39、基于深度学习的(拼音)字符识别(matlab)

1、原理及流程

深度学习中常用的字符识别方法包括卷积神经网络（CNN）和循环神经网络（RNN）。

数据准备：首先需要准备包含字符的数据集，通常是手写字符、印刷字符或者印刷字体数据集。
数据预处理：对数据集进行预处理，包括归一化、去噪、裁剪等处理，以便更好地输入到深度学习模型中。
模型选择：选择合适的深度学习模型，常用的字符识别模型包括CNN和RNN。CNN主要用于图像数据的特征提取，RNN主要用于序列数据的建模。
模型构建：根据数据集的特点和需求构建深度学习模型，设置合适的层数、节点数和激活函数等参数。
模型训练：使用已标记好的数据集对模型进行训练，通过反向传播算法不断调整模型参数，使其能够更好地拟合数据集。
模型评估：使用未标记的数据集对训练好的模型进行评估，评估模型的准确率、召回率、F1值等指标。
模型优化：根据评估结果对模型进行调优，可以对模型结构、参数、数据集等方面进行优化。
预测与应用：使用训练好的模型对新数据进行字符识别预测，应用到实际场景中，如车牌识别、验证码识别等领域。

2、准备工作

1）无噪声拼音字符的生成

代码

function [alphabet,targets] = prprob()

letterA =  [0 0 1 0 0 ...
            0 1 0 1 0 ...
            0 1 0 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 1 1 1 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ]';

letterB =  [1 1 1 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 1 1 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 1 1 1 0 ]';

letterC =  [0 1 1 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 1 ...
            0 1 1 1 0 ]';

letterD  = [1 1 1 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 1 1 1 0 ]';

letterE  = [1 1 1 1 1 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 1 1 1 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 1 1 1 1 ]';

letterF =  [1 1 1 1 1 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 1 1 1 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ]';

letterG =  [0 1 1 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 1 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            0 1 1 1 0 ]';

letterH =  [1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 1 1 1 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ]';

letterI =  [0 1 1 1 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 1 1 1 0 ]';

letterJ =  [1 1 1 1 1 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            1 0 1 0 0 ...
            0 1 0 0 0 ]';

letterK =  [1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 1 0 ...
            1 0 1 0 0 ...
            1 1 0 0 0 ...
            1 0 1 0 0 ...
            1 0 0 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ]';

letterL =  [1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 1 1 1 1 ]';

letterM =  [1 0 0 0 1 ...
            1 1 0 1 1 ...
            1 0 1 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ]';

letterN =  [1 0 0 0 1 ...
            1 1 0 0 1 ...
            1 1 0 0 1 ...
            1 0 1 0 1 ...
            1 0 0 1 1 ...
            1 0 0 1 1 ...
            1 0 0 0 1 ]';

letterO =  [0 1 1 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            0 1 1 1 0 ]';

letterP =  [1 1 1 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 1 1 1 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ]';

letterQ =  [0 1 1 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 1 0 1 ...
            1 0 0 1 0 ...
            0 1 1 0 1 ]';

letterR =  [1 1 1 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 1 1 1 0 ...
            1 0 1 0 0 ...
            1 0 0 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ]';

letterS =  [0 1 1 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ...
            0 1 0 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 0 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ...
            0 1 1 1 0 ]';

letterT =  [1 1 1 1 1 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ]';

letterU =  [1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            0 1 1 1 0 ]';

letterV =  [1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            0 1 0 1 0 ...
            0 0 1 0 0 ]';

letterW =  [1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 1 0 1 ...
            1 1 0 1 1 ...
            1 0 0 0 1 ]';

letterX =  [1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            0 1 0 1 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 1 0 1 0 ...
            1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ]';

letterY =  [1 0 0 0 1 ...
            1 0 0 0 1 ...
            0 1 0 1 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 0 1 0 0 ]';

letterZ =  [1 1 1 1 1 ...
            0 0 0 0 1 ...
            0 0 0 1 0 ...
            0 0 1 0 0 ...
            0 1 0 0 0 ...
            1 0 0 0 0 ...
            1 1 1 1 1 ]';

alphabet = [letterA,letterB,letterC,letterD,letterE,letterF,letterG,letterH,...
            letterI,letterJ,letterK,letterL,letterM,letterN,letterO,letterP,...
            letterQ,letterR,letterS,letterT,letterU,letterV,letterW,letterX,...
            letterY,letterZ];

targets = eye(26);

试图效果

无噪声A B C X Y Z视图

2）有噪声拼音字符的生成

代码

有噪声A B C X Y Z视图

numNoise = 30;
Xn = min(max(repmat(X,1,numNoise)+randn(35,26*numNoise)*0.2,0),1);
Tn = repmat(T,1,numNoise);

视图效果

3、创建第一个神经网络

说明

针对模式识别建立的具有 25 个隐藏神经元的前馈神经网络。

由于神经网络以随机初始权重进行初始化，因此每次运行该示例进行训练后的结果都略有不同。

代码

%25 个隐藏神经元的前馈神经网络。
setdemorandstream(pi);
net1 = feedforwardnet(25);
%显示网络
view(net1);

视图效果

4、训练第一个神经网络

说明

无噪声拼音字符数据集进行训练，当网络针对训练集或验证集不再可能有改善时，训练停止。

函数 train 将数据划分为训练集、验证集和测试集。验证集和测试集。训练集用于更新网络，验证集用于在网络过拟合训练数据之前停止网络，从而保持良好的泛化。测试集用作完全独立的测量手段，用于衡量网络针对新样本的预期表现。

代码

%当网络针对训练集或验证集不再可能有改善时，训练停止。
net1.divideFcn = '';
%函数 train 将数据划分为训练集、验证集和测试集。
%验证集和测试集。训练集用于更新网络，验证集用于在网络过拟合训练数据之前停止网络，从而保持良好的泛化。测试集用作完全独立的测量手段，用于衡量网络针对新样本的预期表现。
net1 = train(net1,X,T,nnMATLAB);

视图结果

5、训练第二个神经网络

说明

针对含噪数据训练第二个网络，并将其泛化能力与第一个网络进行比较。

代码

net2 = feedforwardnet(25);
net2 = train(net2,Xn,Tn,nnMATLAB);

视图效果

6、测试两个神经网络

说明

用测试数据集对训练好的网络1和网络2进行测试，X轴表示噪声强度Y轴表示误差百分比

代码

noiseLevels = 0:.05:1;
numLevels = length(noiseLevels);
percError1 = zeros(1,numLevels);
percError2 = zeros(1,numLevels);
for i = 1:numLevels
  Xtest = min(max(repmat(X,1,numNoise)+randn(35,26*numNoise)*noiseLevels(i),0),1);
  Y1 = net1(Xtest);
  percError1(i) = sum(sum(abs(Tn-compet(Y1))))/(26*numNoise*2);
  Y2 = net2(Xtest);
  percError2(i) = sum(sum(abs(Tn-compet(Y2))))/(26*numNoise*2);
end

figure(3)
plot(noiseLevels,percError1*100,'--',noiseLevels,percError2*100);
title('识别误差百分比');
xlabel('噪声水平');
ylabel('误差');
legend('网络1','网络2','Location','NorthWest')

试图效果

7、总结

基于深度学习的拼音字符识别在MATLAB中的总体流程如下：

数据集准备：收集包含拼音字符的数据集，可以是经过标记的拼音字符图片或者声音数据。
数据预处理：对数据集进行预处理，包括图像去噪、裁剪、归一化等处理，或者对声音数据进行特征提取、转换为图像数据等处理。
构建深度学习模型：选择适合拼音字符识别任务的深度学习模型，可以选择卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）或者组合模型等。
模型训练：使用数据集对构建好的深度学习模型进行训练，调整模型参数使其能够更好地拟合数据。
模型评估：使用未标记的数据集对训练好的模型进行评估，评估模型的准确率、召回率、F1值等指标。
模型优化：根据评估结果对模型进行调优，可以调整模型结构、超参数，增加数据增强等方式来提高模型性能。
模型应用：将训练好的深度学习模型用于拼音字符识别任务，可以将其应用到实际场景中，如语音识别、文字转换等任务中。

以上是基于MATLAB的深度学习拼音字符识别的总体流程，具体实现细节可以根据具体需求和数据集的特点进行调整和优化。

主程序代码

%% 字符识别
%prprob 定义了一个包含 26 列的矩阵 X，每列对应一个字母。定义一个字母的 5×7 位图。
[X,T] = prprob;
%plotchar第三个字母 C 绘制为一个位图。
% figure(1)
% plotchar(X(:,3))
% title('不含噪声')
%% 创建第一个神经网络
%25 个隐藏神经元的前馈神经网络。
setdemorandstream(pi);
net1 = feedforwardnet(25);
%显示网络
view(net1);

%% 训练第一个神经网络
%当网络针对训练集或验证集不再可能有改善时，训练停止。
net1.divideFcn = '';
%函数 train 将数据划分为训练集、验证集和测试集。
%验证集和测试集。训练集用于更新网络，验证集用于在网络过拟合训练数据之前停止网络，从而保持良好的泛化。测试集用作完全独立的测量手段，用于衡量网络针对新样本的预期表现。
net1 = train(net1,X,T,nnMATLAB);
%% 训练第二个神经网络
%针对含噪数据训练第二个网络，并将其泛化能力与第一个网络进行比较。
%数据集加噪声
numNoise = 30;
Xn = min(max(repmat(X,1,numNoise)+randn(35,26*numNoise)*0.2,0),1);
Tn = repmat(T,1,numNoise);
figure(2)
plotchar(Xn(:,3))
title('含噪声')
%创建并训练第二个网络。
net2 = feedforwardnet(25);
net2 = train(net2,Xn,Tn,nnMATLAB);

%% 测试两个神经网络
noiseLevels = 0:.05:1;
numLevels = length(noiseLevels);
percError1 = zeros(1,numLevels);
percError2 = zeros(1,numLevels);
for i = 1:numLevels
  Xtest = min(max(repmat(X,1,numNoise)+randn(35,26*numNoise)*noiseLevels(i),0),1);
  Y1 = net1(Xtest);
  percError1(i) = sum(sum(abs(Tn-compet(Y1))))/(26*numNoise*2);
  Y2 = net2(Xtest);
  percError2(i) = sum(sum(abs(Tn-compet(Y2))))/(26*numNoise*2);
end

figure(3)
plot(noiseLevels,percError1*100,'--',noiseLevels,percError2*100);
title('识别误差百分比');
xlabel('噪声水平');
ylabel('误差');
legend('网络1','网络2','Location','NorthWest')