java-joone神经网络算法

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2022-06-09 05:17 237阅读 0赞

由于实验室事情缘故，需要将Python写的神经网络转成Java版本的，但是python中的numpy等啥包也不知道在Java里面对应的是什么工具，所以索性直接寻找一个现成可用的Java神经网络框架，于是就找到了JOONE，JOONE是一个神经网络的开源框架，使用的是BP算法进行迭代计算参数，使用起来比较方便也比较实用，下面介绍一下JOONE的一些使用方法。

JOONE需要使用一些外部的依赖包，这在官方网站上有，也可以在这里下载。将所需的包引入工程之后，就可以进行编码实现了。

首先看下完整的程序，这个是上面那个超链接给出的程序，应该是官方给出的一个示例吧，因为好多文章都用这个，这其实是神经网络训练一个异或计算器：

import org.joone.engine.*;
    import org.joone.engine.learning.*;
    import org.joone.io.*;
    import org.joone.net.*;
    
    
    /* * * JOONE实现 * * */
    public class XOR_using_NeuralNet implements NeuralNetListener { 
        private NeuralNet nnet = null;
        private MemoryInputSynapse inputSynapse, desiredOutputSynapse;
        LinearLayer input;
        SigmoidLayer hidden, output;
        boolean singleThreadMode = true;
    
        // XOR input
        private double[][] inputArray = new double[][]
        {
        { 0.0, 0.0 },
        { 0.0, 1.0 },
        { 1.0, 0.0 },
        { 1.0, 1.0 } };
    
        // XOR desired output
        private double[][] desiredOutputArray = new double[][]
        {
        { 0.0 },
        { 1.0 },
        { 1.0 },
        { 0.0 } };
    
        /** * @param args * the command line arguments */
        public static void main(String args[])
        {
            XOR_using_NeuralNet xor = new XOR_using_NeuralNet();
    
            xor.initNeuralNet();
            xor.train();
            xor.interrogate();
        }
    
        /** * Method declaration */
        public void train()
        {
    
            // set the inputs
            inputSynapse.setInputArray(inputArray);
            inputSynapse.setAdvancedColumnSelector(" 1,2 ");
            // set the desired outputs
            desiredOutputSynapse.setInputArray(desiredOutputArray);
            desiredOutputSynapse.setAdvancedColumnSelector(" 1 ");
    
            // get the monitor object to train or feed forward
            Monitor monitor = nnet.getMonitor();
    
            // set the monitor parameters
            monitor.setLearningRate(0.8);
            monitor.setMomentum(0.3);
            monitor.setTrainingPatterns(inputArray.length);
            monitor.setTotCicles(5000);
            monitor.setLearning(true);
    
            long initms = System.currentTimeMillis();
            // Run the network in single-thread, synchronized mode
            nnet.getMonitor().setSingleThreadMode(singleThreadMode);
            nnet.go(true);
            System.out.println(" Total time= "
                    + (System.currentTimeMillis() - initms) + " ms ");
        }
    
        private void interrogate()
        {
    
            double[][] inputArray = new double[][]
            {
            { 1.0, 1.0 } };
            // set the inputs
            inputSynapse.setInputArray(inputArray);
            inputSynapse.setAdvancedColumnSelector(" 1,2 ");
            Monitor monitor = nnet.getMonitor();
            monitor.setTrainingPatterns(4);
            monitor.setTotCicles(1);
            monitor.setLearning(false);
            MemoryOutputSynapse memOut = new MemoryOutputSynapse();
            // set the output synapse to write the output of the net
    
            if (nnet != null)
            {
                nnet.addOutputSynapse(memOut);
                System.out.println(nnet.check());
                nnet.getMonitor().setSingleThreadMode(singleThreadMode);
                nnet.go();
    
                for (int i = 0; i < 4; i++)
                {
                    double[] pattern = memOut.getNextPattern();
                    System.out.println(" Output pattern # " + (i + 1) + " = "
                            + pattern[0]);
                }
                System.out.println(" Interrogating Finished ");
            }
        }
    
        /** * Method declaration */
        protected void initNeuralNet()
        {
    
            // First create the three layers
            input = new LinearLayer();
            hidden = new SigmoidLayer();
            output = new SigmoidLayer();
    
            // set the dimensions of the layers
            input.setRows(2);
            hidden.setRows(3);
            output.setRows(1);
    
            input.setLayerName(" L.input ");
            hidden.setLayerName(" L.hidden ");
            output.setLayerName(" L.output ");
    
            // Now create the two Synapses
            FullSynapse synapse_IH = new FullSynapse(); /* input -> hidden conn. */
            FullSynapse synapse_HO = new FullSynapse(); /* hidden -> output conn. */
    
            // Connect the input layer whit the hidden layer
            input.addOutputSynapse(synapse_IH);
            hidden.addInputSynapse(synapse_IH);
    
            // Connect the hidden layer whit the output layer
            hidden.addOutputSynapse(synapse_HO);
            output.addInputSynapse(synapse_HO);
    
            // the input to the neural net
            inputSynapse = new MemoryInputSynapse();
    
            input.addInputSynapse(inputSynapse);
    
            // The Trainer and its desired output
            desiredOutputSynapse = new MemoryInputSynapse();
    
            TeachingSynapse trainer = new TeachingSynapse();
    
            trainer.setDesired(desiredOutputSynapse);
    
            // Now we add this structure to a NeuralNet object
            nnet = new NeuralNet();
    
            nnet.addLayer(input, NeuralNet.INPUT_LAYER);
            nnet.addLayer(hidden, NeuralNet.HIDDEN_LAYER);
            nnet.addLayer(output, NeuralNet.OUTPUT_LAYER);
            nnet.setTeacher(trainer);
            output.addOutputSynapse(trainer);
            nnet.addNeuralNetListener(this);
        }
    
        public void cicleTerminated(NeuralNetEvent e)
        {
        }
    
        public void errorChanged(NeuralNetEvent e)
        {
            Monitor mon = (Monitor) e.getSource();
            if (mon.getCurrentCicle() % 100 == 0)
                System.out.println(" Epoch: "
                        + (mon.getTotCicles() - mon.getCurrentCicle()) + " RMSE: "
                        + mon.getGlobalError());
        }
    
        public void netStarted(NeuralNetEvent e)
        {
            Monitor mon = (Monitor) e.getSource();
            System.out.print(" Network started for ");
            if (mon.isLearning())
                System.out.println(" training. ");
            else
                System.out.println(" interrogation. ");
        }
    
        public void netStopped(NeuralNetEvent e)
        {
            Monitor mon = (Monitor) e.getSource();
            System.out.println(" Network stopped. Last RMSE= "
                    + mon.getGlobalError());
        }
    
        public void netStoppedError(NeuralNetEvent e, String error)
        {
            System.out.println(" Network stopped due the following error: "
                    + error);
        }
    
    }

现在我会逐步解释上面的程序。  
【1】 从main方法开始说起，首先第一步新建一个对象：

XOR_using_NeuralNet xor = new XOR_using_NeuralNet();

【2】然后初始化神经网络：

xor.initNeuralNet();
    //初始化中的方法
            // First create the three layers
            input = new LinearLayer();
            hidden = new SigmoidLayer();
            output = new SigmoidLayer();
            // set the dimensions of the layers
            input.setRows(2);
            hidden.setRows(3);
            output.setRows(1);
            input.setLayerName(" L.input ");
            hidden.setLayerName(" L.hidden ");
            output.setLayerName(" L.output ");

上面代码解释：  
input=new LinearLayer()是新建一个输入层，因为神经网络的输入层并没有训练参数，所以使用的是线性层；  
hidden = new SigmoidLayer();这里是新建一个隐含层，使用sigmoid函数作为激励函数，当然你也可以选择其他的激励函数，如softmax激励函数  
output则是新建一个输出层  
之后的三行代码是建立输入层、隐含层、输出层的神经元个数，这里表示输入层为2个神经元，隐含层是3个神经元，输出层是1个神经元  
最后的三行代码是给每个输出层取一个名字。

// Now create the two Synapses
            FullSynapse synapse_IH = new FullSynapse(); /* input -> hidden conn. */
            FullSynapse synapse_HO = new FullSynapse(); /* hidden -> output conn. */
    
            // Connect the input layer whit the hidden layer
            input.addOutputSynapse(synapse_IH);
            hidden.addInputSynapse(synapse_IH);
    
            // Connect the hidden layer whit the output layer
            hidden.addOutputSynapse(synapse_HO);
            output.addInputSynapse(synapse_HO);

上面代码的主要作用是将三个层连接起来，synapse\_IH用来连接输入层和隐含层，synapse\_HO用来连接隐含层和输出层

// the input to the neural net
            inputSynapse = new MemoryInputSynapse();
    
            input.addInputSynapse(inputSynapse);
    
            // The Trainer and its desired output
            desiredOutputSynapse = new MemoryInputSynapse();
    
            TeachingSynapse trainer = new TeachingSynapse();
    
            trainer.setDesired(desiredOutputSynapse);

上面的代码是在训练的时候指定输入层的数据和目的输出的数据，  
inputSynapse = new MemoryInputSynapse();这里指的是使用了从内存中输入数据的方法，指的是输入层输入数据，当然还有从文件输入的方法，这点在文章后面再谈。同理，desiredOutputSynapse  
= new MemoryInputSynapse();也是从内存中输入数据，指的是从输入层应该输出的数据。

// Now we add this structure to a NeuralNet object
            nnet = new NeuralNet();
    
            nnet.addLayer(input, NeuralNet.INPUT_LAYER);
            nnet.addLayer(hidden, NeuralNet.HIDDEN_LAYER);
            nnet.addLayer(output, NeuralNet.OUTPUT_LAYER);
            nnet.setTeacher(trainer);
            output.addOutputSynapse(trainer);
            nnet.addNeuralNetListener(this);

这段代码指的是将之前初始化的构件连接成一个神经网络，NeuralNet是JOONE提供的类，主要是连接各个神经层，最后一个nnet.addNeuralNetListener(this);这个作用是对神经网络的训练过程进行监听，因为这个类实现了NeuralNetListener这个接口，这个接口有一些方法，可以实现观察神经网络训练过程，有助于参数调整。

inputSynapse.setInputArray(inputArray);
            inputSynapse.setAdvancedColumnSelector(" 1,2 ");
            // set the desired outputs
            desiredOutputSynapse.setInputArray(desiredOutputArray);
            desiredOutputSynapse.setAdvancedColumnSelector(" 1 ");

inputSynapse.setInputArray(inputArray);这个方法是初始化输入层数据，也就是指定输入层数据的内容，inputArray是程序中给定的二维数组，这也就是为什么之前初始化神经网络的时候使用的是MemoryInputSynapse，表示从内存中读取数据  
inputSynapse.setAdvancedColumnSelector(” 1,2 “);这个表示的是输入层数据使用的是inputArray的前两列数据。  
desiredOutputSynapse这个也同理。

Monitor monitor = nnet.getMonitor();
            // set the monitor parameters
            monitor.setLearningRate(0.8);
            monitor.setMomentum(0.3);
            monitor.setTrainingPatterns(inputArray.length);
            monitor.setTotCicles(5000);
            <span style="line-height: 1.5;">monitor.setLearning(true);

这个monitor类也是JOONE框架提供的，主要是用来调节神经网络的参数，monitor.setLearningRate(0.8);是用来设置神经网络训练的步长参数，步长越大，神经网络梯度下降的速度越快，monitor.setTrainingPatterns(inputArray.length);这个是设置神经网络的输入层的训练数据大小size，这里使用的是数组的长度；monitor.setTotCicles(5000);这个指的是设置迭代数目；monitor.setLearning(true);这个true表示是在训练过程。

nnet.getMonitor().setSingleThreadMode(singleThreadMode);
    nnet.go(true);

nnet.go(true)表示的是开始训练。  
【4】最后来看一下interrogate方法

double[][] inputArray = new double[][]
            {
            { 1.0, 1.0 } };
            // set the inputs
            inputSynapse.setInputArray(inputArray);
            inputSynapse.setAdvancedColumnSelector(" 1,2 ");
            Monitor monitor = nnet.getMonitor();
            monitor.setTrainingPatterns(4);
            monitor.setTotCicles(1);
            monitor.setLearning(false);
            MemoryOutputSynapse memOut = new MemoryOutputSynapse();
            // set the output synapse to write the output of the net
    
            if (nnet != null)
            {
                nnet.addOutputSynapse(memOut);
                System.out.println(nnet.check());
                nnet.getMonitor().setSingleThreadMode(singleThreadMode);
                nnet.go();
    
                for (int i = 0; i < 4; i++)
                {
                    double[] pattern = memOut.getNextPattern();
                    System.out.println(" Output pattern # " + (i + 1) + " = "
                            + pattern[0]);
                }
                System.out.println(" Interrogating Finished ");
            }

这个方法相当于测试方法，这里的inputArray是测试数据， 注意这里需要设置monitor.setLearning(false);，因为这不是训练过程，并不需要学习，monitor.setTrainingPatterns(4);这个是指测试的数量，4表示有4个测试数据（虽然这里只有一个）。这里还给nnet添加了一个输出层数据对象，这个对象mmOut是初始测试结果，注意到之前我们初始化神经网络的时候并没有给输出层指定数据对象，因为那个时候我们在训练，而且指定了trainer作为目的输出。  
接下来就是输出结果数据了，pattern的个数和输出层的神经元个数一样大，这里输出层神经元的个数是1，所以pattern大小为1.  
Output pattern \# 1 = 0.018303527517809233  
表示输出结果为0.01，根据sigmoid函数特性，我们得到的输出是0，和预期结果一致。如果输出层神经元个数大于1，那么输出值将会有多个，因为输出层结果是0|1离散值，所以我们取输出最大的那个神经元的输出值取为1，其他为0