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《机器学习》KNN算法实现手写数字识别

article 2024/12/28 7:26:58

一、项目介绍

二、数据集介绍

三、需要解决的问题

四、代码实际展示

代码展示

实验结果

五、使用自己的数据进行测试

代码展示

结果展示

六、总结

一、项目介绍

通过对一张2000*1000像素写满0-9手写数字的图片进行处理。分割出训练集和测试集使用KNN算法进行训练并且预测测试集的标签。

二、数据集介绍

数据集是一张2000*1000像素的图片，有50行100列手写数字，其中每个手写数字占20*20的像素。将图片对半分割，左侧50列作为训练集，右侧50列作为测试集。当模型建立好后也可以自己传入手写数字图片进行预测。

三、需要解决的问题

1、如何分割训练集以及测试集并将每个手写数字分割出来？

答：可以借助numpy库对图片进行分割

2、如何把得到的训练集以及测试集转换成能传入模型的数值？

答：可以将组成图像的二维数组展开为一行，这样就变成能传入模型的列表数据

3、如何给数据添加标签？

答：可以自己创建与样本数量相同的0-9的数字放在列表中作为标签

4、如何得到模型的正确率？

答：可以将模型输出的结果与测试集标签进行对比，查看相同结果占比

5、如何使用其他图片来验证模型？

答：可以用与样本大小相同的灰度图传入数据进行预测

四、代码实际展示

代码展示

import numpy as np
import cv2
from networkx.classes import neighbors
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier

img_gray = cv2.imread(r'./data/num.png',0)

# 将每张照片分割出来
# 列表推导式
cells = [np.hsplit(row,100) for row in np.vsplit(img_gray,50)]
# 列表推导式展开
# cells = []
# for row in np.vsplit(img_gray,50):
#     cells.append(np.hsplit(row, 100))

# 将cells列表转换为数组
x = np.array(cells)
# 将前50列分割为训练集
train = x[:,:50]
# 将后50列分割为测试集
test = x[:,50:100]

# 将每张图像展开为一行400列
train_new = train.reshape(-1,400).astype(np.float32)
test_new = test.reshape(-1,400).astype(np.float32)

# 创建标签
k = np.arange(0,10)
labels = np.repeat(k,250)
# 创建训练集标签
train_labels = labels[:,np.newaxis]
# 创建测试标签
test_labels = labels[:,np.newaxis]

# 创建KNN模型（为cv2库自带）
knn = cv2.ml.KNearest_create()
# 训练模型
knn.train(train_new,cv2.ml.ROW_SAMPLE,train_labels)
# 用测试集测试模型
ret,result,neigh,dist = knn.findNearest(test_new,k=3)
# 计算模型的正确率
matches = result == test_labels
correct = np.count_nonzero(matches)
accuracy = correct*100.0/result.size
print('使用cv2准确率为：',accuracy)

# 使用sklearn库自带的KNN库进行试验
knn1 = KNeighborsClassifier(n_neighbors=3)
knn1.fit(train_new,train_labels)
result1 = knn1.predict(test_new)
result1 = result1[:,np.newaxis]
matches = result1 == test_labels
correct = np.count_nonzero(matches)
accuracy = correct*100.0/result1.size
print('使用sklearn准确率为：',accuracy)

实验结果

可见该模型的正确率还挺客观，但远远达不到预期结果。

五、使用自己的数据进行测试

以下是本人自己写的几张20*20像素的手写数字图片

代码展示

import numpy as np
import cv2
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier

img_gray = cv2.imread(r'./data/num.png',0)
# 读取自己的数据
img_2 = cv2.imread(r'./data/2.png',0).reshape(-1,400).astype(np.float32)
img_3 = cv2.imread(r'./data/3.png',0).reshape(-1,400).astype(np.float32)
img_5 = cv2.imread(r'./data/5.png',0).reshape(-1,400).astype(np.float32)
img_8 = cv2.imread(r'./data/8.png',0).reshape(-1,400).astype(np.float32)

cells = [np.hsplit(row,100) for row in np.vsplit(img_gray,50)]
x = np.array(cells)
train = x[:,:50]
train = train.reshape(-1,400).astype(np.float32)

# 将数据纵向合并
test = np.vstack((img_2,img_3,img_5,img_8))

# 训练集标签
k = np.arange(0,10)
labels = np.repeat(k,250)
train_labels = labels[:,np.newaxis]
# 设置验证集标签
test_labels = [[2], [3], [5], [8]]

# 创建KNN模型
Knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=3)
# 训练模型
Knn.fit(train,train_labels)
# 进行预测
result = Knn.predict(test)
result = result[:,np.newaxis]
# 计算正确率
matches = result == test_labels
correct = np.count_nonzero(matches)
accuracy = correct*100.0/result.size
print('验证自写2、3、5、8正确率为：',accuracy)