神经网络应用于手写数字识别-matlab说课讲解

在Matlab中实现神经网络的方法与实例神经网络是一种模拟人类大脑神经系统的计算模型，它能够通过学习数据的模式和关联性来解决各种问题。

在计算机科学和人工智能领域，神经网络被广泛应用于图像识别、自然语言处理、预测等任务。

而Matlab作为一种功能强大的科学计算软件，提供了一套完善的工具箱，可以方便地实现神经网络的建模和训练。

本文将介绍在Matlab中实现神经网络的方法与实例。

首先，我们会简要介绍神经网络的基本原理和结构，然后详细讲解在Matlab中如何创建并训练神经网络模型，最后通过几个实例展示神经网络在不同领域的应用。

一、神经网络的原理和结构神经网络模型由神经元和它们之间的连接构成。

每个神经元接收输入信号，并通过权重和偏置进行加权计算，然后使用激活函数对结果进行非线性变换。

这样，神经网络就能够模拟复杂的非线性关系。

常见的神经网络结构包括前馈神经网络（Feedforward Neural Network）和循环神经网络（Recurrent Neural Network）。

前馈神经网络是最基本的结构，信号只能向前传递，输出不对网络进行反馈；而循环神经网络具有反馈连接，可以对自身的输出进行再处理，适用于序列数据的建模。

神经网络的训练是通过最小化损失函数来优化模型的参数。

常用的训练算法包括梯度下降法和反向传播算法。

其中，梯度下降法通过计算损失函数对参数的梯度来更新参数；反向传播算法是梯度下降法在神经网络中的具体应用，通过反向计算梯度来更新网络的权重和偏置。

二、在Matlab中创建神经网络模型在Matlab中，可以通过Neural Network Toolbox来创建和训练神经网络模型。

首先，我们需要定义神经网络的结构，包括输入层、隐藏层和输出层的神经元数量，以及每个神经元之间的连接权重。

例如，我们可以创建一个三层的前馈神经网络模型：```matlabnet = feedforwardnet([10 8]);```其中，`[10 8]`表示隐藏层的神经元数量分别为10和8。

使用神经网络进行手写数字识别的方法随着人工智能的发展，神经网络在图像识别领域发挥了重要作用。

其中，手写数字识别是神经网络应用的一个重要方向。

本文将介绍使用神经网络进行手写数字识别的方法。

一、神经网络的基本原理神经网络是一种模仿人脑神经元网络结构和工作方式的计算模型。

它由输入层、隐藏层和输出层组成，每一层都由多个神经元节点组成。

神经网络通过对输入数据进行加权和激活函数处理，从而输出预测结果。

在手写数字识别中，我们可以将每个手写数字图像作为输入数据，每个像素点的灰度值作为输入特征。

神经网络通过学习大量已标记的手写数字图像，调整权重和偏置，从而实现对手写数字的准确识别。

二、数据预处理在使用神经网络进行手写数字识别之前，需要对数据进行预处理。

首先，我们需要将手写数字图像转换为灰度图像，以减少输入特征的维度。

其次，对图像进行归一化处理，将像素值缩放到0到1之间，以便神经网络更好地学习和处理数据。

除了对图像进行处理，还需要对标签进行处理。

手写数字识别通常使用独热编码（One-Hot Encoding）对标签进行表示。

例如，对于数字0，其独热编码为[1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]，对于数字1，其独热编码为[0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]，以此类推。

三、神经网络的构建在构建神经网络时，我们可以选择不同的网络结构和参数设置。

常见的神经网络结构包括多层感知机（Multilayer Perceptron，MLP）、卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）等。

以多层感知机为例，我们可以选择输入层节点数、隐藏层节点数、隐藏层数量和输出层节点数等。

通过调整网络结构和参数，可以提高神经网络的准确率和泛化能力。

四、神经网络的训练神经网络的训练是指通过大量的已标记数据，调整网络的权重和偏置，使其能够准确地预测未标记数据的标签。

训练神经网络通常采用反向传播算法（Backpropagation），该算法通过计算预测结果与实际标签之间的误差，然后根据误差调整网络的权重和偏置。

• 139•基于MATLAB手写体数字识别程序设计广东工业大学自动化学院 刘思慧 江 维手写体识别由于其实用性，一直处于研究进步的阶段，本文主要针对的是对0-9十个手写数字体脱机识别，在Matlab中对样本部分为进行16特征的提取，分别采用最小距离法，最近邻法，KNN法以及BP神经网络算法进行0-9十个数字进行识别，得到每类的分类结果以及各种方法的识别准确率，比较各种方法的优缺点，最后分析比较结果，得出分类结论。

1.引言本文先是以统计学的方法进行数字识别。

识别的数字是从0到9并利用图象处理软件把这些数字处理成相同大小32*32的二值图。

将图像转换为文本格式存储，文档中只包含0和1，共计1934个样本，每类样本数目大致200个，测试样本共计946个。

读取txt文档后，从生成的矩阵中提取16个特征，然后先用统计学的理论，用最小距离法，最近邻法和KNN法，在Matlab中编写相关程序，得出相关的分类结果和错误率。

然后再使用BP神经网络，确定输入，输出节点数和隐藏层节点数，对0-9的样本特征进行训练，得到训练后的网络进行样本测试。

将基于BP神经网络的识别结果和错误率和基于统计学的方法的结果进行比较，最终得出分类的结论。

2.数字识别本文是对手写数字识别，即对0-9十个数字进行识别，我们将存储0-9十个数字的图片利用图像处理软件处理成大小相同的(32*32)的二值图，然后将图像转化成文本格式。

总共有1934个训练样本，946个测试样本。

对每个样本提取特征，这儿我们选用提取了16个特征，然后应用最小距离法，KNN在K=1，K=3，K=5时，以及神经网络，在Matlab环境下，编程分别对训练样本进行训练，测试样本进行测试识别，得到分类结果和错误率，然后对每种结果进行对比，分析错误率和分类结果，比较几种方法的优点和缺点，最终得出结论。

2.1 字符特征选择与提取特征提取是为了去除信息中对分类没有帮助的部分，将信息集中到有代表性的几个特征上来的过程。

基于MLP神经网络的手写数字识别随着人工智能的兴起，机器学习已经成为了人们日常工作中不可或缺的一部分，其中基于神经网络的算法模型最常被使用。

在许多应用场景中，手写字体识别被广泛运用，如验票、银行卡读取等。

本文将详细讨论基于MLP神经网络的手写数字识别的工作原理、实现方法以及实验结果。

1. 工作原理手写数字识别的原理主要基于神经网络的模型，具体来说，是多层感知器（MLP）神经网络。

多层感知器是一种前馈多层神经网络的模型，它的每个节点只连接前一层的节点和后一层的节点。

多层感知器训练中采用反向传播算法，也叫误差反向传播算法，是利用梯度下降法对网络进行训练的常用方法。

MLP神经网络的输入层输入手写数字的像素值，中间隐藏层对输入值进行处理，最后输出层将处理后的结果分类为0-9十个数字。

为了使得模型更为准确，可以采用交叉验证的方法来对模型进行评估和优化，梯度下降法可以在训练中找到最优的权值和偏置，确保模型识别率尽可能高。

2. 实现方法（1）数据准备：首先需要准备手写数字的图像数据集，可以通过在网上下载典型的手写数字数据集，目前比较流行的有MNIST数据集、SVHN数据集等。

如果想要提高识别精度，可以自己编写程序进行手写数字的录入，通过对训练数据进行处理和augmentation也可以使得模型更为准确。

（2）数据预处理：在进行训练之前，需要对数据进行预处理。

将彩色图像转换成灰度图像，可以采用灰度化的公式将彩色图像转换为灰度图像，减少特征维度；将图像像素值归一化到[0, 1]，简化计算过程并保证处理效率。

（3）构建模型：通过kera、TensorFlow等框架编写MLP神经网络模型，如果想要模型更准确，可以在中间隐藏层添加dropout层、正则化、增加层数等方式。

同时要避免过拟合问题，在训练过程中加入early stopping等机制，避免过多的训练数据。

（4）模型训练：采用交叉验证方式对模型进行训练，将数据集分为训练集和测试集，建议将数据集按照7：3的比例进行随机划分，训练过程中实时监测损失函数值和准确率的变化情况，及时调整模型参数。

MATLAB神经网络工具箱的使用指南引言：在当今信息时代的浪潮中，神经网络作为一种模仿人类神经系统运行方式的数学计算模型，被广泛应用于各个领域。

而MATLAB神经网络工具箱作为一款功能强大、易于使用的软件工具，成为许多科学家和工程师进行神经网络研究和应用实践的首选。

本文旨在为读者提供MATLAB神经网络工具箱的全面介绍，并指导读者如何利用其进行神经网络的搭建、训练和应用。

一、神经网络基础知识在正式介绍MATLAB神经网络工具箱之前，我们先来了解一些神经网络的基础知识。

神经网络由输入层、隐藏层和输出层组成，其中输入层接收外部输入，隐藏层进行数据转换和处理，输出层输出最终结果。

神经网络模拟人类大脑的工作原理，通过调整神经元之间的连接权重来实现对输入数据的学习和对未知数据的预测。

二、MATLAB神经网络工具箱的使用1. 环境准备在使用MATLAB神经网络工具箱之前，我们需要先安装MATLAB软件，并确保已经安装了神经网络工具箱。

安装完成后，可以通过在命令窗口输入“nntool”命令来打开神经网络工具箱界面。

2. 神经网络搭建在神经网络工具箱中，可以通过图形用户界面进行神经网络的搭建。

点击界面左上角的“New”按钮，选择“Feedforwardnet”或“Patternnet”等网络类型，并设置输入层、隐藏层和输出层的节点数。

接下来，可以通过拖拽节点和连接来构建网络。

此外，还可以使用“Layer”和“Connection”选项卡来对网络的结构和参数进行进一步设置。

3. 数据准备成功搭建神经网络后，我们需要准备用于训练和测试的数据。

MATLAB提供了丰富的数据处理函数，可以将数据从不同格式的文件中导入，或者通过代码生成。

导入数据后，可以使用数据处理工具对数据进行清洗、归一化等预处理操作，以提高神经网络的训练效果。

4. 神经网络训练数据准备完毕后，可以通过神经网络工具箱提供的训练函数对神经网络进行训练。

常用的训练函数包括“trainlm”、“traingd”、“trainrp”等，它们采用不同的优化算法来调整网络中的连接权重。

MATLAB中的神经网络算法详解一、引言神经网络是一种模拟生物神经元工作原理的计算模型，具有模式识别、分类、优化等各种应用。

在日常生活和工业生产中，我们经常会遇到需要处理大量数据并进行复杂计算的问题。

而神经网络算法正是为了解决这些问题而设计的。

MATLAB作为一种功能强大的数值计算软件，提供了丰富的神经网络算法库。

本文将通过对MATLAB中神经网络算法的详细解释，展示其在数据处理和分析方面的广泛应用。

二、神经网络基础1. 神经网络结构神经网络由神经元（或称为节点）和连接这些神经元的权重组成。

一般而言，神经网络通过层与层之间的连接来进行信息传递。

常见的神经网络结构包括前馈神经网络和循环神经网络。

前馈神经网络是最常见的神经网络结构之一。

它的信息传递是单向的，不会存在回路。

循环神经网络则允许信息在网络中进行循环传递，这使得它能够处理具有时序特点的数据。

2. 权重与偏置在神经网络中，每个连接都有一个权重，用来表示两个神经元之间的关系强度。

权重值可以是正、负，以及接近于零的任意值。

权重值越大，表示两个神经元之间的相关性越强。

除了权重，神经网络中还存在一个偏置值，用来表示神经元的激活阈值。

3. 激活函数激活函数决定了神经元的输出结果。

常见的激活函数包括Sigmoid函数、ReLU函数等。

激活函数的引入可以使神经网络模型拟合非线性问题。

三、MATLAB中的神经网络算法1. 建立神经网络模型在MATLAB中，可以利用神经网络工具箱来建立神经网络模型。

首先，我们需要确定网络的架构，包括输入层的节点数、隐藏层的节点数、输出层的节点数等。

然后，我们可以使用MATLAB提供的函数创建一个神经网络对象，设定各层的节点数以及激活函数类型。

2. 训练神经网络神经网络的训练过程是一个优化问题。

训练过程中，我们需要定义一个损失函数来衡量模型在训练数据上的拟合程度。

MATLAB提供了多种优化算法，如反向传播算法、遗传算法等，用于调整网络中的权重和偏置，从而最小化损失函数。

基于MATLAB的手写体数字识别算法的实现与分析摘要手写体数字识别是利用计算机自动辨认手写体阿拉伯数字的一种技术，是光学字符识别技术的一个分支。

手写体数字识别在邮政编码、财务报表、银行票据、各种凭证以及调查表格的识别等等方面有着重要应用，由于数字识别经常涉及财会、金融领域，其严格性更是不言而喻的。

所以，对识别系统的可靠性和识别率要求很高，构成了手写体数字识别面临的主要困难，大批量数据处理对系统速度又有相当高的要求。

本文基于MNIST数据集，通过Matlab平台，对决策树算法、SVM算法和人工神经网络（ANN）算法进行实现，并对分类算法的准确率进行评估。

实验结果表明，人工神经网络（ANN）的准确率最高，为99.69%，SVM算法次之，准确率为94.53%，决策树算法的准确率为83.53%。

三种分类算法中，决策树算法的速度最快，SVM算法的速度最慢。

另外，针对每一种分类算法在MNIST数据集上的实验结果，本文还得出以下结论：第一，MNIST数据集的归一化与否对决策树的分类效果几乎没有影响；对SVM的分类效果影响较大，未归一化时的准确率为11.35%，归一化之后的准确率为94.53%；对人工神经网络的分类效果影响较小，未归一化时的准确率为82.11%，归一化之后的准确率为99.69%。

这说明三种分类算法对数据的不平衡分布的敏感程度各不相同。

第二，对于SVM分类算法，当训练数据集的样本容量小于60000（MNIST训练数据集的最大样本容量）时，该算法对测试数据集分类预测的准确率随样本容量的增大而增大。

第三，针对人工神经网络，数据类标签的表示形式对分类预测的准确率的影响较大。

使用10位数据表示类标签是的准确率为99.69%，远远高于使用1位数据表示类标签时的准确率60.24%。

关键词：手写体数字识别；决策树算法；SVM算法；人工神经网络算法ABSTRACTHandwritten numeral recognition is a technique that uses computer to recognize handwritten Arabic numerals automatically and is a branch of optical character recognition technology. Handwritten numeral recognition has important applications in postal codes, financial statements, bank notes, various kinds of vouchers and the identification of survey forms. Since digital identification often involves accounting and finance, its strictness is self-evident. The demand for identification system of the reliability and recognition rate is very high, constituting a handwritten digital identification facing major difficulties, high-volume data processing on the system speed and a very high demand.In this paper, we use Matlab to implement decision tree algorithm, SVM algorithm and artificial neural network (ANN) algorithm based on MNIST dataset, and the accuracy of classification algorithms is calculated by using the real data tag. Experimental results show that the artificial neural network (ANN) the highest accuracy rate for 99.69%, SVM algorithm, followed by 94.53 percent accuracy rate, decision tree algorithm accuracy is 83.53%. In terms of speed, decision tree algorithm is the fastest, SVM algorithm is the slowest. In addition, for each classification algorithm we also concluded that:Firstly, whether or not the MNIST dataset is normalized has no effect in the classification tree; While it has a great impact on SVM classification. When it is not normalized the accuracy is 11.35%, and after normalized the accuracy is 94.53% ; The artificial neural network classification is less affected, and when it is not normalized the accuracy is 82.11% while after normalized the accuracy is 99.69%. This shows the sensitivity of the three classification algorithms to unbalanced distribution of data.Secondly, for the SVM classification algorithm, when the sample size is less than 60,000(maximum size of MNIST test data set), the accuracy increases with the increasing of sample size.Thirdly, for the artificial neural network, the impact of class label representation is large on the classification accuracy. When using 10 bits to represent class labels, the accuracy is 99.69%, far higher than the accuracy of 60.24% when using 1 bit to represent data labels.KEY WORDS: Handwritten numeral recognition; Decision tree algorithm; SVM algorithm; Artificial neural network algorithm目录ABSTRACT (II)1. 引言 (1)1.1 手写数字识别 (1)2. 分类算法 (1)2.1 决策树算法 (2)2.1.1 ID3算法 (2)2.1.2 C4.5算法 (3)2.1.3 CART算法 (3)2.1.4 SLIQ算法 (3)2.1.5 SPRINT算法 (3)2.1.6 经典决策树算法的比较 (4)2.2 支持向量机 (4)2.3 人工神经网络 (6)2.3.1人工神经网络的原理 (6)2.3.2反向传播网络（BP） (6)2.3.3 Hopfield网络 (8)3 实验过程与结果分析 (10)3.1 实验环境 (10)3.2实验数据集 (10)3.3数据预处理 (10)3.4决策树分类实验 (11)3.4.1实验过程 (11)3.4.2实验结果 (12)3.5 SVM分类实验 (13)3.5.1实验过程 (13)3.5.2实验结果 (14)3.6人工神经网络分类实验 (14)3.6.1实验过程 (14)3.6.2实验结果 (15)4 结论 (19)4.1 三种分类算法的比较 (19)4.2 决策树算法的分析 (19)4.3 SVM算法分析 (19)4.4 神经网络算法分析 (20)参考文献 (21)1.引言1.1手写数字识别手写数字识别是模式识别领域的一个重要分支，它研究的核心问题是：如何利用计算机自动识别人手写在纸张上的阿拉伯数字。