• 基于Python实现的手写数字图像识别


    目录
    实验目的及实验内容 1
    实验目的: 1
    实验内容: 1
    原理分析: 1
    实验环境 13
    实验步骤及实验过程分析 13
    实验结果总结 18
    实验目的及实验内容
    (本次实验所涉及并要求掌握的知识;实验内容;必要的原理分析)
    实验目的:
    使用 python 进行图像处理
    实验内容:
    自己找一张图片,用 OpenCV 的仿射变换实现图片缩放。
    理解 HOG、ORC 过程,修改 digits.py 或独立编程,实现数字图像的识别,要求分别使用 SVM、knn(第六次课)以及 cnn 神经网络模型(第七次课),以群文件中 digit_data.rar 中 train 文件夹下数据作为训练集,test 文件夹下图片作为测试集,并计算测试集上分类正确率,本文转载自http://www.biyezuopin.vip/onews.asp?id=16706并自己找测试数据(可以是一个或多个数字)。
    实验环境
    (本次实验所使用的器件、仪器设备等的情况)
    处理器:Intel® Core™ i5-9300H CPU @ 2.40GHz 2.40 GHz (2)操作系统环境:Windows 10 家庭中文版 x64 19042.867
    编程语言:Python 3.8
    其他环境:16 GB 运行内存
    IDE 及包管理器:JetBrains PyCharm 2020.1 x64, anaconda 3 for Windows(conda 4.9.0)
    实验步骤及实验过程分析
    (详细记录实验过程中发生的故障和问题,进行故障分析,说明故障排除的过程及方法。根据具体实验,记录、整理相应的数据表格、绘制曲线、波形等)
    说明:
    本篇实验报告所记录的内容仅为写报告时(2021/05/12)的情况,可能与实际实验时/04/28)结果有出入。
    一切以实际运行时所得到的结果为准。
    用 OpenCV 的仿射变换实现图片缩放:

    import numpy as np
    import torch
    from torch import nn
    import torch.nn.functional as F
    import pickle
    from utils import label_2_id, id_2_label
    from torch.utils.data import TensorDataset, DataLoader
    import matplotlib.pyplot as plt
    import cv2 as cv
    import os
    
    
    class CnnImage(object):
        def __init__(self, data_dir='../digit_data', save_dir='./data', batch_size=64,
                     epochs=50, learning_rate=0.0005, use_gpu=False):
            self.data_dir = data_dir
            self.mode = 'train'
            self.save_dir = save_dir
            self.batch_size = batch_size
            if not use_gpu:
                self.device = torch.device("cpu")
                print('use device: cpu')
            else:
                self.device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
                if self.device == torch.device("cpu"):
                    print('no usable cuda detected! Use cpu instead')
                else:
                    print('use device: gpu')
            self.epochs = epochs
            self.lr = learning_rate
            self.loss_ = []
            if not os.path.exists(self.save_dir):
                os.mkdir(self.save_dir)
    
            self.model = nn.Sequential(nn.Conv2d(1, 25, 3, 1),
                                       nn.MaxPool2d(2, 2),
                                       nn.Conv2d(25, 50, 3, 1),
                                       nn.MaxPool2d(2, 2),
                                       nn.Flatten(),
                                       nn.Linear(50 * 5 * 5, 10))
            self.model.to(self.device)
            self.optimizer = torch.optim.Adam(self.model.parameters(), lr=self.lr)
    
        def train(self, train_loader, test_loader, save=True):
            best_test = None
            tmp_loss = []
            best_model = self.model
            for epoch in range(self.epochs):
                for batch, label in train_loader:
                    y_predict = self.model(batch)
                    loss = F.cross_entropy(y_predict, label)
                    tmp_loss.append(loss.item())
                    loss.backward()
                    self.optimizer.step()
                    self.optimizer.zero_grad()
    
                self.loss_.append(sum(tmp_loss)/len(tmp_loss))
    
                correct_percent = 0
                error_num = 0
                with torch.no_grad():
                    for batch, label in test_loader:
                        y_predict = self.model(batch)
                        top_p, top_class = torch.topk(y_predict, 1)
                        top_class = top_class.squeeze(1)
                        correct_percent += torch.sum(label == top_class).item()
                        error_num += torch.sum(label != top_class).item()
                correct_percent /= len(test_loader) * self.batch_size
    
                if best_test is None or best_test < correct_percent:
                    best_test = correct_percent
                    best_model = self.model
    
            self.model = best_model
            if save:
                tar = self.save_dir + '/' + 'model_cnn.pkl'
                with open(tar, 'wb') as f:
                    pickle.dump(self.model, f)
                print('model saved successfully, see it in: ', tar)
    
            print('训练出的最好的模型在测试集上的正确率: ' + str(best_test))
    
        def load_model(self):
            tar = self.save_dir + '/' + 'model_cnn.pkl'
            with open(tar, 'rb') as f:
                self.model = pickle.load(f)
            print('model loaded successfully!')
    
        def predict(self, path):
            if os.path.isdir(path):
                files = os.listdir(path)
            else:
                print('no files detected!')
                return None
            x = []
            y = []
            for item in files:
                file = path + '/' + item
                img = cv.imread(file, 0)  # 读灰度图
                re_shape = cv.resize(img, (28, 28), interpolation=cv.INTER_CUBIC)
                # shape: (28, 28), size of the reshaped image
                x.append(re_shape)
                y.append(0)
            x_set = np.array(x)
            # array, shape:(n, 28, 28)
            y_set = np.array(y)
            # array, shape:(n,)
            x_tens = torch.tensor(x_set, dtype=torch.float).unsqueeze(1).to(self.device)
            y_tens = torch.tensor(y_set, dtype=torch.long).to(self.device)
            # x_tens: torch.Tensor, torch.Size([n, 1, 28, 28])
            # y_tens: torch.Tensor, torch.Size([n])
            sets = TensorDataset(x_tens, y_tens)
            loader = DataLoader(sets, self.batch_size, True)
            with torch.no_grad():
                for batch, label in loader:
                    y_predict = self.model(batch)
                    top_p, top_class = torch.topk(y_predict, 1)
                    top_class = top_class.squeeze(1)
            return top_class.cpu().tolist()  # 返回的结果在CPU上, 是个列表
    
        def set_data(self, save=True):
            sets = self.save_dir + '/sets.pkl'
            if os.path.exists(sets):
                with open(sets, 'rb') as f:
                    loader = pickle.load(f)
                train_loader = loader[0]
                test_loader = loader[1]
                print('dataset loaded successfully!')
            else:
                self.mode = 'train'
                train_dataset = self.dataset()
                train_loader = DataLoader(train_dataset, self.batch_size, True)
                self.mode = 'test'
                test_dataset = self.dataset()
                test_loader = DataLoader(test_dataset, self.batch_size, True)
                print('dataset built successfully!')
    
                if save:
                    loader = (train_loader, test_loader)
                    with open(sets, 'wb') as f:
                        pickle.dump(loader, f)
                    print('dataset saved in: ', sets)
            return train_loader, test_loader
    
        def dataset(self):
            path = self.data_dir + '/' + self.mode
            labels = os.listdir(path)
            x = []
            y = []
            for label in labels:
                img_path = path + '/' + label
                files = os.listdir(img_path)
                for item in files:
                    file = img_path + '/' + item
                    img = cv.imread(file, 0)  # 读灰度图
                    # shape: (28, 28), size of the image
                    x.append(img)
                    y.append(label_2_id[label])
            x_set = np.array(x)
            # array, shape:(n, 28, 28)
            x_tens = torch.tensor(x_set, dtype=torch.float).unsqueeze(1).to(self.device)
            # torch.Tensor, torch.Size([n, 1, 28, 28])
            y_set = np.array(y)
            # array, shape:(n,)
            y_tens = torch.tensor(y_set, dtype=torch.long).to(self.device)
            # torch.Tensor, torch.Size([n])
            sets = TensorDataset(x_tens, y_tens)
            return sets
    
    
    def train_():
        epochs = 100
        cnn = CnnImage(data_dir='../digit_data', save_dir='./data', batch_size=64,
                       use_gpu=True, epochs=epochs, learning_rate=0.0005)
        train_loader, test_loader = cnn.set_data(save=True)
        cnn.train(train_loader=train_loader, test_loader=test_loader, save=True)
        loss = cnn.loss_
    
        plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']
        plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
        fig = plt.figure()
        ax = fig.add_subplot(1, 1, 1)
        ax.set_title('epoch - loss')
        ax.set_xlabel('epoch')
        ax.set_ylabel('loss')
        x_axis = [i for i in range(len(loss))]
        plt.plot(x_axis, loss)
        plt.show()
    
    
    def test():
        cnn = CnnImage(data_dir='../digit_data', save_dir='./data', batch_size=64,
                       use_gpu=True)
        cnn.load_model()
        test_path = 'testimg'
        pre = cnn.predict(test_path)
        if pre is None:
            return
        else:
            files = os.listdir(test_path)
            for i in range(len(files)):
                res = files[i] + ' 的预测结果为: ' + str(pre[i])
                print(res)
    
    
    if __name__ == '__main__':
        train_()
        test()
    
    
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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/sheziqiong/article/details/126794434