matlab手写神经网络实现识别手写数字

实验说明

一直想自己写一个神经网络来实现手写数字的识别，而不是套用别人的框架。恰巧前几天，有幸从同学那拿到5000张已经贴好标签的手写数字图片，于是我就尝试用matlab写一个网络。

• 实验数据：5000张手写数字图片（.jpg)，图片命名为1.jpg,2.jpg…5000.jpg。还有一个放着标签的excel文件。

• 数据处理：前4000张作为训练样本，后1000张作为测试样本。

• 图片处理：用matlab的imread（）函数读取图片的灰度值矩阵（28，28），然后把每张图片的灰度值矩阵reshape为（28*28，1），然后把前4000张图片的灰度值矩阵合并为x_train，把后1000张图片的灰度值矩阵合并为x_test。

神经网络设计

• 网络层设计：一层隐藏层，一层输出层

• 输入层：一张图片的灰度值矩阵reshape后的784个数，也就是x_train中的某一列

• 输出层：（10，1）的列向量，其中列向量中最大的数所在的索引+1就是预测的数字

• 激励函数：sigmoid函数（公式)

• 更新法则：后向传播算法（参考）

• 一点说明：这里的训练我分别用了普通梯度下降法和mini_batch（batch size 为10）梯度下降法来实现

• 测试：用了两种方式表示正确率，一是统计预测正确的个数，而是利用matlab的plotconfusion函数

网络实现

全部实现包括5个函数(gedata.m / layerout.m / mytrain.m / mytrain_mini.m / test.m)和一个main.m文件。

读取数据（getdata.m）

function[x_train,y_train,x_test,y_test]=getdata()
%把图片变成像素矩阵
%path :图片路径 
% x_train:训练样本像素矩阵(784,4000)
%y_train:训练样本标签(10,4000)
%x_test:测试样本像素矩阵(784,1000)
%y_test:测试样本标签(10,1000)


% photopath = './photo/';
% snames=dir([photopath  '*' '.jpg'])%get all filenames in photopath
% l = length(snames)
% 
% %get x_ data
% x_train = [];
% x_test = [];
% 
% for i=1:4000
%     iname=[photopath snames(i).name] %the path of jpg
%     x = imread(iname);  % the shape of x is (28,28)
%     x = reshape(x,784,1);  %reshape x to (784,1)
%     x_train = [x_train,x];
% end
% 
% for k=4001:5000
%     kname=[photopath snames(k).name];  %the path of jpg
%     x = imread(kname);   %the shape of x is (28,28)
%     x = reshape(x,784,1);  %reshape x  to (784,1)
%     x_test = [x_test,x];
% end

x_train=[];

for i=1:4000
      x=im2double(imread(strcat(num2str(i),'.jpg')));
      x=reshape(x,784,1);
      x_train=[x_train,x];
end
x_test =[];

for k=4001:5000
      x=im2double(imread(strcat(num2str(k),'.jpg')));
      x=reshape(x,784,1);
      x_test=[x_test,x];
end
data=xlsread('label.xlsx');
y_train=data(:,1:4000);
y_test = data(:,4001:5000);

x_train;
y_train;
x_test;
y_test;

end

这里踩了一个坑。我本来读取图片，是按目录来读取的，然后训练出来的效果一直不好。一度怀疑自己的更新函数写错了，改了很久，才发现按目录读取的图片顺序是错误的！按目录读取的图片并不是按1，2，3…这样读的，而是按下面的顺序读取的，这样就和label对不上了！！！

layerout函数

function [y] = layerout(w,b,x)
%output function
y = w*x + b;
n = length(y);
for i =1:n
    y(i)=1.0/(1+exp(-y(i)));
end
y;
end

训练一（mytrain.m）

function[w,b,w_h,b_h]=mytrain(x_train,y_train)
%train function:设置一个隐藏层，784-->隐藏层神经元个数-->10
%x_train:训练样本的像素数据
%y_train：训练样本的标签
%w：输出层权重
%b：输出层偏置
%w_h：隐藏层权重
%b_h：隐藏层偏置
%step：循环步数

step=input('迭代步数：');
a=input('学习因子：');
in = 784; %输入神经元个数
hid = input('隐藏层神经元个数：');%隐藏层神经元个数
out = 10; %输出层神经元个数
o =1;

w = randn(out,hid);
b = randn(out,1);
w_h =randn(hid,in);
b_h = randn(hid,1);


for i=0:step
    %打乱训练样本
    r=randperm(4000);
    x_train = x_train(:,r);
    y_train = y_train(:,r);

    for j=1:4000
        x = x_train(:,j);
        y = y_train(:,j);

        hid_put = layerout(w_h,b_h,x);
        out_put = layerout(w,b,hid_put);

        %更新公式的实现
        o_update = (y-out_put).*out_put.*(1-out_put);
        h_update = ((w')*o_update).*hid_put.*(1-hid_put);

        outw_update = a*(o_update*(hid_put'));
        outb_update = a*o_update;
        hidw_update = a*(h_update*(x'));
        hidb_update = a*h_update;

        w = w + outw_update;
        b = b+ outb_update;
        w_h = w_h +hidw_update;
        b_h =b_h +hidb_update;
    end
end  
end

训练二（mytrain_mini.m）

function[w,b,w_h,b_h]=mytrain_mini(x_train,y_train)
%train function:设置一个隐藏层，784-->隐藏层神经元个数-->10
%x_train:训练样本的像素数据
%y_train：训练样本的标签
%w：输出层权重
%b：输出层偏置
%w_h：隐藏层权重
%b_h：隐藏层偏置
%step：循环步数

step=ipout('迭代步数：');
a=input('学习因子：');
in = 784; %输入神经元个数
hid = input('隐藏层神经元个数：');%隐藏层神经元个数
out = 10; %输出层神经元个数
o =1;

w = randn(out,hid);
b = randn(out,1);
w_h =randn(hid,in);
b_h = randn(hid,1);


for i=0:step
    %打乱训练样本
    r=randperm(4000);
    x_train = x_train(:,r);
    y_train = y_train(:,r);
    %mini_batch
    for jj=0:399
        %取batch为10  更新取10次的平均值
        for j=jj*10+1:(jj+1)*10
            x = x_train(:,j);
            y = y_train(:,j);

            hid_put = layerout(w_h,b_h,x);
            out_put = layerout(w,b,hid_put);

            %更新公式的实现
            o_update = (y-out_put).*out_put.*(1-out_put);
            h_update = ((w')*o_update).*hid_put.*(1-hid_put);

            if j==1
                outw_update = (double(a)/10)*(o_update*(hid_put'));
                outb_update = (double(a)/10)*o_update;
                hidw_update = (double(a)/10)*(h_update*(x'));
                hidb_update = (double(a)/10)*h_update;
            end

            if j~=1
                outw_update = outw_update + (double(a)/10)*(o_update*(hid_put'));
                outb_update = outb_update -(double(a)/10)*o_update;
                hidw_update = hidw_update + (double(a)/10)*(h_update*(x'));
                hidb_update = hidb_update -(double(a)/10)*h_update;
            end
        end

        w = w + outw_update;
        b = b+ outb_update;
        w_h = w_h +hidw_update;
        b_h =b_h +hidb_update;
    end  
end
end

测试（mytest.m）

function[]= mytest(x_test,y_test,w,b,w_h,b_h)
%x_test:测试样本的像素数据
%y_test：测试样本的标签
%w：输出层权重
%b：输出层偏置
%w_h：隐藏层权重
%b_h：隐藏层偏置

test = zeros(10,1000);
for k=1:1000
    x = x_test(:,k);

    hid = layerout(w_h,b_h,x);
    test(:,k)=layerout(w,b,hid);

    %正确率表示方式一：输出正确个数
    [t,t_index]=max(test);
    [y,y_index]=max(y_test);
    sum = 0;
    for p=1:length(t_index)
        if t_index(p)==y_index(p)
            sum =sum+1;
        end
    end
end

fprintf('正确率: %d/1000\n',sum);

%正确率表示方式二：用plotconfusion函数
plotconfusion(y_test,test);
end

main.m

[x_train,y_train,x_test,y_test]=getdata();

%归一化
x_train = mapminmax(x_train,0,1);
x_test =mapminmax(x_test,0,1);

[w1,b1,w_h1,b_h1]=mytrain(x_train,y_train);
fprintf('mytrain正确率:\n');
mytest(x_test,y_test,w1,b1,w_h1,b_h1);

[w2,b2,w_h2,b_h2]=mytrain(x_train,y_train);
fprintf('mytrain_mini正确率:\n');
mytest(x_test,y_test,w2,b2,w_h2,b_h2);

实验结果

直接运行main.m，且两个训练方式都输入相同参数，得到结果如下：

下面是mini_batch的plotconfusion结果，mytrain的也差不多。其中绿色的为正确率：

直观感觉min_batch方式的训练会快一丢丢。由于这里数据不多，所以两者的差别看不大出来！