基于Python BP神经网络实现不同直径圆的分类

# classification_BPNeuralNetwork > 本文介绍了通过Python实现BP神经网络分类算法，对不同半径的圆进行多分类（3分类），特征即为圆的半径。 > 输入层12节点，一个6节点的隐藏层，输出层3个节点。 ## 1.目标 通过BP算法实现对不同半径的圆的分类。 ## 2.开发环境 IDE：PyCharm 2018.3.3(Community Edition) Python及相关库的版本号如下图所示：  ## 3.准备数据 **目的：** 生成3类圆在第一象限内的坐标（圆心都是原点） 第1类：半径范围为1~10，分类标识为‘0’ 第2类：半径范围为10~20，分类标识为‘1’ 第3类：半径范围为20~30，分类标识为‘2’ 代码如下：`data_generate.py` ```python import numpy as np import math import random import csv # 只生成第一象限内的坐标即可。每个圆生成12个坐标(x,y)，相当于12个特征维度 def generate_circle(lower, upper): # 圆在第一象限内的坐标 data_ur = np.zeros(shape=(12, 2)) # 在上下限范围内，随机产生一个值作为半径 radius = random.randint(int(lower), int(upper)) # 在0~90度内，每隔7.5度取一次坐标，正好取12次 angles = np.arange(0, 0.5 * np.pi, 1 / 24 * np.pi) for i in range(12): temp_ur = np.zeros(2) x = round(radius * math.cos(angles[i]), 2) y = round(radius * math.sin(angles[i]), 2) temp_ur[0] = x temp_ur[1] = y data_ur[i] = temp_ur return data_ur, label # 将坐标保存到CSV文件中 def save2csv(data, batch, label): out = open("D:\\circles.csv", 'a', newline='') csv_write = csv.writer(out, dialect='excel') length = int(data.size / 2) for i in range(length): string = str(data[i][0]) + ',' + str(data[i][1]) + ',' + str(batch) + ',' + str(label) temp = string.split(',') csv_write.writerow(temp) out.close() if __name__ == "__main__": ''' 生成3类圆，标签（label）分别为：0、1、2 第1类圆的半径下限为1，上限为10 第2类圆的半径下限为10，上限为20 第3类圆的半径下限为20，上限为30 圆心都为原点 ''' lower = [1, 10, 20] # 半径随机值的下限 upper = [10, 20, 30] # 半径随机值的上限 label = ['0', '1', '2'] # 种类的标签 for i in range(len(label)): # 每类数据生成50组 for j in range(50): data, label = generate_circle(lower[i], upper[i]) batch = 50 * i + j + 1 # 数据的批次，用来区分每个坐标是属于哪个圆的 save2csv(data, batch, label[i]) ``` 共3类圆，每类生成50个圆，每个圆有12个坐标，因此在输出文件`D:\circles.csv`中总共有3×50×12=1800行数据：  通过生成的坐标绘制散点图如下：  图中蓝色的点是label为0的圆，绿色的点是label为1的圆，红色的点是label为2的圆。 ## 4.处理数据 **目标：** 根据第3步获得的坐标，计算每个圆的半径（勾股定理）作为神经网络的输入。 代码如下：`data_process.py` ```python import csv import math def process(file_name): # 要读取的CSV文件 csv_file = csv.reader(open(file_name, encoding='utf-8')) # 要生成的CSV文件 out_file = open("D:\\circles_data.csv", 'a', newline='') csv_write = csv.writer(out_file, dialect='excel') # 将csv_file每一行的圆坐标取出，如果是同一批次的（同一个圆），则写入到out_file的一行中 rows = [row for row in csv_file] current_batch = 'unknown' current_label = 'unknown' data_list = [] for r in rows: # 将无关字符都替换为空格 temp_string = str(r).replace('[', '').replace(']', '').replace('\'', '') # 将字符串以逗号分隔 item = str(temp_string).split(',') # 分别取出x轴坐标、y轴坐标、批次、标签 x = float(item[0]) y = float(item[1]) batch = item[2] label = item[3] # 如果是同一批次（同一个圆），则都放入data_list中 if current_batch == batch: # 根据勾股定理计算半径 distance = math.sqrt(pow(x, 2) + pow(y, 2)) data_list.append(distance) # 如果不是同一批次（同一个圆），则在末尾加上标签后，作为一行写入输出文件 else: if len(data_list) != 0: # 这个地方需注意一下，最后的标签用3列来表示，而不是一列 if label.strip() == '0': data_list.append(1) data_list.append(0) data_list.append(0) elif label.strip() == '1': data_list.append(0) data_list.append(1) data_list.append(0) else: data_list.append(0) data_list.append(0) data_list.append(1) result_string = str(data_list).replace('[', '').replace(']', '').replace('\'', '').strip() csv_write.writerow(result_string.split(',')) # 清空data_list，继续写入下一个批次 data_list.clear() distance = math.sqrt(pow(x, 2) + pow(y, 2)) data_list.append(distance) current_batch = batch current_label = label # 确保最后一个批次的数据能写入 if current_label.strip() == '0': data_list.append(1) data_list.append(0) data_list.append(0) elif current_label.strip() == '1': data_list.append(0) data_list.append(1) data_list.append(0) else: data_list.append(0) data_list.append(0) data_list.append(1) result_string = str(data_list).replace('[', '').replace(']', '').replace('\'', '').strip() csv_write.writerow(result_string.split(',')) # 关闭输出文件 out_file.close() if __name__ == "__main__": process('D:\\circles.csv') ``` 需要注意的是，生成的CSV文件共有15列，前12列为坐标对应的半径值，最后三列组合起来表示分类（label）：  (1,0,0)表示类型为“0”的圆，(0,1,0)表示类型为“1”的圆，(0,0,1)表示类型为“2”的圆，这样做的目的是为了下一步使用神经网络时处理起来方便。 ## 5.构建BP神经网络 上一步处理好的数据可以作为训练数据，命名为：`circles_data_training.csv` 重复第3步和第4步，可以生成另一批数据作为测试数据，命名为：`circles_data_test.csv` 当然，也可以手动划分出训练数据和测试数据。 训练数据和测试数据在输入时，做了矩阵的转置，将列转置为行。 代码如下：`data_analysis_bpnn.py` ```python import pandas as pd import numpy as np import datetime from sklearn.utils import shuffle # 1.初始化参数 def initialize_parameters(n_x, n_h, n_y): np.random.seed(2) # 权重和偏置矩阵 w1 = np.random.randn(n_h, n_x) * 0.01 b1 = np.zeros(shape=(n_h, 1)) w2 = np.random.ran