深度学习量化交易---0.2.基于长短时记忆网络预测股票价格1

本文详细介绍长短时记忆网络(LSTM)原理及其在股票价格预测中的应用。LSTM能够处理长序列数据,避免过拟合,适用于股票交易等时序信号预测。文章通过上证综指实例,展示如何利用LSTM进行股票价格预测。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

在这一节中,我们将先向大家介绍长短时记忆网络(LSTM),然后详细讲解怎样使用长短时记忆网络(LSTM)来预测股票价格,为了避免人为因素干拢,我们还以上证综指为例来进行说明。
长短时记忆网络(LSTM)
股票交易数据是一种典型的时序信号,需要处理较长的时间序列,有时为了准确的进行股票价格预测,可能会需要看几周甚至几个月的历史数据,如果采用普通的多层感知器模型的话,那么要求输入层维度就非常大,整个网络的参数就要求非常多,就非常难以训练,并且容易出现过拟合(Over Fitting)。采用长短时记忆网络(LSTM),每次仅需要输入一个时间点的数据,输入层维度低,同时网络参数少,虽然比较难以训练,但是一旦网络训练成功,就不容易出现过拟合(OverFitting)。
要理解长短时记忆网络,我们先来看普通的神经网络,如下所示:
在这里插入图片描述
如上图所示,输入信号从输入层经过中间的隐藏层,到达输出层,中间没有回路。
而递归神经网络(RNN)则与此不同,隐藏层除了向输出层输出外,还将自己的输出重新作为输入传输给自己,如下图所示:
在这里插入图片描述
如上图所示,隐藏层的输出信号,会重新作为输入信号输入给自己。为了能更好的表示这种网络,我们通常采用展开的形式,如下所示:
在这里插入图片描述
t=1t=1t=1时刻,隐藏层的状态为h0h_0h0,加上t=1t=1t=1时刻的输入x1x_1x1,一起作为隐藏层在t=1t=1t=1时刻的输入,计算出隐藏层的输出值h1h_1h1,其一方面输出给上一层网络(如输出层),另一方面也会作为在t=2t=2t=2时刻的输入,与在t=2t=2t=2时刻输入信号x2x_2x2一起,作为隐藏层输入,这时又会产生在t=2t=2t=2时刻隐藏层的输出,依此类推下去,这就是普通的递归神经网络。
我们假设输入层到隐藏层的连接权值为WiW^iWi,而隐藏层到隐藏层的连接权值为WhW^hWh,在ttt时刻,递归神经网络可以表示为:
ht=fh(Wh⋅ht−1+Wi⋅xt)yt=fo(Wo⋅ht) h_t=f_h(W^h \cdot h_{t-1} + W^i \cdot x_t) \\ y_t=f_o(W^o \cdot h_t) ht=fh(Whht1+Wixt)yt=fo(Woht)
在普通递归神经网络的基础上,可以形成深层递归网络和双向递归网络,原现与普通递归神经网络类似,这里就不再具体介绍了。
但是普通递归神经网络在具体使用过程中,由于只能具有短时记忆,并用会出现梯度爆炸等问题,所以在实际应用中,人们一般很少直接使用递归神经网络(RNN),而一般都使用长短时记忆网络(LSTM)或GRU,我们在量化投资中,采用长短时记忆网络。
长短时记忆网络(LSTM)
长短时记忆网络(LSTM)网络结构图如下所示:
在这里插入图片描述
网络由变化很慢的c和变化很快的h组成,在t=1t=1t=1时刻,隐藏层状态为c0c_0c0h0h_0h0,与t=1t=1t=1时刻输入信号x1x_1x1一起,输入到隐藏层,隐藏层产生输出c1c_1c1h1h_1h1。在t=2t=2t=2时刻,隐藏层状态为c1c_1c1h1h_1h1,与t=2t=2t=2时刻输入信号一起,输入到隐藏层,产生输出为c2c_2c2h2h_2h2,如此循环往复下去。
长短时记忆网络的逻辑图如下所示:
在这里插入图片描述
这是在原始Paper中画出的逻辑结构,为了更好的理解长短时记忆网络,我们通常采用一种不同的方式来表示:
在这里插入图片描述
长短时记忆网络(LSTM)中间层如上图所示,下面我们分步来看长短时记忆网络(LSTM)的原理:
1.由遗忘门决定丢弃信息
在这里插入图片描述
假设在ttt时刻隐藏层状态为ht−1\boldsymbol{h}_{t-1}ht1,输入信号为xt\boldsymbol{x}_txt,遗忘门的连接权值为WfW_fWf[ht−1,xt][\boldsymbol{h}_{t-1},\boldsymbol{x}_t][ht1,xt]表示将向量ht−1\boldsymbol{h}_{t-1}ht1xt\boldsymbol{x}_txt连接在一起,形成一个新的向量,遗忘门的输出为一个0~1之间的数字,代表需要忘记多少以前的记忆,如下所示:
ft=σ(Wf⋅[ht−1,xt]+bf) \boldsymbol{f}_t=\sigma (W^f \cdot [\boldsymbol{h}_{t-1}, \boldsymbol{x}_t]+\boldsymbol{b}_f) ft=σ(Wf[ht1,xt]+bf)
2.输入门决定输入信号
在这里插入图片描述
it=σ(Wi⋅[ht−1,xt]+bi)c~t=tanh⁡(Wc⋅[ht,xt]+bc) \boldsymbol{i}_t=\sigma(W_i \cdot [\boldsymbol{h}_{t-1}, \boldsymbol{x}_t] + \boldsymbol{b}_i) \\ \tilde{\boldsymbol{c}}_t=\tanh{(W_c \cdot [\boldsymbol{h}_t, \boldsymbol{x}_t] + \boldsymbol{b}_c)} it=σ(Wi[ht1,xt]+bi)c~t=tanh(Wc[ht,xt]+bc)
3.更新长期记忆细胞状态
在这里插入图片描述
ct=ft⊗ct−1+it⊗c~t \boldsymbol{c}_t=\boldsymbol{f}_t \otimes \boldsymbol{c}_{t-1}+\boldsymbol{i}_t \otimes \boldsymbol{\tilde{c}}_t ct=ftct1+itc~t
4.通过输出门产生输出信号
在这里插入图片描述
ot=σ(Wo⋅[ht−1,xt]+bo)ht=ot⋅tanh⁡(ct) \boldsymbol{o}_t=\sigma(W_o \cdot [\boldsymbol{h}_{t-1}, \boldsymbol{x}_t] + \boldsymbol{b}_o) \\ \boldsymbol{h}_t=\boldsymbol{o}_t \cdot \tanh{(\boldsymbol{c}_t)} ot=σ(Wo[ht1,xt]+bo)ht=ottanh(ct)
通过上述步聚,就产生了ttt时刻的状态,会传到下一个时刻,一直运行下去。
股票LSTM
上面我们详细讲解了长短时记忆网络的结构和算法,下面我们将用长短时记忆网络(LSTM)来处理股票数据。我们要实现的任务就是根据前一天某支股票的开盘价、最高价、最低价、收盘价预测第二天的价格,用预测价格与第二天实际价格的最小平方和作为代价函数。

<think>嗯,用户让我完成一个基于深度学习的行为模式识别视频监控系统的毕业设计程序。我需要仔细分析他们提供的数据和技术要求,然后一步步构建解决方案。 首先看数据部分,他们用的是公开数据集,比如UCSD Ped2,包含图像和视频。数据类型有监控视频和标注数据,标注包括正常/异常类别、时间和空间信息。这需要处理视频数据,可能要进行帧提取,标注信息可能需要处理成适合模型输入的格式,比如时间序列的标签或者边界框。 然后是技术要求,系统需要用到CNN和LSTM,预训练模型如ResNet、Inception,然后微调。架构包括数据预处理、模型训练、行为检测、预警模块。还要进行模型优化,比如剪枝、量化,多线程处理实时视频流。用户界面和兼容性也很重要,最后用混淆矩阵、准确率等指标评估。 首先得考虑数据预处理部分。视频数据需要被分割成帧,可能还需要调整尺寸、归一化。标注数据可能需要转换成每帧的标签,或者时间段的标签,比如某个时间段是异常。对于空间位置信息,可能需要目标检测来定位异常区域,但用户的技术要求里没有提到目标检测,可能只需要分类。 模型方面,CNN处理单帧,LSTM处理时间序列。可能使用预训练的CNN提取特征,然后输入到LSTM中进行时间建模。或者使用3D CNN直接处理视频片段。不过用户明确提到了CNN和LSTM的组合,所以应该是用2D CNN + LSTM的结构。 模型训练部分,可能需要使用预训练的ResNet或Inception作为特征提取器,然后在视频的帧序列上应用LSTM。微调的话,可能需要解冻部分CNN层进行训练。损失函数可能用交叉熵,优化器用Adam。 实时处理方面,需要考虑视频流的输入,使用多线程或者多进程来处理帧,避免延迟。模型压缩技术如剪枝和量化,可以减小模型大小,提高推理速度。部署时可能用TensorRT或者OpenVINO来优化。 用户界面可能需要用PyQt或者Web框架如Flask/Django来展示实时检测结果和预警。系统兼容性方面,确保代码能在Windows/Linux运行,支持常见的摄像头设备。 评估指标部分,需要计算准确率、召回率、F1-score,还有混淆矩阵。系统测试时要在不同光照、遮挡环境下验证稳定性。 接下来,程序的大致流程可能是: 1. 数据预处理:加载视频,提取帧,处理标注。 2. 构建模型:CNN + LSTM,预训练模型微调。 3. 训练模型:划分训练集和测试集,设置损失和优化器。 4. 模型优化:剪枝、量化,加速推理。 5. 实时检测:处理视频流,多线程处理,调用模型预测。 6. 预警系统:检测到异常时触发警报。 7. 用户界面:显示实时视频和检测结果。 8. 评估:计算指标,系统测试。 现在需要把这些步骤转化成代码结构。可能需要使用Python,深度学习框架如PyTorch或TensorFlow。数据预处理用OpenCV处理视频,标注可能用JSON或CSV文件保存。 对于模型部分,比如在PyTorch中,可以定义一个CNN模型,然后接LSTM。例如: class CNNLSTM(nn.Module): def __init__(self): super().__init__() self.cnn = resnet18(pretrained=True) self.lstm = nn.LSTM(input_size=512, hidden_size=256) self.classifier = nn.Linear(256, 2) def forward(self, x): # x is (batch, seq_len, C, H, W) batch, seq_len = x.shape[0], x.shape[1] c_in = x.view(batch*seq_len, 3, 224, 224) c_out = self.cnn(c_in) r_in = c_out.view(batch, seq_len, -1) r_out, _ = self.lstm(r_in) output = self.classifier(r_out[:, -1, :]) return output 不过可能需要调整ResNet的全连接层,因为原始的ResNet输出是1000类,这里应该去掉最后的层,获取特征向量。例如,self.cnn = nn.Sequential(*list(resnet18(pretrained=True).children())[:-1]),这样得到的是512维的特征。 数据加载部分,需要自定义Dataset类,读取视频帧序列和对应的标签。可能需要设置固定的序列长度,比如每个样本是16帧的视频片段。 训练时,数据可能比较大,需要分批处理。损失函数用CrossEntropyLoss,优化器用Adam。 模型优化方面,可以使用PyTorch的剪枝工具,或者量化工具进行后训练量化。或者使用ONNX转换,再用TensorRT加速。 实时检测部分,用OpenCV读取摄像头或视频流,按固定间隔取帧,积累到一定帧数后输入模型进行预测。多线程可以用Python的threading模块,主线程处理视频,子线程运行模型推理,避免阻塞。 预警系统可以在检测到异常时发出声音警报,或者在界面中显示红色边框等。 用户界面如果用PyQt,可以创建一个窗口,显示视频流,旁边显示检测结果和警报信息。或者用Flask搭建Web服务,通过浏览器访问。 评估阶段需要保存模型在测试集上的预测结果,计算各项指标。可以用sklearn的classification_report来得到准确率、召回率、F1等。 可能遇到的挑战:视频处理计算量大,实时性难以保证。需要模型压缩和多线程优化。另外,标注数据可能不连续,需要处理成适合监督学习的格式。 综上所述,代码结构大致分为数据预处理、模型定义、训练、优化、实时检测和界面展示几个部分。需要逐步实现每个模块,并进行测试和整合。</think>以下是对该毕业设计程序的实现思路及核心代码分步说明: --- ### 一、系统架构设计 $$系统架构 = \begin{cases} 数据预处理模块 & \text{视频解码/帧提取/归一化} \\ 特征提取模块 & \text{ResNet-18预训练模型} \\ 时序建模模块 & \text{LSTM网络} \\ 预警决策模块 & \text{阈值判断警报触发} \\ 用户界面模块 & \text{OpenCV可视化+PyQt交互} \end{cases}$$ --- ### 二、核心代码实现(PyTorch框架) #### 1. 数据预处理 ```python import cv2 import torch class VideoDataset(torch.utils.data.Dataset): def __init__(self, video_paths, labels, seq_length=16): self.video_paths = video_paths self.labels = labels self.seq_length = seq_length def __getitem__(self, index): cap = cv2.VideoCapture(self.video_paths[index]) frames = [] while cap.isOpened(): ret, frame = cap.read() if not ret: break frame = cv2.resize(frame, (224,224)) # ResNet输入尺寸 frames.append(frame) # 截取固定长度序列 frames = frames[:self.seq_length] # 转换为Tensor [T,C,H,W] frames = torch.tensor(frames).permute(0,3,1,2).float()/255.0 label = torch.tensor(self.labels[index]) return frames, label ``` #### 2. 模型定义(CNN+LSTM) ```python import torch.nn as nn from torchvision.models import resnet18 class BehaviorRecognizer(nn.Module): def __init__(self, num_classes=2): super().__init__() # CNN特征提取 self.cnn = nn.Sequential( *list(resnet18(pretrained=True).children())[:-1], # 移除原全连接层 nn.Flatten() ) # LSTM时序建模 self.lstm = nn.LSTM( input_size=512, # ResNet-18输出维度 hidden_size=128, batch_first=True ) # 分类器 self.classifier = nn.Linear(128, num_classes) def forward(self, x): # x形状: [B,T,C,H,W] batch_size, timesteps = x.size(0), x.size(1) # 合并批次和时间维度 c_in = x.view(batch_size*timesteps, *x.shape[2:]) # CNN特征提取 [B*T, 512] c_out = self.cnn(c_in) # 恢复时间维度 [B,T,512] r_in = c_out.view(batch_size, timesteps, -1) # LSTM处理 [B,T,128] r_out, _ = self.lstm(r_in) # 取最后时刻输出 output = self.classifier(r_out[:, -1, :]) return output ``` #### 3. 实时检测模块 ```python from threading import Thread import queue class RealTimeDetector: def __init__(self, model_path, camera_id=0): self.model = torch.load(model_path) self.model.eval() self.frame_queue = queue.Queue(maxsize=16) # 设置队列长度 def camera_thread(self): cap = cv2.VideoCapture(camera_id) while True: ret, frame = cap.read() if self.frame_queue.full(): self.frame_queue.get() self.frame_queue.put(frame) def inference_thread(self): while True: if self.frame_queue.qsize() >= 16: frames = [self.frame_queue.get() for _ in range(16)] # 预处理 input_tensor = preprocess(frames) # 参考Dataset类处理 # 推理 with torch.no_grad(): output = self.model(input_tensor) # 触发警报 if torch.argmax(output) == 1: trigger_alarm() ``` --- ### 三、关键技术优化 1. **模型压缩**(使用Torch自带工具): ```python model = BehaviorRecognizer() # 剪枝(示例:对LSTM层进行20%剪枝) prune.l1_unstructured(model.lstm, name='weight_hh_l0', amount=0.2) # 量化(动态量化) quantized_model = torch.quantization.quantize_dynamic( model, {nn.LSTM, nn.Linear}, dtype=torch.qint8 ) ``` 2. **多线程加速**: ```python # 使用PyTorch的DataLoader加速数据加载 train_loader = torch.utils.data.DataLoader( dataset, batch_size=32, num_workers=4, # 多进程加载 pin_memory=True ) ``` --- ### 四、系统评估指标 定义测试函数: ```python from sklearn.metrics import confusion_matrix, f1_score def evaluate(model, test_loader): y_true, y_pred = [], [] with torch.no_grad(): for inputs, labels in test_loader: outputs = model(inputs) y_true.extend(labels.numpy()) y_pred.extend(torch.argmax(outputs,1).numpy()) print("混淆矩阵:\n", confusion_matrix(y_true, y_pred)) print(f"F1 Score: {f1_score(y_true, y_pred):.4f}") ``` --- ### 五、系统部署建议 1. **硬件选型**: - 边缘设备:NVIDIA Jetson Nano + 摄像头模组 - 服务器端:RTX 3090 GPU集群 2. **兼容性方案**: ```mermaid graph LR A[监控设备] -->|RTSP流| B(OpenCV解码) B --> C{系统判断设备类型} C -->|USB摄像头| D[DirectShow接入] C -->|网络摄像头| E[FFmpeg拉流] ``` --- ### 六、后续改进方向 1. **算法层面**: - 引入3D CNN处理时空特征 $$f(x,y,t) = \sum_{i}w_i \cdot \text{Conv3D}(x,y,t)$$ - 使用Transformer替代LSTM $$\text{Attention}(Q,K,V) = \text{softmax}(\frac{QK^T}{\sqrt{d_k}})V$$ 2. **工程层面**: - 使用TensorRT加速推理 - 实现分布式异常检测日志系统 以上代码框架需要根据具体数据集格式(如UCSD Ped2.mat标注文件)进行适配调整。建议在Ubuntu系统下开发,使用Docker容器化部署以增强兼容性。
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值