【手写数字识别】基于matlab GUI BP神经网络手写数字识别【含Matlab源码 868期】

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海神之光 发表于 2022/05/29 03:13:48 2022/05/29
【摘要】 一、手写数字识别技术简介 1 案例背景 手写体数字识别是图像识别学科下的一个分支,是图像处理和模式识别研究领域的重要应用之一,并且具有很强的通用性。由于手写体数字的随意性很大,如笔画粗细、字体大小、倾斜...

一、手写数字识别技术简介

1 案例背景
手写体数字识别是图像识别学科下的一个分支,是图像处理和模式识别研究领域的重要应用之一,并且具有很强的通用性。由于手写体数字的随意性很大,如笔画粗细、字体大小、倾斜角度等因素都有可能直接影响到字符的识别准确率,所以手写体数字识别是一个很有挑战性的课题。在过去的数十年中,研究者们提出了许多识别方法,并取得了一定的成果。手写体数字识别的实用性很强,在大规模数据统计如例行年检、人口普查、财务、税务、邮件分拣等应用领域都有广阔的应用前景"。
本案例讲述了图像中手写阿拉伯数字的识别过程,对手写数字识别的基于统计的方法进行了简要介绍和分析,并通过开发一个小型的手写体数字识别系统来进行实验。手写数字识别系统需要实现手写数字图像的读取功能、特征提取功能、数字的模板特征库的建立功能及识别功能。

2 BP算法与实现过程
2.1 BP算法基本原理
将已知输入向量和相应的输出向量(期望输出)作为训练样本,并假定即将学习的网络已被赋予一组权值。为消除梯度幅度的不利影响,利用弹性反向传播算法通过过如下步骤更新权值(图1):首先,使用初始权值(不管正确与否)从输入层开始向前传播,计算出所有神经元的输出,这样输出层的输出与期望输出(即输出值与目标值)之间存在较大的误差。然后,计算作为神经元权值函数的]误差函数(损失函数或目标函数、代价函数)的梯度,根据误差降低最快的方向来调整更新权值,通过将输出误差反向传播给隐含层来不断调整误差函数。在计算误差梯度的同时,使用与上面同样的方法更新隐含层的权值。反复迭代更新,直到损失函数达到预定的理想目标。在弹性反向传播算法的学习过程中,权值的修正值即为学习率,而梯度只影影响权值变化的方向,即正负。
在这里插入图片描述
图1 反向传播神经网络模型

1.2 感知器神经网络
感知器(multilayer perceptron, MLP) 神经网络是模式识别的简单二元分类人工网络, 它通过权值模仿神经细胞的突触,用激活函数模仿细胞体,偏置即为阈值。单层的感知器网络结构如图2所示。单层感知器可将外部输入x分成两类:当感知器的输出y为正数或零时,输入属于第一类;当感知器的输出为负数时,输入属于第二类。
在这里插入图片描述
1.3 实现过程
(1)图像读取

在本文中,设计并自建了样本的数据库,库中有0~9共10个阿拉伯数字的5000张不同的手写数字图像,均为白底黑色的bmp格式的文件, 每个数字对应500张图片。实验要从每一个数字中都随机选取450张手写图像作为训练样本,每一个数字剩下的50张作为测试样本。部分数字样张如图3所示。
在这里插入图片描述
图3 数字样张
(2)提取特征
本设计中的训练样本数量多,而而一般神经网络输入层的神经元数就是训练样本向量的维数,因此需要对训练样本向量做降维预处理。预处理过程就是通过灰度阈值函数将图像转换成二值图像。降维前需先将所有图像做一次缩放,以确保每个图像的输入向量都具有相同的像素。本设计选定图像缩放的高度和宽度分别为70像素点和50像素点,符合一般手写阿拉伯数字的高宽比。对这些缩放后的图像作纵横切割,如图4所示,每10×10个像素点作为一系列像素块,构成一张包含35个像素块的二值图像计算每一个像素块中0和1的占比,并用它作为模式的一个特征值,这样可以构成5x7的特征值矩阵。考虑到感知器神申经网络输入向量只能是一维,故需要将此矩阵转换成一维向量作为训练样本的输入,转置后共生成35个一维向量。
在这里插入图片描述
图4 缩放后的图像切割

(3)构造标签
无论是训练样本还是测试样本,都需要构造标签,前者用于映射的学习,后者用于判断训练网络的正确率。一般地,输出层神经元个数即为分类网络中的分类类别数。阿拉伯数字是10类,故输出神经元数为10。每个类由具体的500个图像构成,包含训练样本和测试样本。通过提取特征每个类均生成35个一维向量:用500个列向量(1000000000)T来标注模式1,即数字1;(0100000000)标注模式2,即数字2;(0010000000)标注模式3,即数字3;依此类推,最后的(0000000001)标注模式0,即数字0。运行代码如下:

(4)随机选定训练样本和测试样本测试
利用MATLAB中已有的rand()伪随机数生成函数来生成5000个介于0和1之间的伪随机数。将生成的伪随机数做升序排序,通过索引来记录随机数原来的位置,并将原来的位置组合成新的行向量。在本设计中,输入层的神经元有35个,输出层神经元有10个,选取25为中间隐含层神经元个数。

(5)数字识别与正确率的计算
对比测试前的标签和仿真后的输出,用测试前的标签值减去输出值,得到误差值,将误差为0的视为正确识别,求出神经网络的正确率。具体运行代码如下:

二、部分源代码

function varargout = number_reconginize(varargin)
% NUMBER_RECONGINIZE MATLAB code for number_reconginize.fig
%      NUMBER_RECONGINIZE, by itself, creates a new NUMBER_RECONGINIZE or raises the existing
%      singleton*.
%
%      H = NUMBER_RECONGINIZE returns the handle to a new NUMBER_RECONGINIZE or the handle to
%      the existing singleton*.
%
%      NUMBER_RECONGINIZE('CALLBACK',hObject,eventData,handles,...) calls the local
%      function named CALLBACK in NUMBER_RECONGINIZE.M with the given input arguments.
%
%      NUMBER_RECONGINIZE('Property','Value',...) creates a new NUMBER_RECONGINIZE or raises the
%      existing singleton*.  Starting from the left, property value pairs are
%      applied to the GUI before number_reconginize_OpeningFcn gets called.  An
%      unrecognized property name or invalid value makes property application
%      stop.  All inputs are passed to number_reconginize_OpeningFcn via varargin.
%
%      *See GUI Options on GUIDE's Tools menu.  Choose "GUI allows only one
%      instance to run (singleton)".
%
% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES

% Edit the above text to modify the response to help number_reconginize

% Last Modified by GUIDE v2.5 06-Apr-2020 18:32:38

% Begin initialization code - DO NOT EDIT
gui_Singleton = 1;
gui_State = struct('gui_Name',       mfilename, ...
                   'gui_Singleton',  gui_Singleton, ...
                   'gui_OpeningFcn', @number_reconginize_OpeningFcn, ...
                   'gui_OutputFcn',  @number_reconginize_OutputFcn, ...
                   'gui_LayoutFcn',  [] , ...
                   'gui_Callback',   []);
if nargin && ischar(varargin{1})
    gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});
end

if nargout
    [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});
else
    gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});
end
% End initialization code - DO NOT EDIT


% --- Executes just before number_reconginize is made visible.
function number_reconginize_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)
% This function has no output args, see OutputFcn.
% hObject    handle to figure
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
% varargin   command line arguments to number_reconginize (see VARARGIN)

% Choose default command line output for number_reconginize
handles.output = hObject;

% Update handles structure
guidata(hObject, handles);

% UIWAIT makes number_reconginize wait for user response (see UIRESUME)
% uiwait(handles.figure1);


% --- Outputs from this function are returned to the command line.
function varargout = number_reconginize_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) 
% varargout  cell array for returning output args (see VARARGOUT);
% hObject    handle to figure
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)

% Get default command line output from handles structure
varargout{1} = handles.output;


% --- Executes on button press in open_image.
function open_image_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to open_image (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)
[filename,pathname]=uigetfile({'*.png';'*.bmp';'*.tif';'*.jpg';'*.*'},'载入图像');
if isequal(filename,0)|isequal(pathname,0)
    errordlg('没有选中文件','出错');
    return;
else
    file=[pathname,filename];
    global S   %设置一个全局变量S,保存初始图像路径,以便之后的还原操作
    S=file;
    x=imread(file);
    set(handles.axes1,'HandleVisibility','ON');
    axes(handles.axes1);
    function edit1_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to edit1 (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    structure with handles and user data (see GUIDATA)

% Hints: get(hObject,'String') returns contents of edit1 as text
%        str2double(get(hObject,'String')) returns contents of edit1 as a double


% --- Executes during object creation, after setting all properties.
function edit1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)
% hObject    handle to edit1 (see GCBO)
% eventdata  reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles    empty - handles not created until after all CreateFcns called

  
 
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三、运行结果

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四、matlab版本及参考文献

1 matlab版本
2014a

2 参考文献
[1] 蔡利梅.MATLAB图像处理——理论、算法与实例分析[M].清华大学出版社,2020.
[2]杨丹,赵海滨,龙哲.MATLAB图像处理实例详解[M].清华大学出版社,2013.
[3]周品.MATLAB图像处理与图形用户界面设计[M].清华大学出版社,2013.
[4]刘成龙.精通MATLAB图像处理[M].清华大学出版社,2015.

文章来源: qq912100926.blog.csdn.net,作者:海神之光,版权归原作者所有,如需转载,请联系作者。

原文链接:qq912100926.blog.csdn.net/article/details/116329385

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