基于深度学习与 Web 技术的手写数字识别系统开发与应用研究

摘要：本课题以深度学习技术为基础，设计并实现了一套基于卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）的手写数字识别系统。系统采用经典的 MNIST 手写数字数据集作为训练数据，通过搭建多层卷积神经网络，实现对 0–9 十个数字类别的自动识别。模型结构包括多个卷积层、最大池化层、Dropout 随机失活层以及全连接层，并采用 Adam 优化器与交叉熵损失函数进行训练。通过 EarlyStopping 和 ReduceLROnPlateau 等回调机制有效防止过拟合、提升模型稳定性。

作者：Bob(原创)  运行和训练完整无错

版本：Tensorflow

项目概述

随着深度学习技术的发展，卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）在图像分类任务中取得了显著的成效。手写数字识别作为计算机视觉中的经典问题，广泛应用于邮政、金融、车牌识别等领域。本论文基于卷积神经网络，设计并实现了一种手写数字识别系统，该系统能够高效地识别手写数字，并通过 Web 应用提供实时预测服务。

在模型构建方面，本文选用 MNIST 数据集进行训练，采用了多个卷积层、池化层和全连接层的典型 CNN 架构。通过调整网络层数、学习率和正则化等超参数，最终实现了模型在测试集上的 99% 以上的准确率。为防止过拟合，模型训练过程中使用了 Dropout 层以及早停策略。模型训练完毕后，使用 Keras 框架保存为 .keras 格式，并通过 Flask Web 框架将模型部署为在线服务。

在系统实现方面，前端通过 HTML5 Canvas 技术实现用户的手写数字输入，利用 JavaScript 与后端进行通信，将用户输入的图像数据转换为符合模型要求的格式，并发送至服务器进行识别。后端使用 Flask 框架搭建 Web 服务，接收图像数据并调用训练好的模型进行预测，最后将识别结果以文本和图形化的概率条形式返回给用户。

实验结果表明，该系统能够准确、快速地识别用户书写的数字，并提供详细的分类概率信息，具有较强的实时性和交互性。该研究展示了深度学习技术在图像分类和 Web 应用中的有效应用，为手写数字识别的实际部署提供了参考。

系统设计

本系统基于卷积神经网络（CNN）和Flask框架，结合HTML5 Canvas技术实现前端手写数字输入，后端通过深度学习模型进行数字识别，并将结果通过Web界面实时反馈给用户。

图1 系统整体流程图

硬件配置

该系统硬件配置如上，如果您的电脑配置低于下述规格，运行速度可能会与本系统的存在差异，请注意。

表1 惠普(HP)暗影精灵10台式整机配置(系统硬件配置)

软件环境

对本实验所需的各类软件及工具的基本信息进行了清晰汇总。

表2 系统软件配置(真实运行环境)

运行展示

运行app.py

图2 主界面

图3 手写数字识别系统-0

图4 手写数字识别系统-1

图5 手写数字识别系统-2

图6 手写数字识别系统-3

图7 手写数字识别系统-4

图8 手写数字识别系统-5

图9 手写数字识别系统-6

图10 手写数字识别系统-7

图11 手写数字识别系统-8

图12 手写数字识别系统-9

运行train_model.py

图13 模型训练过程中的准确率与损失曲线

（1）模型的训练过程表现良好，验证集准确率和训练准确率几乎一致，验证集损失也在下降，表明模型具有良好的泛化能力。
（2）图表中的准确率和损失曲线展示了模型训练的收敛性，并证明了模型在测试集上能够达到高准确率，适用于实际的手写数字识别任务。

图14 训练过程总结与输出

性能：该模型在 MNIST 数据集上表现出色，最终测试集准确率高达 99.54%，已经达到了一个相当高的水平，符合手写数字识别任务的实际需求。

优化：模型中采用了 Dropout 来防止过拟合，结合了 EarlyStopping 来选择最优的训练轮次，表现出较强的鲁棒性。未来可以尝试更深的网络结构或其他优化技术（如 数据增强）来进一步提升准确率。

部署：该模型已经通过 Flask 框架部署为 Web 应用，可以通过浏览器界面实时识别用户手写的数字，适合于教学展示、实验验证等场景。