loss=keras.losses.CategoricalCrossentropy(),

metrics=["accuracy"],

)

# Загрузка звукового файла

audio_file = tf.io.read_file("audio.wav")

audio, _ = tf.audio.decode_wav(audio_file)

audio = tf.squeeze(audio, axis=-1)

audio = tf.cast(audio, tf.float32)

# Разбивка на фрагменты

frame_length = 640

frame_step = 320

audio_length = tf.shape(audio)[0]

num_frames = tf.cast(tf.math.ceil(audio_length / frame_step), tf.int32)

padding_length = num_frames * frame_step – audio_length

audio = tf.pad(audio, [[0, padding_length]])

audio = tf.reshape(audio, [num_frames, frame_length])

# Извлечение признаков MFCC

mfccs = tf.signal.mfccs_from_log_mel_spectrograms(

tf.math.log(tf.abs(tf.signal.stft(audio))),

audio.shape[-1],

num_mel_bins=13,

dct_coefficient_count=13,

)

# Подготовка данных для обучения

labels = ["one", "two", "three", "four", "five", "six", "seven", "eight", "nine", "zero"]

label_to_index = dict(zip(labels, range(len(labels))))

index_to_label = dict(zip(range(len(labels)), labels))

text = "one two three four five six seven eight nine zero"

target = tf.keras.preprocessing.text.one_hot(text, len(labels))

X_train = mfccs[None, …]

y_train = target[None, …]

# Обучение модели

history = model.fit(X_train, y_train, epochs=10)

# Предсказание результатов

predicted_probs = model.predict(X_train)

predicted_indexes = tf.argmax(predicted_probs, axis=-1)[0]

predicted_labels = [index_to_label[i] for i in predicted_indexes]

# Вывод результатов

print("Predicted labels:", predicted_labels)

Этот код реализует автоматическое распознавание речи с помощью нейросети на основе TensorFlow и Keras. Первым шагом определяется архитектура нейросети с помощью Keras Sequential API. В данном случае используется рекуррентный слой LSTM, принимающий на вход последовательность участков звука длиной 13. Затем идут несколько полносвязных слоев с функцией активации relu и один выходной слой с функцией активации softmax, выдающий вероятности для каждого класса речи.

Далее модель компилируется с помощью метода compile. Оптимизатором выбран Adam с коэффициентом обучения 0.001, функцией потерь – категориальная кросс-энтропия, а в качестве метрики используется точность классификации.

Затем загружается звуковой файл в формате wav, который декодируется с помощью tf.audio.decode_wav и преобразуется в числовые значения float32. Далее происходит разбиение файла на фрагменты длиной 640 с шагом 320. Если файл не делится на равные фрагменты, то добавляется заполнение.

Далее происходит извлечение признаков MFCC (Mel-frequency cepstral coefficients) из каждого фрагмента звука с помощью функции tf.signal.mfccs_from_log_mel_spectrograms. Полученные признаки используются для обучения модели.

Для обучения модели необходимо подготовить данные. В данном случае используется текст с указанием всех возможных классов и соответствующая метка для каждого класса. Для удобства преобразуется текст в one-hot кодировку с помощью метода tf.keras.preprocessing.text.one_hot. Затем подготовленные данные передаются в модель для обучения с помощью метода fit.

После обучения модели предсказываются результаты на тех же данных с помощью метода predict. Выбирается индекс с максимальной вероятностью и соответствующий ему класс.

В конце выводятся предсказанные метки классов.

3. Пример кода «Рекомендательная система».

Для удобства, опишем процесс в пяти шагах:

Шаг 1: Сбор данных

Первый шаг в создании рекомендательной системы – сбор данных. Для этого нужно собрать данные о пользователях, например, их предпочтения, покупки, историю просмотров и т. д. Эти данные можно получить из различных источников, таких как базы данных или логи пользователей.

Шаг 2: Подготовка данных

После того, как данные собраны, нужно их подготовить. Например, нужно провести предобработку данных, чтобы очистить их от шума и выбросов. Для этого можно использовать различные техники, например, стандартизацию и нормализацию данных.

Шаг 3: Обучение модели

После того, как данные подготовлены, можно перейти к обучению модели. Для создания рекомендательной системы можно использовать различные типы нейронных сетей, например, сверточные нейронные сети или рекуррентные нейронные сети. Модель должна быть обучена на обучающей выборке данных.

Шаг 4: Тестирование модели

После обучения модели, необходимо провести тестирование модели, чтобы убедиться, что она работает правильно. Для этого можно использовать тестовую выборку данных. В процессе тестирования можно провести анализ метрик, таких как точность и полнота.

Шаг 5: Применение модели

После того, как модель прошла тестирование, можно ее применять для рекомендации контента пользователям. Например, можно использовать модель, чтобы рекомендовать пользователю книги по фантастике, если он ранее покупал такие книги. В этом случае, модель может использовать данные о пользователе, чтобы предсказать, что он может заинтересоваться.

Код решения для рекомендательной системы будет зависеть от того, какие данные о пользователе и предметах рекомендуется использовать, а также какая архитектура нейронной сети будет использоваться. Ниже приведен пример кода для простой рекомендательной системы на основе матричной факторизации, которая использует данные о рейтингах пользователей и предметов:

import numpy as np

# загрузка данных

ratings = np.array([

[5, 3, 0, 1],

[4, 0, 0, 1],

[1, 1, 0, 5],

[1, 0, 0, 4],

[0, 1, 5, 4],

])

# инициализация параметров

num_users, num_items = ratings.shape

num_factors = 2

learning_rate = 0.01

num_epochs = 1000

# инициализация матриц пользователей и предметов

user_matrix = np.random.rand(num_users, num_factors)

item_matrix = np.random.rand(num_factors, num_items)

# обучение матричной факторизации

for epoch in range(num_epochs):

for i in range(num_users):

for j in range(num_items):

if ratings[i][j] > 0:

error = ratings[i][j] – np.dot(user_matrix[i,:], item_matrix[:,j])

user_matrix[i,:] += learning_rate * (error * item_matrix[:,j])

item_matrix[:,j] += learning_rate * (error * user_matrix[i,:])

# прогнозирование рейтингов для всех пользователей и предметов

predicted_ratings = np.dot(user_matrix, item_matrix)

# рекомендация предметов для конкретного пользователя

user_id = 0

recommended_items = np.argsort(predicted_ratings[user_id])[::-1]

print("Рекомендации для пользователя", user_id)

print(recommended_items)

В этом примере мы использовали матричную факторизацию для построения рекомендательной системы. Мы инициализировали матрицы пользователей и предметов случайными значениями и обучили их на основе известных рейтингов пользователей и предметов. Затем мы использовали полученные матрицы, чтобы прогнозировать рейтинги для всех пользователей и предметов, а затем рекомендовали предметы на основе этих прогнозов для конкретного пользователя. В реальных системах могут использоваться более сложные алгоритмы и более разнообразные данные.

4. Пример кода «Автоматическое определение эмоций».

Описание процесса.

Импортируем необходимые модули из TensorFlow.

Создаем модель, используя сверточные нейронные сети. Модель принимает входные данные в виде изображения размером 48х48х1 пикселей. Слои Conv2D, BatchNormalization и MaxPooling2D используются для извлечения признаков из изображения. Слой Flatten преобразует полученные признаки в одномерный вектор. Слои Dense, BatchNormalization и Dropout используются для классификации эмоций на 7 категорий (счастье, грусть, злость и т.д.).

Компилируем модель, указываем оптимизатор, функцию потерь и метрики.

Обучаем модель на обучающем наборе данных с использованием валидационного набора.

Оцениваем точность модели на тестовом наборе данных.

Используем модель для предсказания эмоций на новых данных.

import tensorflow as tf

from tensorflow import keras

from tensorflow.keras import layers

# Создание модели

model = keras.Sequential([

layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(48, 48, 1)),

layers.BatchNormalization(),

layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)),

layers.Dropout(0.25),

layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'),

layers.BatchNormalization(),

layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)),

layers.Dropout(0.25),

layers.Conv2D(128, (3, 3), activation='relu'),

layers.BatchNormalization(),

layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)),

layers.Dropout(0.25),

layers.Flatten(),

layers.Dense(256, activation='relu'),

layers.BatchNormalization(),

layers.Dropout(0.5),

layers.Dense(7, activation='softmax')

])

# Компиляция модели

model.compile(optimizer='adam', loss='categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])

# Обучение модели

history = model.fit(train_data, train_labels, epochs=50, validation_data=(val_data, val_labels))

# Оценка модели

test_loss, test_acc = model.evaluate(test_data, test_labels)

print('Test accuracy:', test_acc)

# Использование модели

predictions = model.predict(new_data)

Этот код создает сверточную нейронную сеть для распознавания эмоций на изображениях размером 48x48 пикселей.

В первом слое используется свертка с 32 фильтрами размера 3x3 и функцией активации ReLU, которая принимает входные изображения размера 48x48x1. Затем следуют слои нормализации пакетов, максимальной пулинги с размером фильтра 2x2 и dropout, который помогает предотвратить переобучение.

Далее добавлены два дополнительных сверточных слоя с увеличенным числом фильтров и аналогичными слоями нормализации и dropout. После этого следует слой сглаживания, который преобразует многомерный вход в одномерный вектор.

Затем следуют два полносвязных слоя с функцией активации ReLU и функцией нормализации пакетов, а также слои dropout. Последний слой содержит 7 нейронов и использует функцию активации softmax для определения вероятности каждой из 7 эмоций.

Для компиляции модели используется оптимизатор adam, функция потерь categorical_crossentropy и метрика accuracy. Модель обучается на тренировочных данных в течение 50 эпох с валидацией на проверочных данных.

После обучения модели оценивается на тестовых данных и выводится точность предсказаний. Затем используется модель для предсказания эмоций на новых данных.

Итог по 1 главе.

В этой главе мы рассмотрели основные концепции, которые лежат в основе нейросетей. Мы изучили, что такое нейрон, как он работает в нейросети, что такое веса и смещения, как нейрон принимает решения и как строится нейросеть. Мы также рассмотрели процесс обучения нейросети и то, как нейросеть корректирует свои веса и смещения, чтобы улучшить точность прогнозирования.

Итак, можно сделать вывод, что нейросеть – это мощный инструмент в области искусственного интеллекта и машинного обучения, который используется во многих приложениях. Основой нейросети является нейрон, который принимает входные сигналы, обрабатывает их и генерирует выходной сигнал. Нейросеть состоит из множества нейронов, объединенных в слои, и каждый нейрон имеет веса и смещения.

Мы также рассмотрели практические аспекты создания и обучения нейронных сетей с использованием библиотеки TensorFlow и фреймворка Keras. Мы описали процесс подготовки данных, создания модели, ее компиляции и обучения. Кроме того, мы обсудили важность проверки и оценки модели на тестовых данных.

Коды, которые мы рассмотрели, позволяют создать и обучать нейронную сеть для решения конкретных задач, таких как автоматическое определение эмоций и распознавание изображений, определение эмоций и рекомендательная система. Эти примеры демонстрируют, как можно использовать нейронные сети для решения различных практических задач.

В целом, первая глава предоставляет базовые знания и практические навыки в области нейронных сетей и глубокого обучения, которые могут быть полезны как для начинающих, так и для опытных специалистов в этой области.