BP神经网络识别手写数字项目解析及代码

（1） 大白话讲解传统神经网络

首先，我们看一下神经网络的基本单元——单个的神经元：

图中圆形表示一个神经元，我们知道，一个神经元接收相邻的神经元传来的刺激，神经元对这些刺激以不同的权重进行积累，到一定的时候产生自己的刺激将其传递给一些与它相邻的神经元。这样工作的无数个神经元便构成了人脑对外界的感知。而人脑对世界的学习的机制就是通过调节这些相邻连接的神经元刺激的权重。
在图中，周围神经元传过来的刺激表示为Y，权重表示为W，圆形表示的神经元得到的刺激是所有刺激按照权重累加起来，即

同时这个神经元作为网络的一份子，也像其他神经元一样需要向外传播刺激信号，但是不是直接把s传播，而是传播一个f(s)出去，为什么呢？其实无关大局，我们后面分析。其中f(s)学名称为“激活函数”，常用的函数如下：

好了，理解到这里如果没什么问题的话，恭喜你你已经入门了，现在我们把这一个个的基本单元连接起来，就构成我们最终的神经网络了。传统的神经网络结构如下图所示：

是不是觉得很乱？不着急我们一点一点看，由整体到细微来解剖它。首先整体上，它的结构分为三部分，输入层，隐藏层和输出层，一般输入层和输出层各一个，隐藏层若干个，图中画出了一个。细微处，连接结构上，后一层的每个神经元都由前一层的所有神经元连接进来。
手写数字识别实验使用的是三层的神经网络结构，即只有一个隐藏层，下面以此说明。
下面说明一下各层的表示和各层的关系：
输入层：X=(x1,x2,x3…xn)
隐藏层：Y=(y1,y2,y3…ym)
输出层：O=(o1,o2,o3…or)

两个权重：
输入层到隐藏层的权重：V=(V1,V2,V3…Vm)，Vj是一个列向量，表示输入层所有神经元通过Vj加权，得到隐藏层的第j个神经元
隐藏层到输出层的权重：W=(W1,W2,W3…Wr)，Wk是一个列向量，表示隐藏层的所有神经元通过Wk加权，得到输出层的第k个神经元

根据我们上面说到的单个神经元的刺激传入和刺激传出，相信到这里很多人应该已经得出下面的各层之间的关系了：


到这里，神经网络的工作过程就清楚一些了。实例说明一下，假设输入是一张图像， 16x16大小，转换为一个二维的灰度值矩阵，再把每一行拼接在上一行的末尾，拼接成一个1x256的行向量，作为输入层的输入，即X，接下来按照公式2就可以计算出隐藏层，然后根据公式1又可以计算出输出层，输出层的输出就得到了。在这个手写数字识别的项目中，我使用的图片输入正是16x16，所以输入层有256个神经元，隐藏层的神经元我取了64个，最后的输出层神经元我取的是10个，为什么是10个呢？因为数字0到9一共10个，期望上是，比如输入一张写着数字1的图像，在输出端得到的输出是{1 0 0 0 0 0 0 0 0 0}，输入的图像为2时，输出{ 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0}，以此类推，实际上输出的未必就是刚好1和刚好0，经过调参和训练，基本是输出0.9多和正负的0.0多，不过也足够了，仅仅用判断最大值所在位置的方式就可以识别到图像上的数字。

至此，我们已经了解了整个网络的结构和正向工作的具体流程。可以说我们已经对神经网络理解了有50%了。为什么才50%呢？仔细想想相信你会发现，我们还不知道两个在网络中很重要的量，就是权重矩阵W和V。

如何求得W和V呢，这里要用到一种算法，就是误差反向传播算法(Error Back Propagation Algorithm) ，简称BP 算法。说的很晦涩，我们来翻译成人话。先来看看算法的工作过程，首先随机地初始化W和V的值，然后代入一些图片进行计算，得到一个输出，当然由于W和V参数不会刚好很完美，输出自然不会是像上文说的，刚好就是{1 0 0 0 0 0 0 0 0 0}这一类，所以存在误差，根据这个误差就可以反过来修正W和V的值，修正后的W和V可以使输出更加的靠近于理想的输出，这就是所谓的“误差反向传播”的意思，修正一次之后，再代入其他一些图片，输出离理想输出又靠近了一点，我们又继续计算误差，然后修正W和V的值，就这样经过很多次的迭代计算，最终多次修正得到了比较完美的W和V矩阵，它可以使得输出非常靠近于理想的输出，至此我们的工作完成度才是100%了。这种在输出端计算误差，根据误差来作调节的思想，学自动化的或者接触过飞思卡尔一类的智能车比赛的同学体会应该是比较深的，跟PID自控算法有很大相似性。

下面是数学推导，关于实际输出和理想输出之间的误差如何具体来调节W和V的值，调节多少的问题。上面说过了，暂时不理解的话可以先跳过推导，看最后的结论就好，自己最后跟着代码实践一遍，有了更深的体会，慢慢会理解的。

（2）逆向传播算法的数学推导

这样，改变η的大小即可改变每一次调节的幅度，η大的话调节更快，小则调节慢，但是过大容易导致振荡，这一点也跟PID中的比例系数P是一样的。一般η的大小需要经过多次尝试来找到合适值。

好了，到这里神经网络就讲解完毕，下面是一个较次要的内容，我们上面说了，通过不断迭代来调整权重W和V，那么如何衡量迭代是否可以停止了呢。一个自然的想法是判断每次的输出和理想输出是否足够接近，所以我们可以用算向量距离的方法，跟均方差是一个 道理，如下：

这样，主要s足够小，迭代就可以结束了。

（3）实践

训练部分：recognize_handwriting_numbers_by_simple_NN_train.m

V=double(rand(256,64));
W=double(rand(64,10));
delta_V=double(rand(256,64));
delta_W=double(rand(64,10));

yita=0.2;%缩放系数，有的文章称学习率
yita1=0.05;%我自己加的参数，缩放激活函数的自变量防止输入过大进入函数的饱和区，可以去掉体会一下变化
train_number=9;%训练样本中，有多少个数字，一共9个，没有0
train_num=30;%训练样本中，每种数字多少张图，一共100张
x=double(zeros(1,256));%输入层
y=double(zeros(1,64));%中间层，也是隐藏层
output=double(zeros(1,10));%输出层
tar_output=double(zeros(1,10));%目标输出，即理想输出
delta=double(zeros(1,10));%一个中间变量，可以不管

%记录总的均方差便于画图
s_record=1:1000;
tic %计时
for train_control_num=1:1000   %训练次数控制，在调参的最后发现1000次其实有多了，大概400次完全够了
    s=0;
%读图，输入网络
for number=1:train_number
ReadDir=['E:\Matlab\recognize_handwiting_numbers\train_lib\'];%读取样本的路径
for num=1:train_num  %控制多少张
photo_name=[num2str(number),num2str(num,'%05d'),'.png'];%图片名
photo_index=[ReadDir,photo_name];%路径加图片名得到总的图片索引
photo_matrix=imread(photo_index);%使用imread得到图像矩阵
photo_matrix=uint8(photo_matrix<=230);%二值化，黑色是1
tmp=photo_matrix';
tmp=tmp(:);%以上两步完成了图像二维矩阵转变为列向量，256维，作为输入
%计算输入层输入
x=double(tmp');%转化为行向量因为输入层X是行向量，并且化为浮点数
%得到隐层输入
y0=x*V;
%激活
y=1./(1+exp(-y0*yita1));
%得到输出层输入
output0=y*W;
output=1./(1+exp(-output0*yita1));
%计算预期输出
tar_output=double(zeros(1,10));
tar_output(number)=1.0;
%计算误差
%按照公式计算W和V的调整，为了避免使用for循环比较耗费时间，下面采用了直接矩阵乘法，更高效
delta=(tar_output-output).*output.*(1-output);
delta_W=yita*repmat(y',1,10).*repmat(delta,64,1);
tmp=sum((W.*repmat(delta,64,1))');
tmp=tmp.*y.*(1-y);
delta_V=yita*repmat(x',1,64).*repmat(tmp,256,1);
%计算均方差
s=s+sum((tar_output-output).*(tar_output-output))/10;
%更新权值
W=W+delta_W;
V=V+delta_V;
end
end
s=s/train_number/train_num  %不加分号，随时输出误差观看收敛情况
train_control_num           %不加分号，随时输出迭代次数观看运行状态
s_record(train_control_num)=s;%记录
end
toc %计时结束
plot(1:1000,s_record);

correct_num=0;%记录正确的数量
incorrect_num=0;%记录错误数量
test_number=9;%测试集中，一共多少数字，9个，没有0
test_num=100;%测试集中，每个数字多少个，最大100个
% load W;%%之前训练得到的W保存了，可以直接加载进来
% load V;
% load yita1;

%记录时间
tic %计时开始
for number=1:test_number
ReadDir=['E:\Matlab\recognize_handwiting_numbers\test_lib\'];
for num=1:test_num  %控制多少张
photo_name=[num2str(number),num2str(num,'%05d'),'.png'];
photo_index=[ReadDir,photo_name];
photo_matrix=imread(photo_index);
%大小改变
photo_matrix=imresize(photo_matrix,[16 16]);
%二值化
photo_matrix=uint8(photo_matrix<=230);%黑色是1
%行向量
tmp=photo_matrix';
tmp=tmp(:);
%计算输入层输入
x=double(tmp');
%得到隐层输入
y0=x*V;
%激活
y=1./(1+exp(-y0*yita1));
%得到输出层输入
o0=y*W;
o=1./(1+exp(-o0*yita1));
%最大的输出即是识别到的数字
[o,index]=sort(o);
if index(10)==number
    correct_num=correct_num+1
else
    incorrect_num=incorrect_num+1;
    %显示不成功的数字，显示会比较花时间
%     figure(incorrect_num)
%     imshow((1-photo_matrix)*255);
%     title(num2str(number));
end
end
end
correct_rate=correct_num/test_number/test_num
toc %计时结束

运行结果：

最后调参得到比较好的结果，使用η=0.2，η1=0.05，在我电脑上，i5-3210M，4G内存，迭代1000次所需要的时间是468s，最终得到下面的曲线，横坐标是训练的迭代次数，纵坐标是均方差，可以看到，其实在350次迭代的时候已经取得了很小的均方差，考虑时间和性能的折中的话，迭代350次已经可以了。

我自己对神经网络的的一些理解，以识别图片手写数字为例，图片中黑色像素点和白色像素点之间的空间编排关系构成了我们看到的数字，如果我们能找到一个很厉害的方程组，方程的输入参数是一张图片，返回一个数字表示识别结果，那肯定是很理想的，但是可惜，很难找到的方程来映射图片像素点的空间排布和识别结果这样的一种关系。而神经网络刚好就完成了这样的映射功能，所有的关于像素点空间排布信息的解析都隐藏于矩阵W和V之中，所以W和V实际上代表了这样一种映射关系。而神经网络聪明的地方在于，当这样的映射关系未知时，我们设计了一套机理让它自己来寻找，这就是学习和训练的过程，而最后得到的W和V就是学习的结果，这个过程很像婴儿开始认东西的过程，一开始婴儿的认知体系是空白的，像刚随机初始化的W和V，我们给它看一本书，像给了网络一个输入，告诉他这个是“书”，像告诉网络，理想输出应该是“书”，他会开始尝试来理解，建立书这个物品到“书”这个字的映射关系，一开始他会犯错，看到相似的比如一张纸也会认为是书，但是在看到更多的书之后，并且我们告诉他这个是“书”之后，他又会不断修正这样一种映射关系，最后建立完整的对于书这样一种物品到“书”这个字的映射过程，初步的认知体系建立。现在可以说说上面的“激活函数”是干嘛用的了，可以想象，自然界的各种各样的映射关系显然是比较复杂的，关靠线性关系是无力描述的，而神经网络中用的是加权相加的运算，如果没有经过激活函数处理，后层的所有输入都可以由多层之前的信号经过线性运算来得到，一个现象模型显然表现力是远远不够的，所以我们在神经网络模型中加入了非线性的因素，就是激活函数。

最后，感谢看完这么长一篇文字，有不足之处，欢迎评论指正，共同进步。