从零开始学习Java神经网络、自然语言处理和语音识别,附详解和简易版GPT,语音识别完整代码示例解析

简介: 从零开始学习Java神经网络、自然语言处理和语音识别,附详解和简易版GPT,语音识别完整代码示例解析

神经网络是一种模仿人脑神经系统运行方式的计算模型。在计算机科学领域,神经网络被广泛应用于图像处理、自然语言处理、语音识别、智能推荐等领域。本文将介绍如何用Java编写一个简易版的神经网络模型。

一、神经网络简介

神经网络由神经元(neuron)和连接(synapse)构成。每个神经元接收一些输入,经过加权和运算后产生输出。神经元之间的连接有不同的权值,表示不同神经元之间的强度。神经网络的训练过程就是通过调整权值,使网络能够学习输入输出的映射关系。

神经网络通常包含输入层、隐藏层和输出层。输入层接收输入信号,隐藏层进行处理,输出层产生最终结果。每个层都由多个神经元组成,它们之间通过连接进行通信。神经网络的结构和参数(权值)都需要进行设计和调整,以适应不同的任务。

image.png

二、实现简单神经网络

我们将实现一个简单的神经网络,包含一个输入层、一个隐藏层和一个输出层。输入层有3个神经元,隐藏层有4个神经元,输出层有1个神经元。我们将使用反向传播算法来训练神经网络。

image.png

首先,我们需要定义神经网络的结构。我们可以创建一个类来表示神经元,另一个类来表示神经网络层。以下是神经元类的定义:


public class Neuron {
    private double output; //神经元的输出值
    private double error; //神经元的误差
    //计算神经元的输出值
    public double calculateOutput(double[] inputs, double[] weights) {
        double sum = 0;
        for (int i = 0; i < inputs.length; i++) {
            sum += inputs[i] * weights[i];
        }
        output = sigmoid(sum);
        return output;
    }
    //计算sigmoid函数
    private double sigmoid(double x) {
        return 1 / (1 + Math.exp(-x));
    }
    //设置神经元的误差
    public void setError(double error) {
        this.error = error;
    }
    //获取神经元的误差
    public double getError() {
        return error;
    }
    //获取神经元的输出值
    public double getOutput() {
        return output;
    }
}

上述代码中,我们定义了一个神经元类,它包含神经元的输出值、误差以及计算输出值的方法。计算输出值的方法使用了sigmoid函数,它将神经元的加权和转换为0到1之间的输出值。

接下来,我们定义神经网络层的类。以下是神经网络层类的定义:

public class NetworkLayer {
    private int numberOfNeurons; //神经网络层的神经元数量
    private Neuron[] neurons; //神经网络层的神经元数组
    //初始化神经网络层
    public NetworkLayer(int numberOfNeurons, int numberOfInputsPerNeuron) {
        this.numberOfNeurons = numberOfNeurons;
        neurons = new Neuron[numberOfNeurons];
        for (int i = 0; i < numberOfNeurons; i++) {
            neurons[i] = new Neuron();
        }
    }
    //计算神经网络层的输出值
    public double[] calculateLayerOutput(double[] inputs) {
        double[] outputs = new double[numberOfNeurons];
        for (int i = 0; i < numberOfNeurons; i++) {
            outputs[i] = neurons[i].calculateOutput(inputs, weights[i]);
        }
        return outputs;
    }
    //计算隐藏层的误差
    public void calculateHiddenLayerError(NetworkLayer outputLayer, double[] outputError) {
        double[] error = new double[numberOfNeurons];
        for (int i = 0; i < numberOfNeurons; i++) {
            double sum = 0;
            for (int j = 0; j < outputLayer.getNumberOfNeurons(); j++) {
                sum += outputError[j] * outputLayer.getNeurons()[j].getWeights()[i];
            }
            error[i] = neurons[i].getOutput() * (1 - neurons[i].getOutput()) * sum;
        }
        for (int i = 0; i < numberOfNeurons; i++) {
          neurons[i].setError(error[i]);
        }
        //更新神经元的权重值
public void updateWeights(double[] inputs, double learningRate) {
    for (int i = 0; i < numberOfNeurons; i++) {
        double[] weights = neurons[i].getWeights();
        for (int j = 0; j < inputs.length; j++) {
            weights[j] += learningRate * neurons[i].getError() * inputs[j];
        }
    }
}
       //获取神经元的数量
       public int getNumberOfNeurons() {
            return numberOfNeurons;
    }
       //获取神经元数组
       public Neuron[] getNeurons() {
            return neurons;
}
}

上述代码中,我们定义了一个神经网络层类,它包含神经元数量、神经元数组以及计算输出值、计算误差和更新权重值的方法。

现在,我们可以将上述两个类组合起来创建一个完整的神经网络。以下是完整的神经网络类的定义:

public class NeuralNetwork {
    private NetworkLayer inputLayer;
    private NetworkLayer hiddenLayer;
    private NetworkLayer outputLayer;
    //初始化神经网络
    public NeuralNetwork() {
        inputLayer = new NetworkLayer(3, 4);
        hiddenLayer = new NetworkLayer(4, 3);
        outputLayer = new NetworkLayer(1, 4);
    }
    //计算神经网络的输出值
    public double calculateOutput(double[] inputs) {
        double[] hiddenLayerOutput = hiddenLayer.calculateLayerOutput(inputs);
        return outputLayer.calculateLayerOutput(hiddenLayerOutput)[0];
    }
    //训练神经网络
    public void train(double[][] inputs, double[] outputs, double learningRate, int epochs) {
        for (int epoch = 0; epoch < epochs; epoch++) {
            double error = 0;
            for (int i = 0; i < inputs.length; i++) {
                double[] hiddenLayerOutput = hiddenLayer.calculateLayerOutput(inputs[i]);
                double[] outputLayerOutput = outputLayer.calculateLayerOutput(hiddenLayerOutput);
                double outputError = outputs[i] - outputLayerOutput[0];
                outputLayer.getNeurons()[0].setError(outputError);
                hiddenLayer.calculateHiddenLayerError(outputLayer, outputLayer.getNeurons()[0].getWeights());
                hiddenLayer.updateWeights(inputs[i], learningRate);
                outputLayer.updateWeights(hiddenLayerOutput, learningRate);
                error += Math.pow(outputError, 2);
            }
            error /= inputs.length;
            System.out.println("Epoch " + epoch + " Error: " + error);
        }
    }
}

上述代码中,我们定义了一个神经网络类,它包含输入层、隐藏层和输出层。计算输出值的方法调用了隐藏层和输出层的计算输出值方法。训练方法使用了反向传播算法来更新神经网络的权重值,并计算误差。训练方法中的输出显示了每个时代的误差。

三、Java自然语言处理示例代码(简易版GPT)

image.png

CoreNLP示例

image.png

模型下载地址

用于从文本中提取名词短语

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.regex.Matcher;
import java.util.regex.Pattern;
import edu.stanford.nlp.ling.CoreAnnotations;
import edu.stanford.nlp.ling.CoreLabel;
import edu.stanford.nlp.pipeline.Annotation;
import edu.stanford.nlp.pipeline.StanfordCoreNLP;
import edu.stanford.nlp.util.CoreMap;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Properties;
import edu.stanford.nlp.ling.CoreAnnotations;
import edu.stanford.nlp.ling.CoreLabel;
import edu.stanford.nlp.pipeline.Annotation;
import edu.stanford.nlp.pipeline.StanfordCoreNLP;
import edu.stanford.nlp.util.CoreMap;
public class NLPExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 要处理的文本
        String text = "我有一只名叫小陈的猫。她喜欢在csdn发博客。";
        // 提取名词短语
        List<String> nounPhrases = extractNounPhrases(text);
        // 输出结果
        System.out.println(nounPhrases);
    }
    public static List<String> extractNounPhrases(String text) {
        List<String> nounPhrases = new ArrayList<String>();
        // 创建Stanford CoreNLP对象
        Properties props = new Properties();
        props.setProperty("annotators", "tokenize, ssplit, pos");
        StanfordCoreNLP pipeline = new StanfordCoreNLP(props);
        // 对文本进行注释
        Annotation document = new Annotation(text);
        pipeline.annotate(document);
        // 获取句子列表
        List<CoreMap> sentences = document.get(CoreAnnotations.SentencesAnnotation.class);
        // 遍历每个句子,提取名词短语
        for (CoreMap sentence : sentences) {
            String sentenceText = sentence.get(CoreAnnotations.TextAnnotation.class);
            List<CoreLabel> tokens = sentence.get(CoreAnnotations.TokensAnnotation.class);
            for (int i = 0; i < tokens.size(); i++) {
                CoreLabel token = tokens.get(i);
                String pos = token.get(CoreAnnotations.PartOfSpeechAnnotation.class);
                // 如果当前标记是一个名词,则收集它的名词短语
                if (pos.startsWith("NN")) {
                    String nounPhrase = token.get(CoreAnnotations.TextAnnotation.class);
                    int j = i + 1;
                    while (j < tokens.size()) {
                        CoreLabel nextToken = tokens.get(j);
                        String nextPos = nextToken.get(CoreAnnotations.PartOfSpeechAnnotation.class);
                        if (nextPos.startsWith("NN")) {
                            nounPhrase += " " + nextToken.get(CoreAnnotations.TextAnnotation.class);
                            j++;
                        } else {
                            break;
                        }
                    }
                    nounPhrases.add(nounPhrase);
                }
            }
        }
        return nounPhrases;
    }
}

代码说明: 这个示例代码使用了Stanford CoreNLP库,它是一个流行的自然语言处理工具包,可以用于分词、句子分割、词性标注、命名实体识别等任务。在这个示例代码中,我们首先使用Stanford CoreNLP对输入文本进行处理,然后遍历每个词语,如果它的词性标注以"NN"开头,则将它作为名词短语的一部分。最后,我们将所有提取到的名词短语存储在一个列表中,并返回该列表。

四、Java简易版语音识别示例代码

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import javax.sound.sampled.AudioFileFormat;
import javax.sound.sampled.AudioInputStream;
import javax.sound.sampled.AudioSystem;
import edu.cmu.sphinx.api.Configuration;
import edu.cmu.sphinx.api.LiveSpeechRecognizer;
public class SpeechRecognition {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 配置语音识别引擎
        Configuration configuration = new Configuration();
        // 设置语音识别引擎使用的语言模型文件和字典文件
        configuration.setAcousticModelPath("resource:/edu/cmu/sphinx/models/en-us/en-us");
        configuration.setDictionaryPath("resource:/edu/cmu/sphinx/models/en-us/cmudict-en-us.dict");
        // 创建语音识别器
        LiveSpeechRecognizer recognizer = new LiveSpeechRecognizer(configuration);
        // 开始语音识别
        recognizer.startRecognition(true);
        // 获取识别结果
        while (true) {
            String result = recognizer.getResult().getHypothesis();
            System.out.println("识别结果:" + result);
        }
        // 停止语音识别
        recognizer.stopRecognition();
    }
    // 读取音频文件
    public static AudioInputStream getAudioInputStream(String filename) throws IOException {
        File file = new File(filename);
        InputStream inputStream = new FileInputStream(file);
        return AudioSystem.getAudioInputStream(inputStream);
    }
    // 保存音频文件
    public static void saveAudioFile(AudioInputStream audioInputStream, String filename, AudioFileFormat.Type fileType) throws IOException {
        File file = new File(filename);
        AudioSystem.write(audioInputStream, fileType, file);
    }
}

代码说明: 这个示例代码使用了CMUSphinx语音识别引擎,实现了一个简单的语音识别功能。代码中,Configuration类用于配置语音识别引擎,LiveSpeechRecognizer类用于创建语音识别器,getAudioInputStream方法用于读取音频文件,saveAudioFile方法用于保存音频文件。

在代码中,通过configuration.setAcousticModelPath方法和configuration.setDictionaryPath方法设置了语音识别引擎使用的语言模型文件和字典文件。然后创建了一个LiveSpeechRecognizer对象,并调用其startRecognition方法开始语音识别,再通过getResult方法获取识别结果,最后调用stopRecognition方法停止语音识别。

五、结论

本文介绍了如何使用Java编写一个简单的神经网络模型,包含输入层、隐藏层和输出层。我们使用了反向传播算法来训练神经网络,反向传播算法是一种广泛使用的神经网络训练算法,它使用了梯度下降法来最小化神经网络的误差。在本文中,我们使用反向传播算法来更新神经网络的权重值,以使神经网络的输出尽可能接近预期的输出。我们还介绍了神经网络的基本概念,包括神经元、神经网络层和神经网络。

虽然本文中实现的神经网络非常简单,但是我们可以通过增加神经元、增加隐藏层或增加更多的训练数据来增强神经网络的性能。此外,还有许多其他的神经网络架构和训练算法可供选择,可以根据具体应用场景选择合适的架构和算法。

总之,神经网络是一种非常强大的工具,可以用于许多不同的应用,如图像识别、自然语言处理和预测等。希望本文可以为读者提供基本的神经网络实现思路,以便进一步研究和应用。

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