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学生管理系统<数组版> 书写一个学生管理系统,要求: 1、创建学生类,包含:属性:String name, int age 等 (方法不做要求) 2、创建一个20个空间的学生类型数组,用来存储学生对象 3、实现学生组数的:增、删、改、查、退出等操作。

时间: 2025-06-21 11:28:08 浏览: 11
学生管理系统(数组版本)可以按照以下步骤设计: 首先,我们需要定义一个简单的学生类,名为`Student`,它将包含姓名(name)和年龄(age)两个属性: ```java public class Student { private String name; private int age; public Student(String name, int age) { this.name = name; this.age = age; } // getter 和 setter 方法省略(如果需要的话) } ``` 接下来,我们创建一个大小固定的`Student[] studentsArray`,用于存储学生对象: ```java private static final int ARRAY_SIZE = 20; Student[] studentsArray = new Student[ARRAY_SIZE]; int currentIndex = 0; // 记录当前学生位置 // 添加学生到数组中(如果还有剩余空间) public void addStudent(Student student) { if (currentIndex < ARRAY_SIZE) { studentsArray[currentIndex++] = student; } else { System.out.println("学生数组已满,无法添加更多学生。"); } } // 删除学生 public boolean removeStudent(String name) { for (int i = 0; i < currentIndex; i++) { if (studentsArray[i].getName().equals(name)) { // 移除并更新索引 ArrayUtils.swap(studentsArray, i, currentIndex - 1); currentIndex--; return true; } } return false; // 找不到对应的学生 } // 修改学生信息 public void updateStudent(String oldName, String newName, int newAge) { for (int i = 0; i < currentIndex; i++) { if (studentsArray[i].getName().equals(oldName)) { studentsArray[i].setName(newName); studentsArray[i].setAge(newAge); return; } } System.out.println("找不到需要修改的学生。"); } // 查找学生 public Student findStudent(String name) { for (Student student : studentsArray) { if (student.getName().equals(name)) { return student; } } return null; // 如果没找到,则返回null } // 退出功能(这里只是一个简单示例,实际应用可能需要更复杂的逻辑处理) public void exit() { // 清空数组或其他资源释放操作 studentsArray = new Student[ARRAY_SIZE]; // 或者直接设置为初始状态 currentIndex = 0; } ``` 请注意,上述代码使用了一个假设存在的`ArrayUtils.swap`函数来辅助移除元素,这在真实的项目中通常需要自定义或使用现有的库来提供。
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课 程 设 计 任 务 书 1.本设计课题的目的和要求: 《计算机程序设计基础II》是软件工程专业学生的一门理论必修课,本次课程设计是《计算机程序设计基础II》课程的综合实验,作为课堂教学和课内正常上机实验的补充。 通过对《计算机程序设计基础II》课程的学习,学生已初步掌握C语言的基本概念、结构化程序设计的基本方法,但是实际编程和上机调试程序的能力还远远不足。通过《程序设计基础课程设计》课程,加强学生自主学习、收集资料和动手编程的能力,为后续专业课程打好基础。 本课程设计要求在教师指导下,学生根据选定的课题,综合运用所学程序设计的知识,完成问题分析、模块设计、代码编写、程序调试和运行等训练任务。 通过课程设计,初步锻炼运用所学基础知识解决实际问题的能力,掌握软件开发的基本过程和基本方法以及良好的编程风格,培养在软件开发中相互合作的团队意识。 2.本设计课题的技术要求与数据: (一)技术要求: 应用Visual C++6.0或者DevCpp开发环境,应用C语言编程实现系统。 (二)课程设计的功能要求: 至少应编程实现以下功能: 信息录入功能; 信息查询; 信息删除与修改; 信息保存:将相关信息保存于文件中。 (三)总体设计要求 1、设计主要内容包括: [问题定义] 描述选定的题目内容以及实际完成的软件功能; [数据结构] 此部分要求说明用来表示题目中数据的数据结构; 如: struct student stu[MAXNUM]; stu数组用来表示一个最多12个人队列; m[2]:表示第二个人是否在队中,其取值为1表示在队列中,为0表示已出列,不在队列中; [算法描述] 此部分要求写出主要算法的基本思想以及程序中模块的划分原则,程序各模块之间的调用关系,画出系统模块结构图;可用伪代码语言或者程序流程图的方式来说明各模块代码的基本思想。 [程序调试情况] 此部分说明上机调试时碰到的问题及解决方法。 [心得及体会] 此部分说明通过本次课程设计所得的收获及体会。 [参考文献或网站] 有则说明,无可省略。 2、设计要求: (1)使用VC++6.0或者devc++等集成开发环境。 (2)采用C程序设计语言,源程序要有适当的注释,使程序容易阅读。 (3)要求利用结构化程序设计方法以及C的编程思想来完成系统的设计。 (4)要求有菜单、文件操作,数据使用数组、结构体、链表等均可,键盘操作或鼠标操作均可。 (5)模块化程序设计:要求在设计的过程中,按功能定义函数或书写多个文件,进行模块化设计,各个功能模块用函数的形式来实现。 (6)在系统设计中要分析系统需要存储和处理的数据及其之间的关系,将查找和排序的算法独立出来形成为单独的函数。 (7)界面友好(要有良好的人机交互),加必要的注释; (8)所选课题必须上机通过,并获得满意的结果。 (9)程序一定要经得起测试,宁可功能少一些,也要能运行起来,不能运行的程序是没有价值的。如果有数据交互的地方,要求对用户输入的数据都进行有效性验证,以保证程序的正常运行。 课 程 设 计 任 务 书 3.对本设计课题成果的要求〔包括图纸、论文、图表、实物等〕: 本次课程设计要求每个程序要调试通过;课程设计结束后,每个人提交课程设计成果如下: (1)程序一套,要求演示,演示时采用答辩形式,由各位同学边演示边讲解编程思路。 (2)课程设计报告一份(包括设计感受,期间遇到的问题,以及怎样解决的方法,还有本次课程设计的不足之处和对系统改进的方案,和主要模块的流程图和程序代码),报告中可不包括源代码。 (3)源代码以电子版形式提交,提交的源代码要求加注释。 (4)设计报告在指导教师审阅通过之后,上交电子版。 4.主要参考文献资料: 1、《C语言程序设计案例教程》.宋传磊主编.人民邮电出版社.2024.9 2、《C语言开发从入门到精通》. 王长青 韩海玲 编. 人民邮电出版社.2018.10 3、《C程序设计教程(第5版)》.李红豫主编.清华大学出版社.2019.6 按照上面的格式及其要求,运用大一学习的c语言知识写出以”学生会日常事务管理系统设计与实现 ”为主题的程序设计

课程设计与要求: 实验18 手写数字识别程序设计与实现 实验类型:设计性实验 实验学时:8 涉及的知识点:SVM、决策树、随机森林、XGBoost和LightGBM机器学习算法的综合应用 一、 实验目的 1、 了解机器学习算法应用项目设计流程与基本方法。 2、 掌握SVM应用设计与K折交叉验证法获得测试数据。 3、 熟悉两种以上不同类型机器学习算法及应用。 4、 掌握各类机器学习算法的区别、优缺点;会应用网格搜索选择最优超参数。 5、 掌握分类任务的性能指标评价方法。 二、 实验要求 1、 使用anaconda集成开发环境完成课程设计,代码的可维护性好,有必要的注释和相应的文档。 2、 能够识别符合分辨率要求的手写数字。 3、 构建不同模型实现手写数字分类识别,至少要对比两种方法,如决策树、支持向量机、随机森林、XGBoost和LightGBM等。对比不同模型的分类性能报告,评价模型好坏。 4、 数据集采用sklearn.datasets中的digits,测试集数据可以用自己手写产生或者从digits中拆分。 三、 设计指标 1、 完整的设计文档 1) 系统的需求分析 2) 系统的概要设计 3) 详细设计与实现 4) 系统测试方法 2、 运行画面截图 3、 每一部分附上关键性代码 4、 项目总结 四、 预习与参考 1、 教材有关决策树、SVM(支持向量机)、随机森林、XGBoost和LightGBM有关章节。 2、 课程PPT有关内容。 3、 中国知网有关手写数字识别的文献资料。 五、 考核形式 根据提交的设计文档完成程度以及程序功能的实现情况(要求演示)进行考核:  无任何文档,无程序,得 0 分;  文档描述不清楚,思路混乱,程序不能运行,2分;  文档描述清晰,程序实现了基本功能,3.5分;  文档描述清晰准确,思路清晰,程序实现了要求的所有功能,4. 5分;  文档完备,设计合理有创新,报告清晰明确,深入分析了自己进行实验的体会感想,程序实现了全部功能,功能完善,并有其它的创新实现,5分。 六、 实验报告要求 1、 实验目的结合自己个人的实际情况书写,不要雷同。 2、 项目概要设计说明书(描述软件系统架构、逻辑架构、物理架构、部署结构、功能架构及关键技术,关键业务模块需通过UML图进行详细描述)、需求规格说明书(包括功能设计、非功能性设计、系统用例)。 3、 项目设计运行截图。 代码程序: # ======================== # 导入必要的库 # ======================== import numpy as np # 数值计算库 import matplotlib.pyplot as plt # 绘图库 import pandas as pd # 数据处理库 import tkinter as tk # GUI库 from tkinter import ttk, filedialog, messagebox # GUI组件 from PIL import Image, ImageDraw # 图像处理库 import cv2 # 计算机视觉库 import os # 操作系统接口 import csv # CSV文件处理 from sklearn.datasets import load_digits # 加载数字数据集 from sklearn.model_selection import train_test_split # 数据集划分 from sklearn.svm import SVC # 支持向量机模型 from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier # 决策树模型 from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier # 随机森林模型 from sklearn.neural_network import MLPClassifier # 多层感知机模型 from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier # K近邻模型 from sklearn.naive_bayes import GaussianNB # 朴素贝叶斯模型 from sklearn.metrics import accuracy_score # 准确率评估 from sklearn.preprocessing import StandardScaler # 数据标准化 # 设置中文字体和负号显示(解决中文乱码问题) plt.rcParams["font.family"] = ["SimHei", "Microsoft YaHei"] plt.rcParams["axes.unicode_minus"] = False # ======================== # 尝试导入可选模型库 # ======================== XGB_INSTALLED = False # 标记XGBoost是否安装 LGB_INSTALLED = False # 标记LightGBM是否安装 try: import xgboost as xgb # XGBoost模型 XGB_INSTALLED = True except ImportError: print("警告: 未安装XGBoost库,无法使用XGBoost模型") try: import lightgbm as lgb # LightGBM模型 LGB_INSTALLED = True except ImportError: print("警告: 未安装LightGBM库,无法使用LightGBM模型") # ======================== # 模型配置 # ======================== # 定义模型元数据(包含模型名称、类、标准化器和参数) MODEL_METADATA = { 'svm': ('支持向量机(SVM)', SVC, StandardScaler, {'probability': True, 'random_state': 42}), 'dt': ('决策树(DT)', DecisionTreeClassifier, None, {'random_state': 42}), 'rf': ('随机森林(RF)', RandomForestClassifier, None, {'n_estimators': 100, 'random_state': 42}), 'mlp': ('多层感知机(MLP)', MLPClassifier, StandardScaler, {'hidden_layer_sizes': (100, 50), 'max_iter': 500, 'random_state': 42}), 'knn': ('K最近邻(KNN)', KNeighborsClassifier, StandardScaler, {'n_neighbors': 5, 'weights': 'distance'}), 'nb': ('高斯朴素贝叶斯(NB)', GaussianNB, None, {}), } # 添加可选模型(如果已安装) if XGB_INSTALLED: MODEL_METADATA['xgb'] = ('XGBoost(XGB)', xgb.XGBClassifier, None, {'objective': 'multi:softmax', 'random_state': 42}) if LGB_INSTALLED: MODEL_METADATA['lgb'] = ('LightGBM(LGB)', lgb.LGBMClassifier, None, { 'objective': 'multiclass', 'random_state': 42, 'num_class': 10, 'max_depth': 5, 'min_child_samples': 10, 'learning_rate': 0.1, 'force_col_wise': True }) # ======================== # 模型工厂类 - 负责模型创建、训练和评估 # ======================== class ModelFactory: @staticmethod def get_split_data(digits_dataset): """数据集划分""" X, y = digits_dataset.data, digits_dataset.target # 获取特征和标签 # 划分训练集和测试集(70%训练,30%测试) return train_test_split(X, y, test_size=0.3, random_state=42) @classmethod def create_model(cls, model_type): """创建模型和数据标准化器""" # 检查模型类型是否有效 if model_type not in MODEL_METADATA: raise ValueError(f"未知模型类型: {model_type}") # 从配置中获取模型信息 name, model_cls, scaler_cls, params = MODEL_METADATA[model_type] # 创建模型实例和标准化器 model = model_cls(**params) scaler = scaler_cls() if scaler_cls else None return model, scaler @staticmethod def train_model(model, X_train, y_train, scaler=None, model_type=None): """训练模型""" # 数据标准化处理 if scaler: X_train = scaler.fit_transform(X_train) # LightGBM特殊处理(需要DataFrame格式) if model_type == 'lgb' and isinstance(X_train, np.ndarray): X_train = pd.DataFrame(X_train) # 训练模型 model.fit(X_train, y_train) return model @staticmethod def evaluate_model(model, X_test, y_test, scaler=None, model_type=None): """评估模型""" # 数据标准化处理 if scaler: X_test = scaler.transform(X_test) # LightGBM特殊处理 if model_type == 'lgb' and isinstance(X_test, np.ndarray) and hasattr(model, 'feature_name_'): X_test = pd.DataFrame(X_test, columns=model.feature_name_) # 预测并计算准确率 y_pred = model.predict(X_test) return accuracy_score(y_test, y_pred) @classmethod def train_and_evaluate(cls, model_type, X_train, y_train, X_test, y_test): """训练并评估模型""" try: # 创建模型 model, scaler = cls.create_model(model_type) # 训练模型 model = cls.train_model(model, X_train, y_train, scaler, model_type) # 评估模型 accuracy = cls.evaluate_model(model, X_test, y_test, scaler, model_type) return model, scaler, accuracy except Exception as e: print(f"模型 {model_type} 训练/评估错误: {str(e)}") raise @classmethod def evaluate_all_models(cls, digits_dataset): """评估所有可用模型""" print("\n=== 模型评估 ===") # 划分数据集 X_train, X_test, y_train, y_test = cls.get_split_data(digits_dataset) results = [] # 存储结果 # 遍历所有模型 for model_type in MODEL_METADATA: name = MODEL_METADATA[model_type][0] print(f"评估模型: {name} ({model_type})") # 检查模型是否可用 if not MODEL_METADATA[model_type][1]: results.append({"模型名称": name, "准确率": "N/A"}) continue try: # 训练并评估模型 _, _, accuracy = cls.train_and_evaluate( model_type, X_train, y_train, X_test, y_test ) results.append({"模型名称": name, "准确率": f"{accuracy:.4f}"}) except Exception as e: results.append({"模型名称": name, "准确率": f"错误: {str(e)}"}) # 按准确率排序 results.sort( key=lambda x: float(x["准确率"]) if isinstance(x["准确率"], str) and x["准确率"].replace('.', '', 1).isdigit() else -1, reverse=True ) # 打印结果 print(pd.DataFrame(results)) return results # ======================== # 手写板类 - GUI界面和绘图功能 # ======================== class HandwritingBoard: CANVAS_SIZE = 300 # 固定画布尺寸 BRUSH_SIZE = 12 # 画笔大小 def __init__(self, root, model_factory, digits): # 初始化主窗口 self.root = root self.root.title("手写数字识别系统") self.root.geometry("1000x700") # 设置窗口大小 # 模型和数据相关 self.model_factory = model_factory # 模型工厂 self.digits = digits # 数字数据集 self.model_cache = {} # 模型缓存(提高切换速度) self.current_model = None # 当前使用的模型 self.scaler = None # 数据标准化器 self.current_model_type = None # 当前模型类型 self.has_drawn = False # 标记是否已绘制数字 self.custom_data = [] # 存储自定义训练数据 # 绘图相关状态 self.drawing = False # 是否正在绘制 self.last_x = self.last_y = 0 # 上次绘制位置 # 创建自定义数据目录 self.data_dir = "custom_digits_data" os.makedirs(self.data_dir, exist_ok=True) # 初始化画布(PIL图像) self.image = Image.new("L", (self.CANVAS_SIZE, self.CANVAS_SIZE), 255) # 创建白色背景图像 self.draw_obj = ImageDraw.Draw(self.image) # 创建绘图对象 # 创建界面组件 self.create_widgets() # 初始化默认模型 self.init_default_model() def create_widgets(self): """创建界面组件""" # 创建主框架 main_frame = tk.Frame(self.root) main_frame.pack(fill=tk.BOTH, expand=True, padx=10, pady=10) # 1. 模型选择区域 model_frame = tk.LabelFrame(main_frame, text="模型选择", font=("Arial", 10, "bold")) model_frame.grid(row=0, column=0, columnspan=2, sticky="ew", padx=5, pady=5) model_frame.grid_columnconfigure(1, weight=1) # 让模型标签可以扩展 # 模型选择标签 tk.Label(model_frame, text="选择模型:", font=("Arial", 10)).grid(row=0, column=0, padx=5, pady=5, sticky="w") # 获取可用模型列表 self.available_models = [] for model_type, (name, _, _, _) in MODEL_METADATA.items(): if MODEL_METADATA[model_type][1]: self.available_models.append((model_type, name)) # 模型选择下拉框 self.model_var = tk.StringVar() self.model_combobox = ttk.Combobox( model_frame, textvariable=self.model_var, values=[name for _, name in self.available_models], state="readonly", width=25, font=("Arial", 10) ) self.model_combobox.current(0) # 设置默认选项 self.model_combobox.bind("<<ComboboxSelected>>", self.on_model_select) # 绑定选择事件 self.model_combobox.grid(row=0, column=1, padx=5, pady=5, sticky="ew") # 模型信息标签(显示准确率) self.model_label = tk.Label( model_frame, text="", font=("Arial", 10), relief=tk.SUNKEN, padx=5, pady=2 ) self.model_label.grid(row=0, column=2, padx=5, pady=5, sticky="ew") # 2. 左侧绘图区域和右侧结果区域 # 左侧绘图区域 left_frame = tk.LabelFrame(main_frame, text="绘制区域", font=("Arial", 10, "bold")) left_frame.grid(row=1, column=0, padx=5, pady=5, sticky="nsew") # 绘图画布 self.canvas = tk.Canvas(left_frame, bg="white", width=self.CANVAS_SIZE, height=self.CANVAS_SIZE) self.canvas.pack(padx=10, pady=10) # 绑定绘图事件 self.canvas.bind("<Button-1>", self.start_draw) # 鼠标按下 self.canvas.bind("<B1-Motion>", self.draw) # 鼠标拖动 self.canvas.bind("<ButtonRelease-1>", self.stop_draw) # 鼠标释放 # 添加绘制提示 self.canvas.create_text( self.CANVAS_SIZE / 2, self.CANVAS_SIZE / 2, text="绘制数字", fill="gray", font=("Arial", 16) ) # 绘图控制按钮 btn_frame = tk.Frame(left_frame) btn_frame.pack(fill=tk.X, pady=(0, 10)) # 功能按钮 tk.Button(btn_frame, text="识别", command=self.recognize, width=8).pack(side=tk.LEFT, padx=5) tk.Button(btn_frame, text="清除", command=self.clear_canvas, width=8).pack(side=tk.LEFT, padx=5) tk.Button(btn_frame, text="样本", command=self.show_samples, width=8).pack(side=tk.LEFT, padx=5) # 右侧结果区域 right_frame = tk.Frame(main_frame) right_frame.grid(row=1, column=1, padx=5, pady=5, sticky="nsew") # 2.1 识别结果区域 result_frame = tk.LabelFrame(right_frame, text="识别结果", font=("Arial", 10, "bold")) result_frame.pack(fill=tk.X, padx=5, pady=5) # 结果显示标签 self.result_label = tk.Label( result_frame, text="请绘制数字", font=("Arial", 24), pady=10 ) self.result_label.pack() # 置信度显示标签 self.prob_label = tk.Label( result_frame, text="", font=("Arial", 12) ) self.prob_label.pack() # 2.2 置信度可视化区域 confidence_frame = tk.LabelFrame(right_frame, text="识别置信度", font=("Arial", 10, "bold")) confidence_frame.pack(fill=tk.X, padx=5, pady=5) # 置信度画布(条形图) self.confidence_canvas = tk.Canvas( confidence_frame, bg="white", height=50 ) self.confidence_canvas.pack(fill=tk.X, padx=10, pady=10) self.confidence_canvas.create_text( 150, 25, text="识别后显示置信度", fill="gray", font=("Arial", 10) ) # 2.3 候选数字区域 candidates_frame = tk.LabelFrame(right_frame, text="可能的数字", font=("Arial", 10, "bold")) candidates_frame.pack(fill=tk.X, padx=5, pady=5) # 候选数字表格 columns = ("数字", "概率") self.candidates_tree = ttk.Treeview( candidates_frame, columns=columns, show="headings", height=4 ) # 配置表格列 for col in columns: self.candidates_tree.heading(col, text=col) self.candidates_tree.column(col, width=80, anchor=tk.CENTER) # 添加滚动条 scrollbar = ttk.Scrollbar( candidates_frame, orient=tk.VERTICAL, command=self.candidates_tree.yview ) self.candidates_tree.configure(yscroll=scrollbar.set) self.candidates_tree.pack(side=tk.LEFT, fill=tk.BOTH, expand=True, padx=5, pady=5) scrollbar.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y, padx=5, pady=5) # 3. 模型性能对比和训练集管理区域 # 3.1 模型性能对比区域 performance_frame = tk.LabelFrame(main_frame, text="模型性能对比", font=("Arial", 10, "bold")) performance_frame.grid(row=2, column=0, padx=5, pady=5, sticky="nsew") # 性能表格 columns = ("模型名称", "准确率") self.performance_tree = ttk.Treeview( performance_frame, columns=columns, show="headings", height=8 ) # 配置表格列 for col in columns: self.performance_tree.heading(col, text=col) self.performance_tree.column(col, width=120, anchor=tk.CENTER) # 添加滚动条 scrollbar = ttk.Scrollbar( performance_frame, orient=tk.VERTICAL, command=self.performance_tree.yview ) self.performance_tree.configure(yscroll=scrollbar.set) self.performance_tree.pack(side=tk.LEFT, fill=tk.BOTH, expand=True, padx=5, pady=5) scrollbar.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y, padx=5, pady=5) # 3.2 训练集管理区域 train_frame = tk.LabelFrame(main_frame, text="训练集管理", font=("Arial", 10, "bold")) train_frame.grid(row=2, column=1, padx=5, pady=5, sticky="nsew") # 训练集管理按钮 tk.Button( train_frame, text="保存为训练样本", command=self.save_as_training_sample, width=18, height=2 ).grid(row=0, column=0, padx=5, pady=5, sticky="ew") tk.Button( train_frame, text="保存全部训练集", command=self.save_all_training_data, width=18, height=2 ).grid(row=0, column=1, padx=5, pady=5, sticky="ew") tk.Button( train_frame, text="加载训练集", command=self.load_training_data, width=18, height=2 ).grid(row=1, column=0, padx=5, pady=5, sticky="ew") tk.Button( train_frame, text="性能图表", command=self.show_performance_chart, width=18, height=2 ).grid(row=1, column=1, padx=5, pady=5, sticky="ew") # 4. 状态栏 self.status_var = tk.StringVar(value="就绪") status_bar = tk.Label( self.root, textvariable=self.status_var, bd=1, relief=tk.SUNKEN, anchor=tk.W, font=("Arial", 10) ) status_bar.pack(side=tk.BOTTOM, fill=tk.X) # 配置布局权重 main_frame.grid_columnconfigure(0, weight=1) main_frame.grid_columnconfigure(1, weight=1) main_frame.grid_rowconfigure(1, weight=1) main_frame.grid_rowconfigure(2, weight=1) # ======================== # 绘图功能 # ======================== def start_draw(self, event): """开始绘制""" self.drawing = True self.last_x, self.last_y = event.x, event.y def draw(self, event): """绘制""" if not self.drawing: return x, y = event.x, event.y # 在画布上绘制 self.canvas.create_line( self.last_x, self.last_y, x, y, fill="black", width=self.BRUSH_SIZE, capstyle=tk.ROUND, smooth=True ) # 在图像上绘制(用于后续处理) self.draw_obj.line( [self.last_x, self.last_y, x, y], fill=0, # 黑色 width=self.BRUSH_SIZE ) # 更新位置 self.last_x, self.last_y = x, y def stop_draw(self, event): """停止绘制""" self.drawing = False self.has_drawn = True self.status_var.set("已绘制数字,点击'识别'进行识别") def clear_canvas(self): """清除画布""" # 清除画布内容 self.canvas.delete("all") # 重置图像 self.image = Image.new("L", (self.CANVAS_SIZE, self.CANVAS_SIZE), 255) # 白色背景 self.draw_obj = ImageDraw.Draw(self.image) # 添加绘制提示 self.canvas.create_text( self.CANVAS_SIZE / 2, self.CANVAS_SIZE / 2, text="绘制数字", fill="gray", font=("Arial", 16) ) # 重置结果显示 self.result_label.config(text="请绘制数字") self.prob_label.config(text="") self.clear_confidence_display() self.has_drawn = False self.status_var.set("画布已清除") def clear_confidence_display(self): """清除置信度显示""" self.confidence_canvas.delete("all") self.confidence_canvas.create_text( 150, 25, text="识别后显示置信度", fill="gray", font=("Arial", 10) ) # 清空候选数字表格 for item in self.candidates_tree.get_children(): self.candidates_tree.delete(item) # ======================== # 图像处理功能 # ======================== def preprocess_image(self): """预处理手写数字图像""" # 将PIL图像转换为NumPy数组 img_array = np.array(self.image) # 1. 高斯模糊降噪 img_array = cv2.GaussianBlur(img_array, (5, 5), 0) # 2. 二值化(转换为黑白图像) _, img_array = cv2.threshold(img_array, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY_INV) # 3. 轮廓检测(查找数字轮廓) contours, _ = cv2.findContours(img_array, cv2.RETR_EXTERNAL, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE) if not contours: self.status_var.set("未检测到有效数字,请重新绘制") return None # 4. 找到最大轮廓(即数字部分) c = max(contours, key=cv2.contourArea) x, y, w, h = cv2.boundingRect(c) # 5. 提取数字区域 digit = img_array[y:y+h, x:x+w] # 6. 填充为正方形(保持长宽比) size = max(w, h) padded = np.ones((size, size), dtype=np.uint8) * 255 # 白色背景 offset_x = (size - w) // 2 offset_y = (size - h) // 2 padded[offset_y:offset_y+h, offset_x:offset_x+w] = digit # 7. 缩放为8x8(匹配MNIST数据集格式) resized = cv2.resize(padded, (8, 8), interpolation=cv2.INTER_AREA) # 8. 归一化(将像素值从0-255映射到0-16) normalized = 16 - (resized / 255 * 16).astype(np.uint8) # 9. 展平为一维数组(64个特征) return normalized.flatten() # ======================== # 识别功能 # ======================== def recognize(self): """识别手写数字""" # 检查是否已绘制数字 if not self.has_drawn: self.status_var.set("请先绘制数字再识别") return # 检查模型是否已加载 if self.current_model is None: self.status_var.set("模型未加载,请选择模型") return # 预处理图像 img_array = self.preprocess_image() if img_array is None: return # 重塑为模型输入格式(1个样本,64个特征) img_input = img_array.reshape(1, -1) try: # 数据标准化 if self.scaler: img_input = self.scaler.transform(img_input) # LightGBM特殊处理(需要DataFrame格式) if self.current_model_type == 'lgb' and hasattr(self.current_model, 'feature_name_'): img_input = pd.DataFrame(img_input, columns=self.current_model.feature_name_) # 预测数字 pred = self.current_model.predict(img_input)[0] self.result_label.config(text=f"识别结果: {pred}") # 概率预测(如果模型支持) if hasattr(self.current_model, 'predict_proba'): probs = self.current_model.predict_proba(img_input)[0] confidence = probs[pred] # 预测结果的置信度 # 更新UI self.prob_label.config(text=f"置信度: {confidence:.2%}") self.update_confidence_display(confidence) # 更新置信度可视化 # 显示候选数字(概率最高的3个) top3 = sorted(enumerate(probs), key=lambda x: -x[1])[:3] self.update_candidates_display(top3) else: self.prob_label.config(text="该模型不支持概率输出") self.clear_confidence_display() self.status_var.set(f"识别完成: 数字 {pred}") except Exception as e: self.status_var.set(f"识别错误: {str(e)}") self.clear_confidence_display() # ======================== # UI更新功能 # ======================== def update_confidence_display(self, confidence): """更新置信度可视化""" self.confidence_canvas.delete("all") # 获取画布宽度 canvas_width = self.confidence_canvas.winfo_width() or 300 # 绘制背景 self.confidence_canvas.create_rectangle( 10, 10, canvas_width - 10, 40, fill="#f0f0f0", outline="#cccccc" ) # 绘制置信度条(根据置信度值) bar_width = int((canvas_width - 20) * confidence) color = self.get_confidence_color(confidence) # 根据置信度选择颜色 self.confidence_canvas.create_rectangle( 10, 10, 10 + bar_width, 40, fill=color, outline="" ) # 绘制文本(显示百分比) self.confidence_canvas.create_text( canvas_width / 2, 25, text=f"{confidence:.1%}", font=("Arial", 10, "bold") ) # 绘制刻度 for i in range(0, 11): x_pos = 10 + i * (canvas_width - 20) / 10 self.confidence_canvas.create_line(x_pos, 40, x_pos, 45, width=1) if i % 2 == 0: self.confidence_canvas.create_text(x_pos, 55, text=f"{i*10}%", font=("Arial", 8)) def get_confidence_color(self, confidence): """根据置信度获取颜色""" # 高置信度:绿色 if confidence >= 0.9: return "#4CAF50" # 中等置信度:黄色 elif confidence >= 0.7: return "#FFC107" # 低置信度:红色 else: return "#F44336" def update_candidates_display(self, candidates): """更新候选数字显示""" # 清空现有项 for item in self.candidates_tree.get_children(): self.candidates_tree.delete(item) # 添加新项(候选数字及其概率) for digit, prob in candidates: self.candidates_tree.insert( "", tk.END, values=(digit, f"{prob:.2%}") ) # ======================== # 样本显示功能 # ======================== def show_samples(self): """显示样本图像""" plt.figure(figsize=(10, 4)) # 显示0-9每个数字的一个样本 for i in range(10): plt.subplot(2, 5, i+1) sample_idx = np.where(self.digits.target == i)[0][0] plt.imshow(self.digits.images[sample_idx], cmap="gray") plt.title(f"数字 {i}", fontsize=9) plt.axis("off") plt.tight_layout() plt.show() # ======================== # 模型管理功能 # ======================== def on_model_select(self, event): """模型选择事件处理""" # 获取选中的模型名称 selected_name = self.model_var.get() # 查找对应的模型类型 model_type = next( (k for k, v in self.available_models if v == selected_name), None ) if model_type: # 切换模型 self.change_model(model_type) def change_model(self, model_type): """切换模型""" model_name = MODEL_METADATA[model_type][0] # 尝试从缓存加载模型 if model_type in self.model_cache: self.current_model, self.scaler, accuracy, self.current_model_type = self.model_cache[model_type] self.model_label.config(text=f"{model_name} (准确率:{accuracy:.4f})") self.status_var.set(f"已加载模型: {model_name}") return # 加载新模型 self.status_var.set(f"正在加载模型: {model_name}...") self.root.update() # 更新UI显示状态 try: # 获取数据集 X_train, X_test, y_train, y_test = self.model_factory.get_split_data(self.digits) # 训练并评估模型 self.current_model, self.scaler, accuracy = self.model_factory.train_and_evaluate( model_type, X_train, y_train, X_test, y_test ) # 缓存模型 self.current_model_type = model_type self.model_cache[model_type] = (self.current_model, self.scaler, accuracy, self.current_model_type) # 更新UI self.model_label.config(text=f"{model_name} (准确率:{accuracy:.4f})") self.status_var.set(f"模型加载完成: {model_name}, 准确率: {accuracy:.4f}") self.clear_canvas() # 更新性能表格 self.load_performance_data() except Exception as e: self.status_var.set(f"模型加载失败: {str(e)}") self.model_label.config(text="模型加载失败") def init_default_model(self): """初始化默认模型""" # 设置默认模型并加载 self.model_var.set(self.available_models[0][1]) self.change_model(self.available_models[0][0]) def load_performance_data(self): """加载性能数据""" # 评估所有模型 results = self.model_factory.evaluate_all_models(self.digits) # 清空表格 for item in self.performance_tree.get_children(): self.performance_tree.delete(item) # 添加数据到表格 for i, result in enumerate(results): tag = "highlight" if i == 0 else "" # 高亮显示性能最好的模型 self.performance_tree.insert( "", tk.END, values=(result["模型名称"], result["准确率"]), tags=(tag,) ) # 配置高亮样式 self.performance_tree.tag_configure("highlight", background="#e6f7ff") # ======================== # 性能可视化功能 # ======================== def show_performance_chart(self): """显示性能图表""" # 获取性能数据 results = self.model_factory.evaluate_all_models(self.digits) # 提取有效结果(过滤掉错误数据) valid_results = [] for result in results: try: accuracy = float(result["准确率"]) valid_results.append((result["模型名称"], accuracy)) except ValueError: continue if not valid_results: messagebox.showinfo("提示", "没有可用的性能数据") return # 按准确率排序 valid_results.sort(key=lambda x: x[1], reverse=True) models, accuracies = zip(*valid_results) # 创建水平条形图 plt.figure(figsize=(10, 5)) bars = plt.barh(models, accuracies, color='#2196F3') plt.xlabel('准确率', fontsize=10) plt.ylabel('模型', fontsize=10) plt.title('模型性能对比', fontsize=12) plt.xlim(0, 1.05) # 设置X轴范围 # 添加数值标签 for bar in bars: width = bar.get_width() plt.text( width + 0.01, bar.get_y() + bar.get_height()/2, f'{width:.4f}', ha='left', va='center', fontsize=8 ) plt.tight_layout() plt.show() # ======================== # 训练集管理功能 # ======================== def save_as_training_sample(self): """保存为训练样本""" # 检查是否已绘制数字 if not self.has_drawn: self.status_var.set("请先绘制数字再保存") return # 预处理图像 img_array = self.preprocess_image() if img_array is None: return # 弹出标签输入窗口 label_window = tk.Toplevel(self.root) label_window.title("输入标签") label_window.geometry("300x150") label_window.transient(self.root) label_window.grab_set() # 模态窗口 # 标签输入提示 tk.Label( label_window, text="请输入数字标签 (0-9):", font=("Arial", 10) ).pack(pady=10) # 输入框 entry = tk.Entry(label_window, font=("Arial", 12), width=5) entry.pack(pady=5) entry.focus_set() def save_with_label(): """保存带标签的样本""" try: # 验证标签 label = int(entry.get()) if label < 0 or label > 9: raise ValueError("标签必须是0-9的数字") # 添加到自定义数据集 self.custom_data.append((img_array.tolist(), label)) self.status_var.set(f"已保存数字 {label} (共 {len(self.custom_data)} 个样本)") label_window.destroy() except ValueError as e: self.status_var.set(f"保存错误: {str(e)}") # 保存按钮 tk.Button( label_window, text="保存", command=save_with_label, width=10 ).pack(pady=5) def save_all_training_data(self): """保存全部训练数据""" # 检查是否有数据可保存 if not self.custom_data: self.status_var.set("没有训练数据可保存") return # 弹出文件保存对话框 file_path = filedialog.asksaveasfilename( defaultextension=".csv", filetypes=[("CSV文件", "*.csv")], initialfile="custom_digits.csv", title="保存训练集" ) if not file_path: return try: # 写入CSV文件 with open(file_path, 'w', newline='', encoding='utf-8') as f: writer = csv.writer(f) # 写入表头(64个像素+标签) writer.writerow([f'pixel{i}' for i in range(64)] + ['label']) # 写入数据 for img_data, label in self.custom_data: writer.writerow(img_data + [label]) self.status_var.set(f"已保存 {len(self.custom_data)} 个样本到 {os.path.basename(file_path)}") except Exception as e: self.status_var.set(f"保存失败: {str(e)}") def load_training_data(self): """加载训练数据""" # 弹出文件选择对话框 file_path = filedialog.askopenfilename( filetypes=[("CSV文件", "*.csv")], title="加载训练集" ) if not file_path: return try: self.custom_data = [] # 读取CSV文件 with open(file_path, 'r', newline='', encoding='utf-8') as f: reader = csv.reader(f) next(reader) # 跳过标题行 # 解析每一行数据 for row in reader: if len(row) != 65: # 64像素+1标签 continue # 提取像素数据和标签 img_data = [float(pixel) for pixel in row[:64]] label = int(row[64]) self.custom_data.append((img_data, label)) self.status_var.set(f"已加载 {len(self.custom_data)} 个样本") except Exception as e: self.status_var.set(f"加载失败: {str(e)}") # ======================== # 主程序入口 # ======================== def run(self): """运行应用""" self.root.mainloop() # ======================== # 程序入口 # ======================== if __name__ == "__main__": digits = load_digits() # 加载数字数据集 root = tk.Tk() # 创建主窗口 app = HandwritingBoard(root, ModelFactory, digits) # 创建应用实例 app.run() # 运行应用 请你根据上面的内容生成符合要求的课程设计:

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