_predict)] # 绘制结果 self.ax.clear() self.ax.plot(self.train_df.index, self.train_df['水位'], 'b-', label='训练集数据') self.ax.plot(test_time, self.test_df['水位'][window_size:window_size + len(test_predict)], 'g-', label='测试集数据') self.ax.plot(test_time, test_predict, 'r--', label='模型预测') # 添加分隔线 split_point = test_time[0] self.ax.axvline(x=split_point, color='k', linestyle='--', alpha=0.5) self.ax.text(split_point, self.ax.get_ylim()[0] * 0.9, ' 训练/测试分界', rotation=90) self.ax.set_title('大坝渗流水位预测结果') self.ax.set_xlabel('时间') self.ax.set_ylabel('测压管水位',rotation=0) self.ax.legend() self.ax.grid(True) self.ax.tick_params(axis='x', rotation=45) self.fig.tight_layout() self.canvas.draw() self.status_var.set("预测完成，结果已显示") except Exception as e: messagebox.showerror("预测错误", f"预测失败:\n{str(e)}") self.status_var.set("预测失败") def save_results(self): """保存预测结果""" if not hasattr(self, 'test_predict') or self.test_predict is None: messagebox.showwarning("警告", "请先生成预测结果") return save_path = filedialog.asksaveasfilename( defaultextension=".xlsx", filetypes=[("Excel文件", "*.xlsx"), ("所有文件", "*.*")] ) if not save_path: return try: # 创建包含预测结果的DataFrame window_size = self.window_size_var.get() test_time = self.test_df.index[window_size:window_size + len(self.test_predict)] result_df = pd.DataFrame({ '时间': test_time, '实际水位': self.test_df['水位'][window_size:window_size + len(self.test_predict)].values, '预测水位': self.test_predict.flatten() }) # 保存到Excel result_df.to_excel(save_path, index=False) # 保存图表 chart_path = os.path.splitext(save_path)[0] + "_chart.png" self.fig.savefig(chart_path, dpi=300) self.status_var.set(f"结果已保存至: {os.path.basename(save_path)}") messagebox.showinfo("保存成功", f"预测结果和图表已保存至:\n{save_path}\n{chart_path}") except Exception as e: messagebox.showerror("保存错误", f"保存结果失败:\n{str(e)}") def reset(self): """重置程序状态""" self.train_df = None self.test_df = None self.model = None self.train_file_var.set("") self.test_file_var.set("") self.ax.clear() self.loss_ax.clear() self.canvas.draw() self.loss_canvas.draw() self.data_text.delete(1.0, tk.END) self.status_var.set("已重置，请选择新数据") messagebox.showinfo("重置", "程序已重置，可以开始新的分析") if __name__ == "__main__": root = tk.Tk() app = DamSeepageModel(root) root.mainloop() 我这个是大坝渗流预测模型，看看代码还有什么可以改进的，我现在训练的时候训练损失很低但是验证损失水平比较高

另外，用户代码中在预测后没有保存预测结果到实例变量（self.test_predict），导致保存结果时可能出错。我们已经在predict方法中将其赋值给self.test_predict。 我们还会在__init__中初始化self.test_predict = ...

举例调用下面的方法 ： class MultiHeadAttention(tf.keras.layers.Layer): def __init__(self, d_model, num_heads): super(MultiHeadAttention, self).__init__() self.num_heads = num_heads self.d_model = d_model assert d_model % self.num_heads == 0 self.depth = d_model // self.num_heads self.query_dense = tf.keras.layers.Dense(units=d_model) self.key_dense = tf.keras.layers.Dense(units=d_model) self.value_dense = tf.keras.layers.Dense(units=d_model) self.dense = tf.keras.layers.Dense(units=d_model)

self.multi_head_attention = MultiHeadAttention(d_model=64, num_heads=8) def call(self, inputs): # 调用 MultiHeadAttention 层 x = self.multi_head_attention(inputs) return x # 初始化模型 model = ...

class CBAMLayer(tf.keras.layers.Layer): def __init__(self, reduction_ratio=16, **kwargs): super(CBAMLayer, self).__init__(**kwargs) self.reduction_ratio = reduction_ratio def build(self, input_shape): channel = input_shape[-1] self.shared_layer_one = layers.Dense(channel // self.reduction_ratio, activation='relu') self.shared_layer_two = layers.Dense(channel) self.conv2d = layers.Conv2D(1, kernel_size=7, padding='same', activation='sigmoid') def call(self, input_feature): x = tf.cast(input_feature, tf.float32) # 统一数据类型 # Channel attention avg_pool = tf.reduce_mean(x, axis=[1, 2], keepdims=True) max_pool = tf.reduce_max(x, axis=[1, 2], keepdims=True) avg_out = self.shared_layer_two(self.shared_layer_one(avg_pool)) max_out = self.shared_layer_two(self.shared_layer_one(max_pool)) cbam_feature = tf.nn.sigmoid(avg_out + max_out) cbam_feature = tf.cast(cbam_feature, x.dtype) # 统一数据类型 channel_refined = x * cbam_feature avg_spatial = tf.reduce_mean(channel_refined, axis=-1, keepdims=True) max_spatial = tf.reduce_max(channel_refined, axis=-1, keepdims=True) concat = tf.concat([avg_spatial, max_spatial], axis=-1) spatial_attention = self.conv2d(concat) refined_feature = channel_refined * spatial_attention return channel_refined # Spatial attention avg_spatial = tf.reduce_mean(channel_refined, axis=-1, keepdims=True) max_spatial = tf.reduce_max(channel_refined, axis=-1, keepdims=True) concat = tf.concat([avg_spatial, max_spatial], axis=-1) spatial_attention = self.conv2d(concat) refined_feature = channel_refined * spatial_attention return tf.cast(refined_feature, input_dtype) def get_config(self): config = super(CBAMLayer, self).get_config() config.update({'reduction_ratio': self.reduction_ratio}) return

self.conv = tf.keras.layers.Conv2D( filters=1, kernel_size=kernel_size, padding='same', activation='sigmoid') def call(self, inputs): avg_out = tf.reduce_mean(inputs, axis=-1, keepdims=True) ...

keras transfoermer

尽管原始的 Transformer 模型是在论文《Attention is All You Need》中提出的[^1]，但在 Keras 中也可以通过组合层和自定义函数轻松实现。 以下是基于 Keras 构建 Transformer 的基本方法： #### 位置编码 ...

import tensorflow as tf from keras import datasets, layers, models import matplotlib.pyplot as plt # 导入mnist数据，依次分别为训练集图片、训练集标签、测试集图片、测试集标签 (train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = datasets.mnist.load_data() # 将像素的值标准化至0到1的区间内。(对于灰度图片来说，每个像素最大值是255，每个像素最小值是0，也就是直接除以255就可以完成归一化。) train_images, test_images = train_images / 255.0, test_images / 255.0 # 查看数据维数信息 print(train_images.shape,test_images.shape,train_labels.shape,test_labels.shape) #调整数据到我们需要的格式 train_images = train_images.reshape((60000, 28, 28, 1)) test_images = test_images.reshape((10000, 28, 28, 1)) print(train_images.shape,test_images.shape,train_labels.shape,test_labels.shape) train_images = train_images.astype("float32") / 255.0 def image_to_patches(images, patch_size=4): batch_size = tf.shape(images)[0] patches = tf.image.extract_patches( images=images[:, :, :, tf.newaxis], sizes=[1, patch_size, patch_size, 1], strides=[1, patch_size, patch_size, 1], rates=[1, 1, 1, 1], padding="VALID" ) return tf.reshape(patches, [batch_size, -1, patch_size*patch_size*1]) class TransformerBlock(tf.keras.layers.Layer): def __init__(self, embed_dim, num_heads): super().__init__() self.att = tf.keras.layers.MultiHeadAttention(num_heads=num_heads, key_dim=embed_dim) self.ffn = tf.keras.Sequential([ tf.keras.layers.Dense(embed_dim*4, activation="relu"), tf.keras.layers.Dense(embed_dim) ]) self.layernorm1 = tf.keras.layers.LayerNormalization() self.layernorm2 = tf.keras.layers.LayerNormalization() def call(self, inputs): attn_output = self.att(inputs, inputs) out1 = self.layernorm1(inputs + attn_output) ffn_output = self.ffn(out1) return self.layernorm2(out1 + ffn_output) class PositionEmbedding(tf.keras.layers.Layer): def __init__(self, max_len, embed_dim): super().__init__() self.pos_emb = tf.keras.layers.Embedding(input_dim=max_len, output_dim=embed_dim) def call(self, x): positions = tf.range(start=0, limit=tf.shape(x)[1], delta=1) return x + self.pos_emb(positions) # 添加get_config方法 def get_config(self): config = super().get_config() # 获取父类配置 config.update({ "max_len": self.max_len, "embed_dim": self.embed_dim }) return config def build_transformer_model(): inputs = tf.keras.Input(shape=(49, 16)) # 4x4 patches x = tf.keras.layers.Dense(64)(inputs) # 嵌入维度64 # 添加位置编码 x = PositionEmbedding(max_len=49, embed_dim=64)(x) # 堆叠Transformer模块 x = TransformerBlock(embed_dim=64, num_heads=4)(x) x = TransformerBlock(embed_dim=64, num_heads=4)(x) # 分类头 x = tf.keras.layers.GlobalAveragePooling1D()(x) outputs = tf.keras.layers.Dense(10, activation="softmax")(x) return tf.keras.Model(inputs=inputs, outputs=outputs) model = build_transformer_model() model.compile(optimizer="adam", loss="sparse_categorical_crossentropy", metrics=["accuracy"]) # 数据预处理 train_images_pt = image_to_patches(train_images[..., tf.newaxis]) test_images_pt = image_to_patches(test_images[..., tf.newaxis]) history = model.fit( train_images_pt, train_labels, validation_data=(test_images_pt, test_labels), epochs=10, batch_size=128 )Traceback (most recent call last): File "d:/source/test3/transform.py", line 179, in <module> model.save('transform_model.keras') File "C:\ProgramData\anaconda3\envs\LSTM-TESFLOW\lib\site-packages\keras\utils\traceback_utils.py", line 67, in error_handler raise e.with_traceback(filtered_tb) from None File "d:/source/test3/transform.py", line 65, in get_config "max_len": self.max_len, AttributeError: 'PositionEmbedding' object has no attribute 'max_len'

self.pos_emb = tf.keras.layers.Embedding(input_dim=max_len, output_dim=embed_dim) def call(self, x): positions = tf.range(start=0, limit=tf.shape(x)[1], delta=1) return x + self.pos_emb...

Keras搭建transformer

self.ffn = keras.Sequential([ Dense(ff_dim, activation="relu"), Dense(embed_dim), ]) self.layernorm1 = LayerNormalization(epsilon=1e-6) self.layernorm2 = LayerNormalization(epsilon=1e-6) self....

# %% [markdown] # # CNN-VIT 视频动态手势识别 # # ### 隔空手势 # %% [markdown] # ### 下载数据 # %% # import os # import moxing as mox # if not os.path.exists('hand_gesture'): # mox.file.copy_parallel('obs://modelbox-course/hand_gesture', 'hand_gesture') # %% [markdown] # ### 准备环境 # %% # conda clean -i -y # %% # conda install cudatoolkit=11.3.1 cudnn=8.2.1 -y --override-channels --channel https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main # %% # !pip install --upgrade pip # %% # !pip install tensorflow-gpu==2.5.0 imageio # %% # !pip install opencv-python -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple # %% # conda install tqdm matplotlib==3.5.3 # %% [markdown] # 运行完成请务必点击左上角Kernel->Restart Kernel重启kernel # %% [markdown] # ### 模型训练 # %% import cv2 import glob import numpy as np from tqdm import tqdm import tensorflow as tf from tensorflow import keras from tensorflow.keras import layers import matplotlib.pyplot as plt %matplotlib inline # %% [markdown] # 打印TensorFlow版本并显示可用GPU # %% print('Tensorflow version: {}'.format(tf.__version__)) print('GPU available: {}'.format(tf.config.list_physical_devices('GPU'))) # %% [markdown] # 创建视频输入管道获取视频类别标签 # %% videos = glob.glob('hand_gesture/*.mp4') np.random.shuffle(videos) labels = [int(video.split('_')[-2]) for video in videos] videos[:5], len(videos), labels[:5], len(videos) # %% [markdown] # 显示数据分布情况 # %% from collections import Counter counts = Counter(labels) print(counts) plt.figure(figsize=(8, 4)) plt.bar(counts.keys(), counts.values()) plt.xlabel('Class label') plt.ylabel('Number of samples') plt.title('Class distribution in videos') plt.show() # %% [markdown] # 图像中心裁剪 # %% def crop_center_square(img): h, w = img.shape[:2] square_w = min(h, w) start_x = w // 2 - square_w // 2 end_x = start_x + square_w start_y = h // 2 - square_w // 2 end_y = start_y + square_w result = img[start_y:end_y, start_x:end_x] return result # %% MAX_SEQUENCE_LENGTH = 40 IMG_SIZE = 299 NUM_FEATURES = 1536 # %% [markdown] # 视频抽帧预处理 # %% def load_video(file_name): cap = cv2.VideoCapture(file_name) # 每隔多少帧抽取一次 frame_interval = 4 frames = [] count = 0 while True: ret, frame = cap.read() if not ret: break # 每隔frame_interval帧保存一次 if count % frame_interval == 0: # 中心裁剪 frame = crop_center_square(frame) # 缩放 frame = cv2.resize(frame, (IMG_SIZE, IMG_SIZE)) # BGR -> RGB [0,1,2] -> [2,1,0] frame = frame[:, :, [2, 1, 0]] frames.append(frame) count += 1 return np.array(frames) # %% [markdown] # 显示视频 # %% import random import imageio from IPython.display import Image label_to_name = {0:'无效手势', 1:'上滑', 2:'下滑', 3:'左滑', 4:'右滑', 5:'打开', 6:'关闭', 7:'放大', 8:'缩小'} print(label_to_name.get(labels[0])) frames = load_video(videos[0]) frames = frames[:MAX_SEQUENCE_LENGTH].astype(np.uint8) imageio.mimsave('test.gif', frames, durations=10) display(Image(open('test.gif', 'rb').read())) frames.shape # %% [markdown] # #### InceptionResNetV2 # %% [markdown] # 创建图像特征提取器 # %% def get_feature_extractor(): feature_extractor = keras.applications.inception_resnet_v2.InceptionResNetV2( weights = 'imagenet', include_top = False, pooling = 'avg', input_shape = (IMG_SIZE, IMG_SIZE, 3) ) preprocess_input = keras.applications.inception_resnet_v2.preprocess_input inputs = keras.Input((IMG_SIZE, IMG_SIZE, 3)) preprocessed = preprocess_input(inputs) outputs = feature_extractor(preprocessed) model = keras.Model(inputs, outputs, name = 'feature_extractor') return model # %% feature_extractor = get_feature_extractor() feature_extractor.summary() # %% # from tensorflow.keras.applications import InceptionResNetV2 # weights_path = 'inception_resnet_v2_weights_tf_dim_ordering_tf_kernels_notop.h5' # model = InceptionResNetV2(weights=None, include_top=False, input_shape=(IMG_SIZE, IMG_SIZE, 3)) # model.load_weights(weights_path) # feature_extractor = model # feature_extractor.summary() # %% [markdown] # 提取视频图像特征 # %% def load_data(videos, labels): video_features = [] for video in tqdm(videos): frames = load_video(video) counts = len(frames) # 如果帧数小于MAX_SEQUENCE_LENGTH if counts < MAX_SEQUENCE_LENGTH: # 补白 diff = MAX_SEQUENCE_LENGTH - counts # 创建全0的numpy数组 padding = np.zeros((diff, IMG_SIZE, IMG_SIZE, 3)) # 数组拼接 frames = np.concatenate((frames, padding)) # 获取前MAX_SEQUENCE_LENGTH帧画面 frames = frames[:MAX_SEQUENCE_LENGTH, :] # 批量提取特征 video_feature = feature_extractor.predict(frames) video_features.append(video_feature) return np.array(video_features), np.array(labels) # %% video_features, classes = load_data(videos, labels) video_features.shape, classes.shape # %% [markdown] # #### Dataset # %% batch_size = 16 dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((video_features, classes)) dataset = dataset.shuffle(len(videos)) test_count = int(len(videos) * 0.2) train_count = len(videos) - test_count dataset_train = dataset.skip(test_count).cache().repeat() dataset_test = dataset.take(test_count).cache().repeat() train_dataset = dataset_train.shuffle(train_count).batch(batch_size) test_dataset = dataset_test.shuffle(test_count).batch(batch_size) train_dataset, train_count, test_dataset, test_count # %% [markdown] # #### VIT Model # %% # 位置编码 class PositionalEmbedding(layers.Layer): def __init__(self, seq_length, output_dim): super().__init__() # 构造从0~MAX_SEQUENCE_LENGTH的列表 self.positions = tf.range(0, limit=MAX_SEQUENCE_LENGTH) self.positional_embedding = layers.Embedding(input_dim=seq_length, output_dim=output_dim) def call(self,x): # 位置编码 positions_embedding = self.positional_embedding(self.positions) # 输入相加 return x + positions_embedding # %% # 编码器 class TransformerEncoder(layers.Layer): def __init__(self, num_heads, embed_dim): super().__init__() self.p_embedding = PositionalEmbedding(MAX_SEQUENCE_LENGTH, NUM_FEATURES) self.attention = layers.MultiHeadAttention(num_heads=num_heads, key_dim=embed_dim, dropout=0.1) self.layernorm = layers.LayerNormalization() def call(self,x): # positional embedding positional_embedding = self.p_embedding(x) # self attention attention_out = self.attention( query = positional_embedding, value = positional_embedding, key = positional_embedding, attention_mask = None ) # layer norm with residual connection output = self.layernorm(positional_embedding + attention_out) return output # %% def video_cls_model(class_vocab): # 类别数量 classes_num = len(class_vocab) # 定义模型 model = keras.Sequential([ layers.InputLayer(input_shape=(MAX_SEQUENCE_LENGTH, NUM_FEATURES)), TransformerEncoder(2, NUM_FEATURES), layers.GlobalMaxPooling1D(), layers.Dropout(0.1), layers.Dense(classes_num, activation="softmax") ]) # 编译模型 model.compile(optimizer = keras.optimizers.Adam(1e-5), loss = keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=False), metrics = ['accuracy'] ) return model # %% # 模型实例化 model = video_cls_model(np.unique(labels)) # 打印模型结构 model.summary() # %% from tensorflow.keras.callbacks import ModelCheckpoint, EarlyStopping, ReduceLROnPlateau # 保存检查点 checkpoint = ModelCheckpoint(filepath='best.h5', monitor='val_loss', save_weights_only=True, save_best_only=True, verbose=1, mode='min') # 提前终止 earlyStopping = EarlyStopping(monitor='loss', patience=50, mode='min', baseline=None) # 减少learning rate rlp = ReduceLROnPlateau(monitor='loss', factor=0.7, patience=30, min_lr=1e-15, mode='min', verbose=1) # %% [markdown] # #### 开始训练 # %% history = model.fit(train_dataset, epochs = 1000, steps_per_epoch = train_count // batch_size, validation_steps = test_count // batch_size, validation_data = test_dataset, callbacks = [checkpoint, earlyStopping, rlp]) # %% [markdown] # #### 绘制结果 # %% plt.plot(history.epoch, history.history['loss'], 'r', label='loss') plt.plot(history.epoch, history.history['val_loss'], 'g--', label='val_loss') plt.title('VIT Model') plt.xlabel('Epoch') plt.ylabel('Loss') plt.legend() # %% plt.plot(history.epoch, history.history['accuracy'], 'r', label='acc') plt.plot(history.epoch, history.history['val_accuracy'], 'g--', label='val_acc') plt.title('VIT Model') plt.xlabel('Epoch') plt.ylabel('Accuracy') plt.legend() # %% [markdown] # 加载训练最优权重 # %% model.load_weights('best.h5') # %% [markdown] # 模型评估 # %% model.evaluate(dataset.batch(batch_size)) # %% [markdown] # 保存模型 # %% model.save('saved_model') # %% [markdown] # ### 手势识别 # %% import random # 加载模型 model = tf.keras.models.load_model('saved_model') # 类别标签 label_to_name = {0:'无效手势', 1:'上滑', 2:'下滑', 3:'左滑', 4:'右滑', 5:'打开', 6:'关闭', 7:'放大', 8:'缩小'} # %% # 获取视频特征 def getVideoFeat(frames): frames_count = len(frames) # 如果帧数小于MAX_SEQUENCE_LENGTH if frames_count < MAX_SEQUENCE_LENGTH: # 补白 diff = MAX_SEQUENCE_LENGTH - frames_count # 创建全0的numpy数组 padding = np.zeros((diff, IMG_SIZE, IMG_SIZE, 3)) # 数组拼接 frames = np.concatenate((frames, padding)) # 取前MAX_SEQ_LENGTH帧 frames = frames[:MAX_SEQUENCE_LENGTH,:] # 计算视频特征 N, 1536 video_feat = feature_extractor.predict(frames) return video_feat # %% # 视频预测 def testVideo(): test_file = random.sample(videos, 1)[0] label = test_file.split('_')[-2] print('文件名:{}'.format(test_file) ) print('真实类别:{}'.format(label_to_name.get(int(label))) ) # 读取视频每一帧 frames = load_video(test_file) # 挑选前帧MAX_SEQUENCE_LENGTH显示 frames = frames[:MAX_SEQUENCE_LENGTH].astype(np.uint8) # 保存为GIF imageio.mimsave('animation.gif', frames, duration=10) # 获取特征 feat = getVideoFeat(frames) # 模型推理 prob = model.predict(tf.expand_dims(feat, axis=0))[0] print('预测类别：') for i in np.argsort(prob)[::-1][:5]: print('{}: {}%'.format(label_to_name[i], round(prob[i]*100, 2))) return display(Image(open('animation.gif', 'rb').read())) # %% [markdown] # 视频推理 # %% for i in range(20): testVideo() 添加usb视频推理

if len(self.buffer) >= self.seq_length: self.buffer.pop(0) self.buffer.append(frame) def get_sequence(self): if len(self.buffer) < self.seq_length: return None return np.stack(self.buffer, ...

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VB.NET图表曲线组件实现多种图表绘制

在深入讨论所给文件信息中的知识点之前，我们首先需要明确这些信息所代表的内容。标题指出我们所讨论的是一款在VB.NET环境中使用的“三维图表曲线组件”。从描述中我们可以了解到该组件的功能特性，即它能够绘制包括柱状图、线条曲线图和饼图在内的多种类型图表，并且支持图例的展示。此外，组件的色彩使用比较鲜艳，它不仅适用于标准的Windows Forms应用程序，还能够在ASP.NET环境中使用。而“压缩包子文件的文件名称列表”提供的信息则指向了可能包含该组件示例代码或说明文档的文件名，例如“PSC_ReadMe_4556_10.txt”可能是一个说明文档，而“GraphingV3Testing”和“Graphing.V3”则可能是一些测试文件或组件的实际使用案例。 下面详细说明标题和描述中提到的知识点： 1. VB.NET环境中的图表组件开发： 在VB.NET中开发图表组件需要开发者掌握.NET框架的相关知识，包括但不限于Windows Forms应用程序的开发。VB.NET作为.NET框架的一种语言实现，它继承了.NET框架的面向对象特性和丰富的类库支持。图表组件作为.NET类库的一部分，开发者可以通过继承相关类、使用系统提供的绘图接口来设计和实现图形用户界面（GUI）中用于显示图表的部分。 2. 图表的类型和用途： - 柱状图：主要用于比较各类别数据的数量大小，通过不同长度的柱子来直观显示数据间的差异。 - 线条曲线图：适用于展示数据随时间或顺序变化的趋势，比如股票价格走势、温度变化等。 - 饼图：常用于展示各部分占整体的比例关系，可以帮助用户直观地了解数据的组成结构。 3. 图例的使用和意义： 图例在图表中用来说明不同颜色或样式所代表的数据类别或系列。它们帮助用户更好地理解图表中的信息，是可视化界面中重要的辅助元素。 4. ASP.NET中的图表应用： ASP.NET是微软推出的一种用于构建动态网页的框架，它基于.NET平台运行。在ASP.NET中使用图表组件意味着可以创建动态的图表，这些图表可以根据Web应用程序中实时的数据变化进行更新。比如，一个电子商务网站可能会利用图表组件来动态显示产品销售排行或用户访问统计信息。 5. 色彩运用： 在设计图表组件时，色彩的运用非常关键。色彩鲜艳不仅能够吸引用户注意，还能够帮助用户区分不同的数据系列。正确的色彩搭配还可以提高信息的可读性和美观性。 在技术实现层面，开发者可能需要了解如何在VB.NET中使用GDI+（Graphics Device Interface）进行图形绘制，掌握基本的绘图技术（如画线、填充、颜色混合等），并且熟悉.NET提供的控件（如Panel, Control等）来承载和显示这些图表。 由于提供的文件名列表中包含有"Testing"和".txt"等元素，我们可以推测该压缩包内可能还包含了与图表组件相关的示例程序和使用说明，这对于学习如何使用该组件将十分有用。例如，“GraphingV3Testing”可能是一个测试项目，用于在真实的应用场景中检验该图表组件的功能和性能；“PSC_ReadMe_4556_10.txt”可能是一个详细的用户手册或安装说明，帮助用户了解如何安装、配置和使用该组件。 总结而言，了解并掌握在VB.NET环境下开发和使用三维图表曲线组件的知识点，对从事.NET开发的程序员来说，不仅可以增强他们在数据可视化方面的技能，还可以提高他们构建复杂界面和动态交互式应用的能力。
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【MultiExtractor_Pro实战演练】：8个复杂场景的高效数据提取解决方案

# 摘要 本文介绍了MultiExtractor_Pro工具的概述、基本使用技巧、实战演练、高级功能应用以及案例研究与展望。首先，详细说明了MultiExtractor_Pro的安装过程和用户界面布局，阐述了核心功能组件及其操作方法。接着，讲述了配置提取模板、设置提取任务以及实时数据提取与预览技巧。在实