基于matlab采用K-近邻算法实现MNIST手写体数据集的识别+源代码+文档说明

# 基于matlab采用KNN算法手写体数字识别实现 ## 一、前言 - KNN 全称是 K- Nearest Neighbors ，K-近邻。简单来说，K就是邻居个数，选出和测试样本最像的邻居（这里是欧式几何距离最短的K个邻居），那么样本的邻居是什么，样本就是什么（在K个邻居里，假如邻居的标签最多的是数字1，我们就认为样本的标签就很可能是数字1） - KNN 实现手写体识别的原理和代码都比较简单，但网上相关文章不多，本文只是把我自己的理解写下来作为学习matlab的实践，多有纰漏，请多指教 ------- ## 二、实现过程 1. 处理 MNIST 数据集 - 下载 [MNIST](http://yann.lecun.com/exdb/mnist/) 数据集，下载测试集、测试标签、训练样本、训练标签共四个文件 - 下载下来的数据集是 IDX 文件格式的，因此用 Python 转为 50×50 的PNG图片，代码在后 - 选取合适数量的测试集和训练集，训练集中每个数字的训练样本数要一致 2. matlab 实现步骤（以图像分辨率为 50×50例） - 对所有图片做二值化处理：有值取1，无值取0 - 将 0-9 数字的训练样本矩阵化，每一幅数字图像都是一维矩阵。以50×50分辨率图像为例，获得 1×2500 的一维矩阵；每个数字860张图片，我们就得到了 8600 × 2500 的矩阵，这作为训练矩阵 - 在训练矩阵加入标签列，用来判断某一行指的数字是多少 - 对每一幅待识别数字图像，同样将其转为 1 × 2500 的一维矩阵，称为测试矩阵 - 计算测试矩阵与训练矩阵每一维的欧氏几何距离，同样按列向量加到训练矩阵，并按距离升序按行排列训练矩阵 - 对前 K 个行向量求标签的众数，结果标签就是采用 KNN 算法得到的最有可能的识别结果 --- ## 三、代码实现 1. **处理MINIST数据集的Python代码　感谢 [name_s_Jimmy](https://blog.csdn.net/qq_32166627) 的文章 [使用Python将MNIST数据集转化为图片](https://blog.csdn.net/qq_32166627/article/details/52640730)** ```python import numpy as np import struct from PIL import Image import os data_file = #需要修改的路径，测试或训练样本图像，如t10k-images.idx3-ubyte或train-images.idx3-ubyte # It's 47040016B, but we should set to 47040000B data_file_size = 47040016 data_file_size = str(data_file_size - 16) + 'B' data_buf = open(data_file, 'rb').read() magic, numImages, numRows, numColumns = struct.unpack_from( '>IIII', data_buf, 0) datas = struct.unpack_from( '>' + data_file_size, data_buf, struct.calcsize('>IIII')) datas = np.array(datas).astype(np.uint8).reshape( numImages, 1, numRows, numColumns) label_file = #需要修改的路径，测试或训练样本标签，如t10k-labels.idx1-ubyte或train-labels.idx1-ubyte # It's 60008B, but we should set to 60000B label_file_size = 60008 label_file_size = str(label_file_size - 8) + 'B' label_buf = open(label_file, 'rb').read() magic, numLabels = struct.unpack_from('>II', label_buf, 0) labels = struct.unpack_from( '>' + label_file_size, label_buf, struct.calcsize('>II')) labels = np.array(labels).astype(np.int64) datas_root = r'C:\Users\TITAN\Desktop\KNN\test' #需要修改的路径 if not os.path.exists(datas_root): os.mkdir(datas_root) for i in range(10): file_name = datas_root + os.sep + str(i) if not os.path.exists(file_name): os.mkdir(file_name) for ii in range(10000):# 生成10000张测试或训练样本 img = Image.fromarray(datas[ii, 0, 0:50, 0:50]) label = labels[ii] file_name = datas_root + os.sep + str(label) + os.sep + \ 'mnist_train_' + str(ii) + '.png' img.save(file_name) print('Finished!') ``` ---- 2. **Matlab 代码** ```matlab clc; clear; matrix = [];% 训练矩阵 for delta = 0:9%构建训练区样本的矩阵 label_path = strcat('C:\Users\ABC\Desktop\KNN\trian\',int2str(delta),'\'); disp(length(dir([label_path '*.png']))); for i = 1:length(dir([label_path '*.png'])) im = imread(strcat(label_path,'\',int2str(delta),'_',int2str(i-1),'.png')); %imshow(im); im = imbinarize(im);%图像二值化 temp = []; for j = 1:size(im,1)% 训练图像行向量化 temp = [temp,im(j,:)]; end matrix = [matrix;temp]; end end label = [];%在标签矩阵后添加标签列向量 for i = 0:9 tem = ones(length(dir([label_path '*.png'])),1) * i; label = [label;tem]; end matrix = horzcat(matrix,label);%带标签列的训练矩阵 %测试对象向量 for delta = 0:9%构建测试图像的向量 test_path = strcat('C:\Users\ABC\Desktop\KNN\test\',int2str(delta),'\'); len = (length(dir([test_path '*.png']))); disp(len); p = 0;% 识别结果计数 for i = 1:len vec = []; %　测试样本行向量化 test_im = imread(strcat('test2\',int2str(delta),'\',int2str(delta),'_',int2str(i-1),'.png')); imshow(test_im); test_im = imbinarize(test_im); for j = 1:size(test_im,1) vec = [vec,test_im(j,:)]; end dis = []; for count = 1:length(dir([label_path '*.png'])) * 10 row = matrix(count,1:end-1);% 不带标签的训练矩阵每一行向量 distance = norm(row(1,:)-vec(1,:));% 求欧氏几何距离 dis = [dis;distance(1,1)];% 距离列向量 end test_matrix = horzcat(matrix,dis);% 加入表示距离的列向量 %排序 test_matrix = sortrows(test_matrix,size(test_matrix,2)); %输入K值，前K个行向量标签的众数作为结果输出 K = 5; result = mode(test_matrix(1:K,end-1)); disp(strcat('图像',int2str(delta),'_',int2str(i),'.png','的识别结果是：',int2str(result))); if(delta == result) p = p + 1; end end pi = p/len; disp(strcat('识别精度为：',num2str(pi))); disp('Finished!'); end ``` ---- ## 四、结果 - 采用 KNN (最近邻) 算法实现手写数字体的识别，经测试在 K = 5，训练样本 8600 的 条件下，总体精度在0.9以上，个别数字比如 8 识别就比较差只有 0.8 左右 - KNN 算法简单，但缺点也比较明显，运行时间长，容易收敛于局部值，精度不高。 - 提高训练样本数量，调整K值，在执行算法前对图像做初步处理可能会有更好的表现 ----