Java学习笔记(八)：简单的窗体实现KNN手写体识别（借鉴）

柔情只为你懂 2022-03-20 08:00 84阅读 0赞

## 一、KNN手写识别原理 ##

在下图中，要判断绿色圆归属为哪个类（红三角形还是蓝四边形）  
如果K=3，因为红三角形占比例为2/3，所以绿色圆归属为红色三角形；  
如果K=5，因为蓝四边形比例为3/5，所以绿色圆被赋予蓝色四方形类。  
![在这里插入图片描述][20190211201601372.png]  
那么如何计算上图中各个图形距离绿圆的距离呢？KNN使用的是欧氏距离原理：（可以把图形当作一个点）计算两个点间的距离  
![在这里插入图片描述][2019021120181927.png]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2ODA0MzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
这个是二维的，如果是三维或者多维的欧氏距离：  
两个n维向量a(x1,x2,…,xn)与b(x1,x2,…,xn)间的欧式距离  
![在这里插入图片描述][20190211202342578.png]

## 二、基本思路 ##

1.  数字保存的画布大小用32×32的二维数组表示。

*  如下图中一个大方格相当于10×10的像素，一个大方格就是32×32的二维数组中的一个元素
 *  当画笔画到这个方格的区域时，就将这个方格以及周围的8个方格（上下左右，斜线）都标记为1(一开始我只标记一个，效果很差，要达到下图2效果)，其他没有划线部分初始化为0  
    ![图1][1]  
    ![图2][2]

1.  计算当前手写的和样本的欧式距离，按距离升序排序，取前K个。

*  从前K个排序好的距离中，取出出现频率最高的那个数字
 *  为了弥补KNN的误差，可以把与样本匹配到的数字（可能结果）都输出来，以供用户选择

1.  除以上的思路外，还可以自己添加训练集，提高识别准确率，增加一个保存的功能
2.  思维导图  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2ODA0MzYz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
    借鉴博客：[https://blog.csdn.net/weixin\_42621338/article/details/81989035][https_blog.csdn.net_weixin_42621338_article_details_81989035]  
    看效果（默认识别功能，可选择，写完数字后点击鼠标即可实现识别）  
    ![在这里插入图片描述][20190213164343201.gif]

## 三、附录代码 ##

*  目前代码还不是很完善，没有加入点击判断（是否写有数字）
 *  没有橡皮擦~ 简陋版就先这样，慢慢优化  
    用到两个文件操作：写入、读取。  
    写

public void out() throws IOException{
        
    		//创建文件名为：保存为数字+当前时间
    		File ins=new File("D:/learning/mydemo/Javaworkspace/rect/src/com/手写识别/"+number+'-'+System.currentTimeMillis());
    		//写入文件
    		FileWriter write=new FileWriter(ins);
    		for(int i=0;i<Area.arraySize;i++){
        
    			for(int j=0;j<Area.arraySize;j++){
        
    				write.write(draw[i][j]+"");
    			}
    		}
    		write.flush();
    		write.close();
    	}

读

public void in() throws IOException{
        
        	File file =new File ("D:/learning/mydemo/Javaworkspace/rect/src/com/手写识别/");
        	//得到该目录下的所有文件名
        	String[] filelist=file.list();
        	for(int i=0;i<filelist.length;i++){
        
        		FileReader readfile=new FileReader("D:/learning/mydemo/Javaworkspace/rect/src/com/手写识别/"+filelist[i]);
        		//读取文件，输入流读取返回int
        		int b=readfile.read();
        		for(int k=0;k<Area.arraySize;k++){
        
        			for(int j=0;j<Area.arraySize;j++){
        
        				//文章末为-1
        				if(b!=-1){
        
        					//从文件名中取出的数存入数组
        					getfile[k][j]=Integer.valueOf((char)b+"");
        					//读取下一个
        					b=readfile.read();
        				}
        				
        			}
        		}
        		//关闭文件
        		readfile.close();
        		//提取文件名首数字
        		int a =Integer.valueOf(filelist[i].substring(0, 1));
        	//	System.out.println("本次检查数字："+a);
        		//调用计算距离公式，得到的距离传给距离数组
        		setdistance(getfile,draw,a);
        	}
        }

显示窗体：

package com.Digital;
    
    import java.awt.Color;
    import java.awt.Dimension;
    import java.awt.FlowLayout;
    import java.awt.Graphics;
    import java.awt.TextArea;
    
    import javax.swing.JButton;
    import javax.swing.JComboBox;
    import javax.swing.JFrame;
    import javax.swing.JPanel;
    
    public class ShowUI {
        
    	/**
    	 * 主函数
    	 * @param argc
    	 */
    	public static void main(String [] argc){
        
    		ShowUI s=new ShowUI();
    		s.show();
    	}
    	/**
    	 * 显示窗体方法
    	 */
    	public void show(){
        
    		/*
    		 * 创建窗体步骤：
    		 * 1.设置窗体名字
    		 * 2.设置窗体大小
    		 * 3.设置窗体关闭方法
    		 * 4.设置窗体居中显示
    		 * 5.设置窗体布局
    		 * 6.设置窗体可见
    		 */
    		JFrame jf=new JFrame("手写识别");
    		jf.setSize(400, 480);
    		jf.setDefaultCloseOperation(3);
    		jf.setLocationRelativeTo(null);
    		jf.setLayout(new FlowLayout());//流式布局
    		
    		//添加功能按钮
    		JButton iden=new JButton("识别");
    		JButton train=new JButton("训练");
    		jf.add(iden);
    		jf.add(train);
    		//下拉框
    		String []number={
        "0","1","2","3","4","5","6","7","8","9"};
    		JComboBox<String> num=new JComboBox<String>(number);
    		jf.add(num);
    		//写字识别处
    		JPanel jpw=new JPanel();
    		jpw.setPreferredSize(new Dimension(Area.Size, Area.Size));
    		jpw.setBackground(Color.white);
    		jf.add(jpw);
    		//显示识别结果，用TextArea（自带滚动条），如果是JTextArea需要自行绑定滚动条
    		TextArea jps=new TextArea(2,30);
    		jps.setBackground(Color.white);
    		jf.add(jps);
    		
    		jf.setVisible(true);
    		//获取JPanel上的画笔
    		Graphics g=jpw.getGraphics();
    		//新建监听器，下面在各个组件上添加
    		Listener l=new Listener(g, jpw,jps);
    		iden.addActionListener(l);
    		train.addActionListener(l);
    		num.addItemListener(l);
    		jpw.addMouseListener(l);
    		jpw.addMouseMotionListener(l);
    	}
    	/**
    	 * 基本设计，画布大小
    	 * @author mo
    	 *
    	 */
    	public interface Area{
        
    		int Size=320;
    		int arraySize=32;
    		int K=3;
    	}
    }

监听器：

package com.Digital;
    
    import java.awt.BasicStroke;
    import java.awt.Graphics;
    import java.awt.Graphics2D;
    import java.awt.TextArea;
    import java.awt.event.ActionEvent;
    import java.awt.event.ActionListener;
    import java.awt.event.ItemEvent;
    import java.awt.event.ItemListener;
    import java.awt.event.MouseEvent;
    import java.awt.event.MouseListener;
    import java.awt.event.MouseMotionListener;
    import java.io.File;
    import java.io.FileReader;
    import java.io.FileWriter;
    import java.io.IOException;
    
    import javax.swing.JComboBox;
    import javax.swing.JPanel;
    import javax.swing.JTextArea;
    
    import com.Digital.ShowUI.Area;
    import com.MyArrayList.MyArrayList;
    
    public class Listener implements ActionListener,MouseMotionListener,MouseListener,ItemListener {
        
    	private int [][]draw=new int [Area.arraySize][Area.arraySize];//保存每一个位置的二维数组
    	private int [][]getfile=new int[Area.arraySize][Area.arraySize];
    	private int []count=new int[10];
    	private MyArrayList<Distance> distance=new MyArrayList<Distance>();
    	private Graphics2D g;
    	private int x1,y1;
    	private JPanel jp;
    	private TextArea jt;
    	private String name="识别";
    	private int number;
    	/**
    	 * 二维数组的初始化
    	 */
    	public void init(){
        
    		for(int i=0;i<Area.arraySize;i++){
        
    			for(int j=0;j<Area.arraySize;j++){
        
    				draw[i][j]=0;
    			}
    		}
    		int []c={
        0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};
    		count=c;
    		distance.clear();
    	}
    	/**
    	 * 构造传参
    	 * 画笔+画板
    	 * @param g
    	 * @param jp
    	 */
    	public Listener(Graphics g,JPanel jp,TextArea jt){
        
    		this.g=(Graphics2D) g;
    		this.g.setStroke(new BasicStroke(10.0f));
    		this.jp=jp;
    		this.jt=jt;
    	}
    	/**
    	 * 选择要识别的数字
    	 */
    	public void itemStateChanged(ItemEvent e){
        
    		number=Integer.parseInt((String)e.getItem());
    		System.out.println(number);
    		
    	}
    	/**
    	 * 选择模式
    	 */
    	public void actionPerformed(ActionEvent e){
        
    		if(e.getActionCommand().equals("识别"))
    			name="识别";
    		else if(e.getActionCommand().equals("训练")){
        
    			name="训练";
    			
    		}
    			
    	}
    	/**
    	 * 画曲线
    	 */
    	public void mouseDragged(MouseEvent e){
        
    		g.drawLine(x1, y1, e.getX(), e.getY());
    		//求二维数组下标
    		int index_x=x1/10;
    		int index_y=y1/10;
    		//用四舍五入的方法判断是落在哪个格子（点）中
    		if(x1%10>4)
    			index_x++;
    		if(y1%10>4)
    			index_y++;
    		for(int i=-1;i<2;i++){
        
    			if(index_x+i>=0&&index_x+i<Area.arraySize)
    				draw[index_y][index_x+i]=1;
    			if(index_y+i>=0&&index_y+i<Area.arraySize)
    				draw[index_y+i][index_x]=1;
    		}
    		x1=e.getX();
    		y1=e.getY();
    	}
    
        /**
         * Invoked when the mouse cursor has been moved onto a component
         * but no buttons have been pushed.
         */
        public void mouseMoved(MouseEvent e){
        }
        public void mouseClicked(MouseEvent e){
        
        	//输出记录的矩阵，检查是否符合预期
    //    	for(int i=0;i<Area.arraySize;i++){
        
    //    		for(int j=0;j<Area.arraySize;j++){
        
    //    			System.out.print(draw[i][j]);
    //    		}
    //    		System.out.println(" ");
    //    	}
    //    	System.out.println("_____________________________________________");
        	//if(e.getClickCount()==2){
        
        		//训练模式直接写入保存就可以
        		if(name.equals("训练")){
        
        			try{
        
        				out();
        			}catch(IOException e0){
        
        				e0.printStackTrace();
        			}
        		}
        		//识别模式
        		if(name.equals("识别")){
        
        			try{
        
        				//读取数据
        				in();
        			}catch(IOException e0){
        
        				e0.printStackTrace();
        			}
        			//（以上得到距离数组）根据距离排序
        		//	System.out.println(distance.getsize()+"大小");
        			for(int i=0;i<distance.getsize();i++){
        
        				for(int j=i;j<distance.getsize();j++){
        
        					if(distance.getObject(i).dis>distance.getObject(j).dis)
        						distance.swap(i, j);
        				}
        			}
        			//得出K个临近的数字出现的频率
        			for(int i=0;i<Area.K;i++){
        
        				for(int j=0;j<10;j++){
        
        				//	System.out.println("K计数的数字："+distance.getObject(i).number);
        					if(distance.getObject(i).number==j)
        						count[j]++;
        				}
        			}
        			int result=0,max=0;//得出最大频率的数字就是结果
        			for(int i=0;i<10;i++){
        
        			//	System.out.println("最大频率："+max);
        				if(max<count[i]){
        
        					max=count[i];
        					result=i;
        				}
        					
        			}
        			//不确定是否K个中只识别到一个数字，所以是可能
        			System.out.println("识别的数字是："+result);
        			jt.append("识别的数字可能为："+result);
        			//如果前K个数字中也识别到其他的数字，也把他们输出
        			for(int i=0;i<10;i++){
        
        				if(count[i]>0&&result!=i)
        					jt.append(" "+i);
        			}
        			jt.append("\n");
        		}
        		//本次操作结束，重绘且更新数组
        		jp.paint(g);
        		init();
        	//}
        }
    
        /**
         * Invoked when a mouse button has been pressed on a component.
         */
        public void mousePressed(MouseEvent e){
        
        	x1=e.getX();
        	y1=e.getY();
        }
    
        /**
         * Invoked when a mouse button has been released on a component.
         */
        public void mouseReleased(MouseEvent e){
        }
    
        /**
         * Invoked when the mouse enters a component.
         */
        public void mouseEntered(MouseEvent e){
        }
    
        /**
         * Invoked when the mouse exits a component.
         */
        public void mouseExited(MouseEvent e){
        }
        
        /*
         * 保存训练的数据
         */
        public void out() throws IOException{
        
    		//创建文件名为：保存为数字+当前时间
    		File ins=new File("D:/learning/mydemo/Javaworkspace/rect/src/com/手写识别/"+number+'-'+System.currentTimeMillis());
    		//写入文件
    		FileWriter write=new FileWriter(ins);
    		for(int i=0;i<Area.arraySize;i++){
        
    			for(int j=0;j<Area.arraySize;j++){
        
    				write.write(draw[i][j]+"");
    			}
    		}
    		write.flush();
    		write.close();
    	}
        /**
         * 读取数据
         */
        public void in() throws IOException{
        
        	File file =new File ("D:/learning/mydemo/Javaworkspace/rect/src/com/手写识别/");
        	//得到该目录下的所有文件名
        	String[] filelist=file.list();
        	for(int i=0;i<filelist.length;i++){
        
        		FileReader readfile=new FileReader("D:/learning/mydemo/Javaworkspace/rect/src/com/手写识别/"+filelist[i]);
        		//读取文件，输入流读取返回int
        		int b=readfile.read();
        		for(int k=0;k<Area.arraySize;k++){
        
        			for(int j=0;j<Area.arraySize;j++){
        
        				//文章末为-1
        				if(b!=-1){
        
        					//从文件名中取出的数存入数组
        					getfile[k][j]=Integer.valueOf((char)b+"");
        					//读取下一个
        					b=readfile.read();
        				}
        				
        			}
        		}
        		//关闭文件
        		readfile.close();
        		//提取文件名首数字
        		int a =Integer.valueOf(filelist[i].substring(0, 1));
        	//	System.out.println("本次检查数字："+a);
        		//调用计算距离公式，得到的距离传给距离数组
        		setdistance(getfile,draw,a);
        	}
        }
        /**
         * 计算当前写的数字与样本的欧式距离
         * @param a 32*32数组
         * @param b 32*32数组
         * @param n 数字
         */
        public void setdistance(int [][]a,int [][]b,int n){
        
        	int sum=0;
        	for(int i=0;i<Area.arraySize;i++){
        
        		for(int j=0;j<Area.arraySize;j++){
        
        			sum+=(int)Math.pow((double)(a[i][j]-b[i][j]), 2);
        		}
        	}
        	sum=(int)Math.sqrt((double)sum);
        	Distance d=new Distance(sum,n);
        	distance.add(d);
        //	System.out.println(n+"数字距离为："+sum);
        }
        /**
         * 内部保存距离的类
         * 有距离，数字，构造函数
         * @author mo
         *
         */
        class Distance{
        
        	public int dis;
        	public int number;
        	public Distance(int d,int n){
        
        		this.dis=d;
        		this.number=n;
        	}
        	public Distance(){
        }
        	
        }
    }

[20190211201601372.png]: /images/20220320/7658845036084a9a9db94dc8153a0b1e.png
[2019021120181927.png]: /images/20220320/91c2ef0cf3d8499ba309479cb99f7ea4.png
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