Python利用CNN實現(xiàn)對時序數(shù)據(jù)進(jìn)行分類
一、數(shù)據(jù)集介紹
數(shù)據(jù)集利用的是CPSC2020數(shù)據(jù)集。
訓(xùn)練數(shù)據(jù)包括從心律失?;颊呤占?0個單導(dǎo)聯(lián)心電圖記錄,每個記錄持續(xù)約24小時。

下載完成后的TrainingSet數(shù)據(jù)集包括兩個文件夾,分別是data和ref。data和ref文件夾內(nèi)分別有10個mat文件。
- data文件夾存儲數(shù)據(jù)文件,每個文件以mat格式存儲,n ∗ 1 n*1n∗1數(shù)組表示;
- ref文件夾為標(biāo)簽文件夾,每個文件以mat文件存儲,結(jié)構(gòu)體存儲,包括S_ref,V_ref兩個n*1數(shù)組,分別存儲對應(yīng)標(biāo)簽(S,V)的位置;
采樣率為 400。
- S:室上早搏(SPB);
- V:心室早搏(PVC);
數(shù)據(jù)集鏈接如下:http://2020.icbeb.org/CSPC2020
二、數(shù)據(jù)預(yù)處理
2.1 獲取原始數(shù)據(jù)
查看一下前1000個心電圖數(shù)據(jù):
datafile = 'E:/Wendy/Desktop/TrainingSet/data/A04.mat'# 采樣率400 data = scio.loadmat(datafile) #rint(data) # dict sig = data['ecg']# (x,1) #print(sig) sig = np.reshape(sig,(-1)) # (x,)轉(zhuǎn)換為一維向量 print(sig) sigPlot = sig[1:5*200]# # 獲取前1000個信號 fig = plt.figure(figsize=(20, 10),dpi=400) plt.plot(sigPlot) plt.show()
運行結(jié)果:

2.2 獲取原始標(biāo)簽
將標(biāo)簽數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一維向量
datafile = 'E:/Wendy/Desktop/TrainingSet/ref/R04.mat'# 采樣率400 data = scio.loadmat(datafile) #print(data) label = data['ref'][0][0] S_ref = label[0]; S_ref = np.reshape(S_ref,(-1)) # 轉(zhuǎn)換為一維向量 V_ref = label[1]; V_ref = np.reshape(V_ref,(-1)) # 轉(zhuǎn)換為一維向量
2.3 數(shù)據(jù)分割
數(shù)據(jù)分割為5s一個片段
思路:房早室早心拍和前后兩個心拍均有關(guān)系,按照平均心率72計算,平均每個心拍的時間為60/72,因此5個心拍的時間為60/725=4.1667 4.1667s不好計算,故選擇5s 5 ( 秒 ) s a m p r = 5 ∗ 400 = 2000 個 s a m p l e 5(秒)sampr = 5*400=2000個sample5(秒)sampr=5∗400=2000個sample
定義標(biāo)簽:0:其他;1:V_ref; 2:S_ref;
a = len(sig) Fs = 400 # 采樣率為400 segLen = 5*Fs # 2000 num = int(a/segLen) print(num)
運行結(jié)果:
17650
其中Fs為采樣率,segLen為片段長度,num為片段數(shù)量。
2.4 整合數(shù)據(jù)和標(biāo)簽
接下來需要整合數(shù)據(jù)和標(biāo)簽:
all_data=[]
all_label = [];
i=1
while i<num+1:
all_data.append(np.array(sig[(i-1)*segLen:i*segLen]))
# 標(biāo)簽
if set(S_ref) & set(range((i-1)*segLen,i*segLen)):
all_label.append(2)
elif set(V_ref) & set(range((i-1)*segLen,i*segLen)):
all_label.append(1)
else:
all_label.append(0)
i=i+1
type(all_data)# list類型
type(all_label)# list類型
print((np.array(all_data)).shape) # 17650為數(shù)據(jù)長度,2000為數(shù)據(jù)個數(shù)
print((np.array(all_label)).shape)
#print(all_data)運行結(jié)果:
(17650, 2000)
(17650,)
17650為數(shù)據(jù)長度,2000為數(shù)據(jù)個數(shù)。
2.5 保存
將數(shù)據(jù)保存為字典類型:
import pickle
res = {'data':all_data, 'label':all_label} # 字典類型dict
with open('./cpsc2020.pkl', 'wb') as fout: # #將結(jié)果保存為cpsc2020.pkl
pickle.dump(res, fout)
三、數(shù)據(jù)訓(xùn)練
3.1 讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理
將數(shù)據(jù)歸一化并進(jìn)行標(biāo)簽編碼,劃分訓(xùn)練集和測試集,訓(xùn)練集為90%,測試集為10%,打亂數(shù)據(jù)并將其擴展為二維:
import numpy as np
import pandas as pd
import scipy.io
from matplotlib import pyplot as plt
import pickle
from sklearn.model_selection import train_test_split
from collections import Counter
from tqdm import tqdm
def read_data_physionet():
"""
only N V, S
"""
# read pkl
with open('./cpsc2020.pkl', 'rb') as fin:
res = pickle.load(fin) # 加載數(shù)據(jù)集
## 數(shù)據(jù)歸一化
all_data = res['data']
for i in range(len(all_data)):
tmp_data = all_data[i]
tmp_std = np.std(tmp_data) # 獲取數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差
tmp_mean = np.mean(tmp_data) # 獲取數(shù)據(jù)均值
if(tmp_std==0): # i=1239-1271均為0
tmp_std = 1
all_data[i] = (tmp_data - tmp_mean) / tmp_std # 歸一化
all_data = []
## 標(biāo)簽編碼
all_label = []
for i in range(len(res['label'])):
if res['label'][i] == 1:
all_label.append(1)
all_data.append(res['data'][i])
elif res['label'][i] == 2:
all_label.append(2)
all_data.append(res['data'][i])
else:
all_label.append(0)
all_data.append(res['data'][i])
all_label = np.array(all_label)
all_data = np.array(all_data)
# 劃分訓(xùn)練集和測試集,訓(xùn)練集90%,測試集10%
X_train, X_test, Y_train, Y_test = train_test_split(all_data, all_label, test_size=0.1, random_state=15)
print('訓(xùn)練集和測試集中 其他類別(0);室早(1);房早(2)的數(shù)量: ')
print(Counter(Y_train), Counter(Y_test))
# 打亂訓(xùn)練集
shuffle_pid = np.random.permutation(Y_train.shape[0])
X_train = X_train[shuffle_pid]
Y_train = Y_train[shuffle_pid]
# 擴展為二維(x,1)
X_train = np.expand_dims(X_train, 1)
X_test = np.expand_dims(X_test, 1)
return X_train, X_test, Y_train, Y_test
X_train, X_test, Y_train, Y_test = read_data_physionet()
運行結(jié)果:
訓(xùn)練集和測試集中 其他類別(0);室早(1);房早(2)的數(shù)量:
Counter({1: 8741, 0: 4605, 2: 2539}) Counter({1: 1012, 0: 478, 2: 275})
3.2 構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
自行構(gòu)建數(shù)據(jù)集:
# 構(gòu)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) MyDataset
# 單條數(shù)據(jù)信號的形狀為:1*2000
import numpy as np
from collections import Counter
from tqdm import tqdm
from matplotlib import pyplot as plt
from sklearn.metrics import classification_report
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import torch.nn.functional as F
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader
class MyDataset(Dataset):
def __init__(self, data, label):
self.data = data
self.label = label
#把numpy轉(zhuǎn)換為Tensor
def __getitem__(self, index):
return (torch.tensor(self.data[index], dtype=torch.float), torch.tensor(self.label[index], dtype=torch.long))
def __len__(self):
return len(self.data)
3.3 搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
搭建CNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):
# 搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
class CNN(nn.Module):
def __init__(self):
super(CNN, self).__init__()
self.conv1 = nn.Sequential( # input shape (1, 1, 2000)
nn.Conv1d(
in_channels=1,
out_channels=16,
kernel_size=5,
stride=1,
padding=2,
), # output shape (16, 1, 2000)
nn.Dropout(0.2),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool1d(kernel_size=5), # choose max value in 1x5 area, output shape (16, 1, 400)2000/5
)
self.conv2 = nn.Sequential( # input shape (16, 1, 400)
nn.Conv1d(16, 32, 5, 1, 2), # output shape (32, 1, 400)
nn.Dropout(0.2),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool1d(kernel_size=5), # output shape (32, 1, 400/5=80)
)
self.out = nn.Linear(32 * 80, 3) # fully connected layer, output 3 classes
def forward(self, x):
x = self.conv1(x)
x = self.conv2(x)
x = x.view(x.size(0), -1)
output = self.out(x)
#output.Softmax()
return output, x
cnn = CNN()
print(cnn)
運行結(jié)果:
CNN(
(conv1): Sequential(
(0): Conv1d(1, 16, kernel_size=(5,), stride=(1,), padding=(2,))
(1): Dropout(p=0.2, inplace=False)
(2): ReLU()
(3): MaxPool1d(kernel_size=5, stride=5, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
)
(conv2): Sequential(
(0): Conv1d(16, 32, kernel_size=(5,), stride=(1,), padding=(2,))
(1): Dropout(p=0.2, inplace=False)
(2): ReLU()
(3): MaxPool1d(kernel_size=5, stride=5, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
)
(out): Linear(in_features=2560, out_features=3, bias=True)
)
3.4 開始訓(xùn)練
優(yōu)化器利用的是Adam優(yōu)化器,損失函數(shù)使用crossEntropy函數(shù)。
代碼略
50個epoch的運行效果如下:

以上就是Python利用CNN實現(xiàn)對時序數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于Python CNN時序數(shù)據(jù)分類的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
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