Python3实现简单可学习的手写识别

前言

版本：Python3.6.1 + PyQt5 + SQL Server 2012

以前一直觉得，机器学习、手写体识别这种程序都是很高大上很难的，直到偶然看到了这个视频，听了老师讲的思路后，瞬间觉得原来这个并不是那么的难，原来我还是有可能做到的。

于是我开始顺着思路打算用Python、PyQt、SQLServer做一个出来，看看能不能行。然而中间遇到了太多的问题，数据库方面的问题有十几个，PyQt方面的问题有接近一百个，还有数十个Python基础语法的问题。但好在，通过不断的Google，终于凑出了这么一个成品来。

最终还是把都凑在一个函数里的代码重构了一下，改写成了4个模块：
main.py、Learning.py、LearningDB.py、LearningUI.py
其中LearningDB实现python与数据库的交互，LearningUI实现界面的交互，Learning继承LearningUI类添加上了与LearningDB数据库类的交互，最后通过main主函数模块运行程序。
其中涉及数据库的知识可参考之前的文章：Python3操作SQL Server数据库，涉及PyQt的知识可参考：Python3使用PyQt5制作简单的画板/手写板

手写体识别的主要思路是将手写的字，用一个列表记录其所经过的点，划分为一个九宫格，然后数每个格子中点的数目，将数目转化为所占总点数的百分比。然后两两保存的九维数，求他们之间的距离，距离越近代表越接近。

通过pymssql与数据库的交互

因为使用程序之前先需要建表，建表我就直接使用SQL语句执行了：

create database PyLearningDB

drop table table0
create table table0
(dim0 int not null ,
dim1 int not null ,
dim2 int not null ,
dim3 int not null ,
dim4 int not null ,
dim5 int not null ,
dim6 int not null ,
dim7 int not null ,
dim8 int not null )

drop table table1
create table table1
(dim0 int not null ,
dim1 int not null ,
dim2 int not null ,
dim3 int not null ,
dim4 int not null ,
dim5 int not null ,
dim6 int not null ,
dim7 int not null ,
dim8 int not null )

drop table table2
create table table2
(dim0 int not null ,
dim1 int not null ,
dim2 int not null ,
dim3 int not null ,
dim4 int not null ,
dim5 int not null ,
dim6 int not null ,
dim7 int not null ,
dim8 int not null )

drop table table3
create table table3
(dim0 int not null ,
dim1 int not null ,
dim2 int not null ,
dim3 int not null ,
dim4 int not null ,
dim5 int not null ,
dim6 int not null ,
dim7 int not null ,
dim8 int not null )

drop table table4
create table table4
(dim0 int not null ,
dim1 int not null ,
dim2 int not null ,
dim3 int not null ,
dim4 int not null ,
dim5 int not null ,
dim6 int not null ,
dim7 int not null ,
dim8 int not null )

drop table table5
create table table5
(dim0 int not null ,
dim1 int not null ,
dim2 int not null ,
dim3 int not null ,
dim4 int not null ,
dim5 int not null ,
dim6 int not null ,
dim7 int not null ,
dim8 int not null )

drop table table6
create table table6
(dim0 int not null ,
dim1 int not null ,
dim2 int not null ,
dim3 int not null ,
dim4 int not null ,
dim5 int not null ,
dim6 int not null ,
dim7 int not null ,
dim8 int not null )

drop table table7
create table table7
(dim0 int not null ,
dim1 int not null ,
dim2 int not null ,
dim3 int not null ,
dim4 int not null ,
dim5 int not null ,
dim6 int not null ,
dim7 int not null ,
dim8 int not null )

drop table table8
create table table8
(dim0 int not null ,
dim1 int not null ,
dim2 int not null ,
dim3 int not null ,
dim4 int not null ,
dim5 int not null ,
dim6 int not null ,
dim7 int not null ,
dim8 int not null )

drop table table9
create table table9
(dim0 int not null ,
dim1 int not null ,
dim2 int not null ,
dim3 int not null ,
dim4 int not null ,
dim5 int not null ,
dim6 int not null ,
dim7 int not null ,
dim8 int not null )

LearningDB.py程序如下：

'''
LearningDB类
功能：定义数据库类，包含一个学习函数learn_data和一个识别函数identify_data
作者：PyLearn
博客: http://www.cnblogs.com/PyLearn/
最后修改日期: 2017/10/18
'''
import math
import pymssql

class LearningDB () :

def __init__ ( self ) :
self .conn = pymssql. connect (host = '127.0.0.1' ,
user = 'sa' ,
password = '123' ,
database = 'PyLearningDB' ,
charset = 'utf8' )
self .cursor = self .conn.cursor()
self .sql = ''
self .distance = 0.0
self .conn.close()

def learn_data ( self , table, dim) :
'''
学习数据，将数据存到对应的数据库
table指定哪个表，dim是维度数组
'''
learn_result = False

try :
if table < 0 or table > 9 :
raise Exception ( "错误！table的值为 %d ！" % table)
for num in dim:
if num < 0 :
raise Exception ( "错误！dim的值不能小于0！" )

self .conn = pymssql. connect (host = '127.0.0.1' ,
user = 'sa' ,
password = '123' ,
database = 'PyLearningDB' ,
charset = 'utf8' )
self .cursor = self .conn.cursor()
self .sql = 'insert into table %d values( %d , %d , %d , %d , %d , %d , %d , %d , %d )' % (
table, dim[ 0 ], dim[ 1 ], dim[ 2 ], dim[ 3 ], dim[ 4 ], dim[ 5 ], dim[ 6 ], dim[ 7 ], dim[ 8 ])
self .cursor.execute( self .sql)
self .conn.commit()
learn_result = True
except Exception as ex_learn:
self .conn.rollback()
raise ex_learn
finally :
self .conn.close()
return learn_result

def identify_data ( self , test_data) :
'''
识别数据，将数据一一对比，返回最接近的近似值
'''
try :
table_data = []
for i in range ( 10 ):
table_data.append( self .__get_data(i, test_data))

#返回table_data中最小值的索引
return table_data.index( min (table_data))
except Exception as ex_identify:
raise ex_identify

def __get_data ( self , table, test_data) :
'''
取出table表中所有数据
并与测试数据进行比较，返回最小值
如果table表中无数据，则全部取0
'''
try :
if table < 0 or table > 9 :
raise Exception ( "错误！table的值不能为 %d ！" % table)
self .conn = pymssql. connect (host = '127.0.0.1' ,
user = 'sa' ,
password = '123' ,
database = 'PyLearningDB' ,
charset = 'utf8' )
self .cursor = self .conn.cursor()
self .sql = 'select * from table %d ' % table
self .cursor.execute( self .sql)
receive_sql = self .cursor.fetchall()

if not receive_sql:
new_receive_sql = [( 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 )]
else :
new_receive_sql = receive_sql
finally :
self .conn.close()
#计算最小值
dim_data = []
for receive_data in new_receive_sql:
dim_data.append( self .__distance_data(test_data, receive_data))
#返回dimData中最小值
return min (dim_data)

def __distance_data ( self , test_data, table_data) :
'''
求九维空间中两点之间的距离
'''
self .distance = 0.0
for i in range ( 9 ):
self .distance += (test_data[i] - table_data[i]) ** 2
return math.sqrt( self .distance)

通过pyqt与界面的交互

LearningUI.py程序如下：

'''
LearningUI类
功能：生成UI界面，以及定义事件处理方法
作者：PyLearn
博客: http://www.cnblogs.com/PyLearn/
最后修改日期: 2017/10/18
'''
from PyQt5.QtWidgets import (QWidget, QPushButton, QLabel, QComboBox, QDesktopWidget)
from PyQt5.QtGui import (QPainter, QPen, QFont)
from PyQt5.QtCore import Qt

class LearningUI (QWidget) :

def __init__ ( self ) :
super (LearningUI, self ). __init__ ()

self .__init_ui()

#设置只有鼠标按下时才跟踪移动，否则不按的时候也在画画
self .setMouseTracking( False )
#self.pos_xy保存所有绘画的点
self .pos_xy = []
#设置pos_x、pos_y方便计算
self .pos_x = []
self .pos_y = []

#设置关联事件
self .btn_learn.clicked. connect ( self .btn_learn_on_clicked)
self .btn_recognize.clicked. connect ( self .btn_recognize_on_clicked)
self .btn_clear.clicked. connect ( self .btn_clear_on_clicked)

def __init_ui ( self ) :
'''
定义UI界面：
三个按钮：学习、识别、清屏
btn_learn、btn_recognize、btn_clear
一个组合框：选择0-9
combo_table
两条标签：请在屏幕空白处用鼠标输入0-9中的某一个数字进行识别！
2017/10/10 by PyLearn
一条输出识别结果的标签
label_output
'''
#添加三个按钮，分别是学习、识别、清屏
self .btn_learn = QPushButton( "学习" , self )
self .btn_learn.setGeometry( 50 , 400 , 70 , 40 )
self .btn_recognize = QPushButton( "识别" , self )
self .btn_recognize.setGeometry( 320 , 400 , 70 , 40 )
self .btn_clear = QPushButton( "清屏" , self )
self .btn_clear.setGeometry( 420 , 400 , 70 , 40 )

#添加一个组合框，选择0-9
self .combo_table = QComboBox( self )
for i in range ( 10 ):
self .combo_table.addItem( " %d " % i)
self .combo_table.setGeometry( 150 , 400 , 70 , 40 )

#添加两条标签
self .label_head = QLabel( '请在屏幕空白处用鼠标输入0-9中的某一个数字进行识别！' , self )
self .label_head.move( 75 , 50 )
self .label_end = QLabel( '2017/10/10 by PyLearn' , self )
self .label_end.move( 375 , 470 )

#添加一条输出识别结果的标签
'''
setStyleSheet设置边框大小、颜色
setFont设置字体大小、形状、加粗
setAlignment设置文本居中
'''
self .label_output = QLabel( '' , self )
self .label_output.setGeometry( 50 , 100 , 150 , 250 )
self .label_output.setStyleSheet( "QLabel{border:1px solid black;}" )
self .label_output.setFont(QFont( "Roman times" , 100 , QFont.Bold))
self .label_output.setAlignment(Qt.AlignCenter)

'''
setFixedSize()固定了窗体的宽度与高度
self.center()将窗体居中显示
setWindowTitle()设置窗体的标题
'''
self .setFixedSize( 550 , 500 )
self .center()
self .setWindowTitle( '0-9手写体识别(机器学习中的"HelloWorld!")' )

def center ( self ) :
'''
窗口居中显示
'''
qt_center = self .frameGeometry()
desktop_center = QDesktopWidget().availableGeometry().center()
qt_center.moveCenter(desktop_center)
self .move(qt_center.topLeft())

def paintEvent ( self , event) :
'''
首先判断pos_xy列表中是不是至少有两个点了
然后将pos_xy中第一个点赋值给point_start
利用中间变量pos_tmp遍历整个pos_xy列表
point_end = pos_tmp

判断point_end是否是断点，如果是
point_start赋值为断点
continue
判断point_start是否是断点，如果是
point_start赋值为point_end
continue

画point_start到point_end之间的线
point_start = point_end
这样，不断地将相邻两个点之间画线，就能留下鼠标移动轨迹了
'''
painter = QPainter()
painter.begin( self )
pen = QPen(Qt.black, 2 , Qt.SolidLine)
painter.setPen(pen)

if len ( self .pos_xy) > 1 :
point_start = self .pos_xy[ 0 ]
for pos_tmp in self .pos_xy:
point_end = pos_tmp

if point_end == ( - 1 , - 1 ):
point_start = point_end
continue
if point_start == ( - 1 , - 1 ):
point_start = point_end
continue

painter.drawLine(point_start[ 0 ], point_start[ 1 ], point_end[ 0 ], point_end[ 1 ])
point_start = point_end
painter.end()

def mouseReleaseEvent ( self , event) :
'''
重写鼠标按住后松开的事件
在每次松开后向pos_xy列表中添加一个断点(-1, -1)
然后在绘画时判断一下是不是断点就行了
是断点的话就跳过去，不与之前的连续
'''
pos_test = ( - 1 , - 1 )
self .pos_xy.append(pos_test)

self .update()

def mouseMoveEvent ( self , event) :
'''
按住鼠标移动：将移动的点加入self.pos_xy列表
'''
#self.pos_x和self.pos_y总是比self.pos_xy少一到两个点，还不知道原因在哪
self .pos_x.append(event.pos().x())
self .pos_y.append(event.pos().y())

#中间变量pos_tmp提取当前点
pos_tmp = (event.pos().x(), event.pos().y())
#pos_tmp添加到self.pos_xy中
self .pos_xy.append(pos_tmp)

self .update()

def btn_learn_on_clicked ( self ) :
'''
需要用到数据库，因此在在子类中实现
'''
pass
def btn_recognize_on_clicked ( self ) :
'''
需要用到数据库，因此在在子类中实现
'''
pass

def btn_clear_on_clicked ( self ) :
'''
按下清屏按钮：
将列表赋值为空
将输出识别结果的标签赋值为空
然后刷新界面，重新绘画即可清屏
'''
self .pos_xy = []
self .pos_x = []
self .pos_y = []
self .label_output.setText( '' )
self .update()

def get_pos_xy ( self ) :
'''
将手写体在平面上分为9个格子
计算每个格子里点的数量
然后点的数量转化为占总点数的百分比
接着返回一个数组dim[9]
横轴依次是min_x、min2_x、max2_x、max_x
纵轴依次是min_y、min2_y、max2_y、max_y
'''
if not self .pos_xy:
return None

pos_count = len ( self .pos_x)
max_x = max ( self .pos_x)
max_y = max ( self .pos_y)
min_x =