基于CNN神经网络的手写字符识别实验报告

《基于CNN神经网络的手写字符识别实验报告》 在当今的深度学习领域，卷积神经网络（CNN）已经成为图像识别任务的重要工具。本实验报告针对手写字符识别问题，运用了经典的CNN模型LeNet5，旨在探究其在MNIST数据集上的表现。MNIST数据集是手写数字识别的标准基准，包含大量28x28像素的灰度图像，涵盖了0到9共10个数字。 CNN的核心原理在于其特有的层结构：卷积层、池化层和全连接层。卷积层通过滑动卷积核对输入图像进行操作，提取图像的局部特征，如边缘和纹理，保持空间信息。池化层进一步减少特征图的维度，常采用最大池化以保留关键特征，提高计算效率。全连接层则将提取的特征映射到各个输出类别，实现分类。激活函数如ReLU、Sigmoid和Tanh等用于引入非线性，提升模型表达能力，其中ReLU因其防止梯度消失的特性而被广泛应用。Softmax层将全连接层的输出转化为概率分布，确定最可能的类别。 实验中采用的LeNet5模型包含2个卷积层、2个池化层、2个全连接层以及输出层。具体结构如下： 1. 输入层接收28x28像素的灰度图像，预处理后输入网络。 2. 第一层卷积层C1，使用6个5x5的卷积核，步长为1，无填充，产生6个特征图。 3. 第一层池化层S2，2x2的最大池化，步长为2，将特征图尺寸减半。 4. 第二层卷积层C3，16个5x5的卷积核，同样步长为1，无填充，产生16个特征图。 5. 第二层池化层S4，继续使用2x2的最大池化，进一步降低特征图尺寸。 6. 全连接层C5将特征图展平，并通过120个神经元的全连接层。 7. 再次全连接层F6，连接120个神经元到84个神经元。 8. 输出层包含10个神经元，对应0-9的数字分类。 模型的构建代码如下： ```python model = models.Sequential([ layers.Conv2D(6, kernel_size=(5, 5), strides=(1, 1), activation='relu', input_shape=(28, 28, 1), padding='same'), layers.AveragePooling2D(pool_size=(2, 2), strides=(2, 2)), layers.Conv2D(16, kernel_size=(5, 5), strides=(1, 1), activation='relu'), layers.AveragePooling2D(pool_size=(2, 2)), layers.Flatten(), layers.Dense(120, activation='relu'), layers.Dense(84, activation='relu'), layers.Dense(10, activation='softmax') ]) ``` 实验中，模型通过交叉熵损失函数衡量预测与实际标签的差距，并用反向传播算法更新权重，以优化网络性能。 本实验不仅验证了CNN在手写字符识别任务中的有效性，还通过调整网络结构和参数，探讨了影响模型性能的因素。对于深度学习初学者和研究者而言，此类实验提供了理解CNN工作原理和实践应用的良好平台。随着技术的发展，未来可能还会探索更复杂的模型结构和优化技术，以应对更大规模和更复杂的手写字符识别任务。