CNN手写数字识别/全套源码+注释可直接运行

数据集选择：

MNIST数据集来自美国国家标准与技术研究所, National Institute of Standards and Technology (NIST)。训练集（training set）由来自250个不同人手写的数字构成，其中50%是高中学生，50%来自人口普查局（the Census Bureau）的工作人员。测试集（test set）也是同样比例的手写数字数据，但保证了测试集和训练集的作者集不相交。MNIST数据集一共有7万张图片，其中6万张是训练集，1万张是测试集。每张图片是28 × 28 28\times 2828×28的0 − 9 0-90−9的手写数字图片组成。每个图片是黑底白字的形式，黑底用0表示，白字用0-1之间的浮点数表示，越接近1，颜色越白。

图片的标签以一维数组的one-hot编码形式给出：

[ 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 1 , 0 , 0 , 0 , 0 ]
每个元素表示图片对应的数字出现的概率，显然，该向量标签表示的是数字5。

MNIST数据集下载地址是http://yann.lecun.com/exdb/mnist/，它包含了4个部分：

训练数据集：train-images-idx3-ubyte.gz （9.45 MB，包含60,000个样本）。
训练数据集标签：train-labels-idx1-ubyte.gz（28.2 KB，包含60,000个标签）。
测试数据集：t10k-images-idx3-ubyte.gz（1.57 MB ，包含10,000个样本）。
测试数据集标签：t10k-labels-idx1-ubyte.gz（4.43 KB，包含10,000个样本的标签）。

废话不多说，首先看成果:
在这里插入图片描述
本项目请按照以下架构搭建:

下面是各个文件的python代码:
cnn_model.py:

模型架构和训练

# 导入必要的库
import torch
import torch.nn.functional as f  # 包含常用激活函数和操作
import torch.optim as optim  # 优化算法模块
from DataSet.mnist_set import mnist_set  # 自定义MNIST数据集加载器# 定义神经网络模型
class Net(torch.nn.Module):def __init__(self):super(Net, self).__init__()# 定义第一个卷积层：输入通道1（灰度图），输出通道10，卷积核5x5self.conv1 = torch.nn.Conv2d(1, 10, kernel_size=5)# 定义第二个卷积层：输入通道10，输出通道20，卷积核5x5self.conv2 = torch.nn.Conv2d(10, 20, kernel_size=5)# 定义最大池化层，窗口大小2x2，用于下采样self.pooling = torch.nn.MaxPool2d(2)# 全连接层：输入320个特征（由图像尺寸计算得到），输出10个类别（MNIST有0-9十个数字）self.fc = torch.nn.Linear(320, 10)def forward(self, x):batch_size = x.size(0)  # 获取当前批次大小# 第一层卷积 -> 池化 -> ReLU激活x = f.relu(self.pooling(self.conv1(x)))# 第二层卷积 -> 池化 -> ReLU激活x = f.relu(self.pooling(self.conv2(x)))# 将四维张量展平为二维：[batch_size, channels*width*height]x = x.view(batch_size, -1)  # -1表示自动计算该维度大小# 通过全连接层得到最终输出（未使用softmax，因为CrossEntropyLoss会自动处理）x = self.fc(x)return x# 创建模型实例
model = Net()
# 检测GPU可用性，并设置设备（GPU优先）
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
print("是否使用GPU", torch.cuda.is_available())
model.to(device)  # 将模型转移到选定的设备（GPU/CPU）# 定义损失函数和优化器
criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()  # 交叉熵损失（适用于分类任务）
optimizer = optim.SGD(  # 随机梯度下降优化器model.parameters(),  # 需要优化的模型参数lr=0.01,  # 学习率momentum=0.5  # 动量参数，加速收敛
)def train(epoch, train_loader):""" 模型训练函数:param epoch: 当前训练轮次:param train_loader: 训练数据加载器"""running_loss = 0.0  # 累计损失值# 遍历训练数据（enumerate自动生成批次索引）for batch_idx, data in enumerate(train_loader, 0):inputs, target = data  # 解包数据（输入图像，目标标签）inputs, target = inputs.to(device), target.to(device)  # 数据转移至设备optimizer.zero_grad()  # 清空梯度（防止梯度累积）outputs = model(inputs)  # 前向传播loss = criterion(outputs, target)  # 计算损失loss.backward()  # 反向传播计算梯度optimizer.step()  # 更新模型参数running_loss += loss.item()  # 累加损失值# 每300个batch打印一次训练状态（300是任意选择的打印频率）if batch_idx % 300 == 299:print('[%d, %.5d] loss: %.3f' %(epoch + 1, batch_idx + 1, running_loss / 2000))running_loss = 0.0  # 重置累计损失def test(test_loader):""" 模型测试函数:param test_loader: 测试数据加载器"""correct = 0  # 正确预测数total = 0  # 总样本数with torch.no_grad():  # 禁用梯度计算（节省内存，加速计算）for data in test_loader:inputs, target = datainputs, target = inputs.to(device), target.to(device)outputs = model(inputs)# 获取预测结果（返回最大值和对应索引，这里取索引即类别）_, predicted = torch.max(outputs.data, dim=1)total += target.size(0)  # 累加批次样本总数correct += (predicted == target).sum().item()  # 统计正确预测数# 打印测试准确率（正确数/总数）print('Accuracy on test set: %d %% [%d/%d]' %(100 * correct / total, correct, total))if __name__ == '__main__':# 加载数据集train_loader, test_loader = mnist_set()# 训练循环for epoch in range(10):train(epoch, train_loader)test(test_loader)  # 每个epoch后测试# 训练完成后保存模型参数model_path = 'mnist_model.pth'torch.save(model.state_dict(), model_path)print(f'\n模型参数已保存至：{model_path}')# 初始化新模型实例loaded_model = Net().to(device)# 加载保存的权重loaded_model.load_state_dict(torch.load(model_path))print('\n模型参数加载验证完成')

model_use.py:

从数据集挑十张图片进行预测，使用保存的模型

import matplotlib.pyplot as plt
import torch
import torch.nn.functional as f  # 包含常用激活函数和操作
import randomdef visualize_predictions(model, dataset, num_images=10):"""可视化模型预测结果Args:model: 加载好的模型dataset: 数据集对象（测试集）num_images: 需要可视化的图片数量"""# 设置为评估模式（影响Dropout和BatchNorm等层的计算）model.eval()device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")# 随机选择图片索引indices = random.sample(range(len(dataset)), num_images)# 创建画布fig, axes = plt.subplots(2, 5, figsize=(30, 12))plt.subplots_adjust(hspace=3, wspace=2)  # 调整子图间距for idx, ax in enumerate(axes.flat):# 获取数据image, true_label = dataset[idx]original_image = image.numpy().squeeze()  # 转换为numpy数组并去除通道维度# 预处理：添加批次维度并转移到设备image = image.unsqueeze(0).to(device)  # 形状从 [1,28,28] -> [1,1,28,28]# 预测with torch.no_grad():output = model(image)probabilities = f.softmax(output, dim=1)predicted_prob, predicted_label = torch.max(probabilities, 1)# 可视化设置ax.imshow(original_image, cmap='gray')ax.set_xticks([])ax.set_yticks([])# 标题显示预测结果（红色表示错误预测，蓝色表示正确）color = 'blue' if predicted_label == true_label else 'red'ax.set_title(f'Pred: {predicted_label.item()}' +f'True: {true_label}' +f'Prob: {predicted_prob.item():.1%}',color=color)plt.show()

mnist_set.py:

提供数据集的下载和导入，没有自动下载哦

from torchvision import transforms
from torchvision import datasets
from torch.utils.data import DataLoader# 准备数据集
def mnist_set():""":param::return: train_loader, test_loader"""batch_size = 64transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,))])train_dataset = datasets.MNIST(root='../dataset/mnist/',train=True,download=True,transform=transform)train_loader = DataLoader(train_dataset,shuffle=True,batch_size=batch_size)test_dataset = datasets.MNIST(root='../dataset/mnist',train=False,download=True,transform=transform)test_loader = DataLoader(test_dataset,shuffle=False,batch_size=batch_size)return train_loader, test_loader

main.py:
在训练并保存模型后，调用保存的模型来进行手写预测

注意cv2库实际上要下载opencv-python

Python安装cv2（OpenCV）的终极指南：告别pip install cv2的坑！-CSDN博客

import cv2
import numpy as np
import torch
import timefrom CnnModel import Netclass DrawingApp:def __init__(self):# 窗口参数self.win_name = "MNIST Drawing Pad"self.win_size = (800, 400)self.pad_pos = (50, 80)  # 书写区域位置self.pad_size = (280, 280)self.preview_pos = (400, 80)# 初始化黑底画布（0=黑色，255=白色）self.img = np.zeros((self.pad_size[1], self.pad_size[0]), np.uint8)self.processed_img = np.zeros((28, 28), np.uint8)# 创建窗口cv2.namedWindow(self.win_name, cv2.WINDOW_NORMAL)cv2.resizeWindow(self.win_name, *self.win_size)cv2.setMouseCallback(self.win_name, self.mouse_handler)# 加载模型self.model = Net()self.model.load_state_dict(torch.load('CnnModel/mnist_model.pth'))self.model.eval()# 预测参数self.last_predict = {"pred": -1, "conf": 0.0}self.last_predict_time = 0def mouse_handler(self, event, x, y, flags, param):pad_x = x - self.pad_pos[0]pad_y = y - self.pad_pos[1]if (0 <= pad_x < self.pad_size[0]) and (0 <= pad_y < self.pad_size[1]):if event == cv2.EVENT_LBUTTONDOWN:self.drawing = Trueself.last_point = (pad_x, pad_y)elif event == cv2.EVENT_MOUSEMOVE and self.drawing:# 用白色（255）绘制线条cv2.line(self.img, self.last_point, (pad_x, pad_y), 255, 15)self.last_point = (pad_x, pad_y)elif event == cv2.EVENT_LBUTTONUP:self.drawing = Falsecv2.line(self.img, self.last_point, (pad_x, pad_y), 255, 15)else:self.drawing = Falsedef preprocess(self):"""预处理（保持黑底白字）"""resized = cv2.resize(self.img, (28, 28))# 直接归一化，保持黑底白字tensor_img = torch.from_numpy(resized).float() / 255.0# 存储处理后的图像用于显示self.processed_img = resizedreturn tensor_img.unsqueeze(0).unsqueeze(0)def update_ui(self):# 创建黑底背景canvas = np.zeros((self.win_size[1], self.win_size[0], 3), dtype=np.uint8)# 绘制书写区域边框（浅灰色）cv2.rectangle(canvas, self.pad_pos,(self.pad_pos[0] + self.pad_size[0], self.pad_pos[1] + self.pad_size[1]),(200, 200, 200), 2)# 嵌入书写内容（直接显示白字）canvas[self.pad_pos[1]:self.pad_pos[1] + self.pad_size[1],self.pad_pos[0]:self.pad_pos[0] + self.pad_size[0]] = cv2.cvtColor(self.img, cv2.COLOR_GRAY2BGR)# 显示预处理画面preview_size = 140preview_img = cv2.resize(self.processed_img, (preview_size, preview_size),interpolation=cv2.INTER_NEAREST)# 转换为彩色显示preview_display = cv2.cvtColor(preview_img, cv2.COLOR_GRAY2BGR)# 绘制预处理框（浅灰色）cv2.rectangle(canvas, self.preview_pos,(self.preview_pos[0] + preview_size, self.preview_pos[1] + preview_size),(200, 200, 200), 2)canvas[self.preview_pos[1]:self.preview_pos[1] + preview_size,self.preview_pos[0]:self.preview_pos[0] + preview_size] = preview_display# 添加文字说明（白色）cv2.putText(canvas, "Model Input (28x28)",(self.preview_pos[0], self.preview_pos[1] - 10),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, (255, 255, 255), 1)# 显示预测结果（绿色文字）result_text = f"Prediction: {self.last_predict['pred']}" if self.last_predict['pred'] != -1 else "Draw a digit"conf_text = f"Confidence: {self.last_predict['conf']:.1f}%"cv2.putText(canvas, result_text, (20, 40),cv2.FONT_HERSHEY_DUPLEX, 0.9, (0, 255, 0), 2)cv2.putText(canvas, conf_text, (20, 80),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.8, (0, 200, 200), 2)# 帮助文字（白色）help_text = "[SPACE] Clear  [ESC] Exit"cv2.putText(canvas, help_text, (self.win_size[0] - 250, self.win_size[1] - 20),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, (255, 255, 255), 1)return canvasdef run(self):while True:# 自动预测if time.time() - self.last_predict_time > 0.5 and np.any(self.img != 0):processed_tensor = self.preprocess()with torch.no_grad():output = self.model(processed_tensor)prob, pred = torch.max(torch.nn.functional.softmax(output, 1), 1)self.last_predict = {"pred": pred.item(), "conf": prob.item() * 100}self.last_predict_time = time.time()# 更新界面display = self.update_ui()cv2.imshow(self.win_name, display)# 处理窗口变化new_size = cv2.getWindowImageRect(self.win_name)[2:]if new_size != self.win_size:self.win_size = new_sizeself.pad_size = (min(300, self.win_size[0] // 2 - 100), min(300, self.win_size[1] - 100))self.img = cv2.resize(self.img, self.pad_size)# 按键处理key = cv2.waitKey(1)if key == 27:breakelif key == 32:  # 空格键清除self.img = np.zeros((self.pad_size[1], self.pad_size[0]), np.uint8)self.processed_img = np.zeros((28, 28), np.uint8)self.last_predict = {"pred": -1, "conf": 0.0}if __name__ == "__main__":app = DrawingApp()app.run()cv2.destroyAllWindows()