精品毕业设计基于VC++的数字识别系统的设计与实现定.docx
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精品毕业设计基于VC++的数字识别系统的设计与实现定
第1章绪论
1.1数字识别概述
模式识别是六十年代初迅速发展起来的一门学科。
由于它研究的是如何用机器来实现人（及某些动物）对事物的学习、识别和判断能力，因而受到了很多科技领域研究人员的注意，成为人工智能研究的一个重要方面。
字符识别是模式识别的一个传统研究领域。
从50年代开始，许多的研究者就在这一研究领域开展了广泛的探索，并为模式识别的发展产生了积极的影响。
字符识别一般可以分为两类:
1.联机字符识别;2.光学字符识别（OpticalChara-cterRecognition，OCR）或称离线字符识别。
在联机字符识别中，计算机能够通过与计算机相连的输入设备获得输入字符笔划的顺序、笔划的方向以及字符的形状，所以相对OCR来说它更容易识别一些。
但联机字符识别有一个重要的不足就是要求输入者必须在指定的设备上书写，然而人们在生活中大部分的书写情况是不满足这一要求的，比如人们填写各种表格资料，开具支票等。
如果需要计算机去认识这些己经成为文字的东西，就需要OCR技术。
比起联机字符识别来，OCR不要求书写者在特定输入设备上书写，它可以与平常一样书写，所以OCR的应用更为广泛。
OCR所使用的输入设备可以是任何一种图像采集设备，如CCD、扫描仪、数字相机等。
通过使用这类采集设备，OCR系统将书写者已写好的文字作为图像输入到计算机中，然后由计算机去识别。
由于OCR的输入只是简单的一副图像，它就不能像联机输入那样比较容易的从物理特性上获得字符笔划的顺序信息，因此OCR是一个更具挑战性的问题。
数字识别是多年来的研究热点，也是字符识别中的一个特别问题，它是本文研究的重点。
数字识别在特定的环境下应用特别广泛，如邮政编码自动识别系统，税表和银行支票自动处理系统等。
一般情况下，当涉及到数字识别时，人们往往要求识别器有很高的识别可靠性，特别是有关金额的数字识别时，如支票中填写的金额部分，更是如此。
因此针对这类问题的处理系统设计的关键环节之一就是设计出高可靠性和高识别率的数字识别方法。
然而可以说还没有哪个数字识别器达到完美的识别效果。
在过去的数十年中，研究者们提出了许许多多的识别方法。
按使用的特征不同，这些方法可以分为两类:
基于结构特征的方法和基于统计特征的方法。
结构特征通常包括圆、端点、交叉点、笔划、轮廓等，统计特征通常包括点密度的测量、矩、特征区域等，一般来说，两类特征各有优势。
例如，使用统计特征的分类器易于训练，而且对于使用统计特征的分类器，在给定的训练集上能够得到相对较高的识别率，而结构特征的主要优点之一是能描述字符的结构，在识别过程中能有效地结合几何和结构的知识，因此能够得到可靠性较高的识别结果。
1.2神经网络在数字识别中的应用
神经网络模型用于模拟人脑神经元活动的过程。
其中包括对信息的加工、处理、存储和搜索等过程，它具有如下基本特点:
1、神经网络具有分布式存储信息的特点。
它存储信息的方式与传统的计算机的思维方式是不同的，一个信息不是存在一个地方，而是分布在不同的位置。
网络的某一部分也不只存储一个信息，它的信息是分布式存储的。
神经网络是用大量神经元之间的连接及对各连接权值的分布来表示特定的信息。
因此，这种分布式存储方式即使当局部网络受损时，仍具有能够恢复原来信息的优点。
2、神经网络对信息的处理及推理的过程具有并行的特点。
每个神经元都可以根据接收到的信息作独立的运算和处理，然后将结果传输出去，这体现了一种并行处理。
神经网络对于一个特定的输入模式，通过前向计算产生一个输出模式，各个输出节点代表的逻辑概念被同时计算出来。
在输出模式中，通过输出节点的比较和本身信号的强弱而得到特定的解，同时排出其余的解。
这体现了神经网络并行推理的特点。
3、神经网络对信息的处理具有自组织、自学习的特点。
神经网络中各神经元之间的连接强度用权值大小来表示，这种权值可以事先定出，也可以为适应周围环境而不断地变化，这种过程称为神经元的学习过程。
神经网络所具有的自学习过程模拟了人的形象思维方法，这是与传统符号逻辑完全不同的一种非逻辑非语言的方法。
在神经网络研究的历史进程中，它在模式识别方面的应用一直是最活跃和最成功的领域。
神经网络与它在模式识别中的应用是息息相关，密不可分的。
几乎可以说，神经网络模式识别研究的发展史贯穿了整个神经网络的研究历程。
目前,随着计算机的迅速发展，性能价格比的不断提高，模式识别技术己经从理论探讨为主发展到大量的实际应用，人们将更多的注意力开始转向那些用于语音，图像、机器人以及人工智能等的模式识别实际问题。
解决这些问题的关键是需要进行复杂而庞大的实时数据处理，而现有计算机的存贮容量及计算复杂性的局限，使得真正实时化的应用受阻。
这种面向实时应用的模式识别问题促使人们开始将并行处理的神经网络应到模式识别，而神经网络模式识别技术又将模式识别实时应用推进了一大步，数字识别就是这种应用的一个很重要的领域。
数字识别是一项极具研究价值的课题，随着神经网络和模糊逻辑技术的发展，人们对这一问题的研究又采用了许多新的方法和手段，也使得这一古老的课题焕发出新的生命力.目前国际上有相当多的学者在研究这一课题，它包括了模式识别领域中所有典型的问题:
数据的采集、处理及选择、输入样本表达的选择、模式识别分类器的选择以及用样本集对识别器的有指导的训练。
人工神经网络为数字识别提供了新的手段。
正是神经网络所具有的这种自组织自学习能力、推广能力、非线性和运算高度并行的能力使得模式识别成为目前神经网络最为成功的应用领域。
1.3数字图像处理的应用
数字图像处理主要研究的内容有以下几个方面：
1、图像变换。
由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很大。
因此，往往采用各种图像变换的方法，如傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换等间接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理（如傅立叶变换可在频域中进行数字滤波处理）。
目前新兴研究的小波变换在时域和频域中都具有良好的局部化特性，它在图像处理中也有着广泛而有效的应用。
2、图像编码压缩。
图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量（即比特数），以便节省图像传输、处理时间和减少所占用的存储器容量。
压缩可以在不失真的前提下获得，也可以在允许的失真条件下进行。
编码是压缩技术中最重要的方法，它在图像处理技术中是发展最早且比较成熟的技术。
3、图像增强和复原。
图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去除噪声，提高图像的清晰度等。
图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像中所感兴趣的部分。
如强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰，细节明显；强化低频分量可减少图像中噪声影响。
图像复原要求对图像降质的原因有一定的了解，一般讲应根据降质过程建立“降质模型”，再采用某种滤波方法，恢复或重建原来的图像。
4、意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。
虽然目前已研究出不少边缘提取、区域分割的方法，但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。
因此，对图像分割的研究还在不断深入之中，是目前图像处理中研究的热点之一。
5、图像描述。
图像描述是图像识别和理解的必要前提。
作为最简单的二值图像可采用其几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描述，它有边界描述和区域描述两类方法。
对于特殊的纹理图像可采用二维纹理特征描述。
随着图像处理研究的深入发展，已经开始进行三维物体描述的研究，提出了体积描述、表面描述、广义圆柱体描述等方法。
6、图像分类（识别）。
图像分类（识别）属于模式识别的范畴，其主要内容是图像经过某些预处理（增强、复原、压缩）后，进行图像分割和特征提取，从而进行判决分类。
图像分类常采用经典的模式识别方法，有统计模式分类和句法（结构）模式分类，近年来新发展起来的模糊模式识别和人工神经网络模式分类在图像识别中也越来越受到重视。
在数字识别中分类识别之前要利用数字图象处理和计算机图形学的知识进行图象的预处理以便进行下面的特征提取以及识别。
图象的预处理包括二值化、图象的增强、图象的锐化以及图象的分割等。
1.4本论文所做的工作
本论文在数字识别及预处理方面做了如下工作:
1、介绍了数字识别广阔的应用前景和常用的识别方法，通过分析指出数字识别的难点在于无法建立精确的数学模型和做出简单可行的识别系统。
2、本文第二、三章介绍了人工神经元网络基本原理和它的BP学习算法，然后论述了模式识别的方法和有关概念，指出了神经网络之所以能够用于数字识别的内在机理和独特优势。
3、第四章分析了常规数字识别的基本步骤，并指出数字识别的关键步骤是预处理和特征提取。
详细了图像预处理的步骤及BP神经网络在数字识别中的应用。
第2章模式识别及人工神经网络概述
2.1模式识别简述
在观察各种事物或接受各种客观现象时，人们总是不断地进行模式识别。
各种具有相似的特征又不完全相同的事物和现象组成不同的类别。
在同一类别中，事物和现象不尽相同，但它们总是表现出某些方面的相近之处。
例如，每个人写出来的数字“8”可能千差万别，但它们的共同之处在于，它们都属于数字，“8”这个范畴。
也就是说，这些千差万别的数字“8”的共性是它们具有相同的属性特征。
人的思维可以对初次见到的事物进行分类。
比如，即使人们初到一个城市，也可以轻易地辨认出“街道”、“房屋”、“汽车”这样的事物。
同样，看到另外一种写法的“8”，人们仍然可以清楚地知道它的含义。
正是人脑的这种推广能力，使得人们利用见到过的有限事物和现象，形成各种事物类别的概念。
这些有限的、个别的事物和现象就可以称为模式，而整个类别的现象和事物则可以称为模式类，或者简称为类。
人们根据所见模式的特性，将其划归为某一类的过程，实际上就是模式识别的过程。
模式识别这个词既可以是指人对事物的，一个分析、描述、判断和识别的过程，也可以是指利用计算机对某些物理对象进行分类的这门学科。
模式和集合的概念是分不开的，模式可以看作是集合论中的元素，而类则可以看作是子集。
2.2人工神经网络模式识别
具体的模式识别是多种多样的，如果从识别的基本方法上划分，传统的模式识别大体分为统计模式识别和句法模式识别，在识别系统中引入神经网络是一种近年来发展起来的新的模式识别方法。
尽管引入神经网络的方法和引入网络的结构可以各不相同，但都可称为神经网络模式识别。
而且这些识别方法在解决传统方法较难处理的某些问题上带来了新的进展和突破，因而得到了人们越来越多的重视和研究。
人工神经元网络（ArtificialNeuralNetwork）简称神经网络，是基于日前人们对自然神经系统的认识而提出的一些神经系统的模型，一般是由一系列被称为神经元的具有某种简单计算功能的节点经过广泛连接构成的一定网络结构，而其网络连接的权值根据某种学习规则在外界输入的作用下不断调节，最后使网络具有某种期望的输出特性。
神经网络的这种可以根据输入样本学习的功能使得它非常适合于用来解决模式识别问题，这也是神经网络目前最成功的应用领域之一。
神经网络模式识别的基本方法是，首先用己知样本训练神经网络，使之对不同类别的己知样本给出所希望的不同输出，然后用该网络识别未知的样本，根据各样本所对应的网络输出情况来划分未知样本的类别。
神经网络进行模式识别的一般步骤如图2-1所示，分为如下几个部分。
图2-1神经网络模式识别基本构成
1、样本获取
这一步骤主要是为了得到一定数量的用于训练和识别的样本。
2、常规处理
其作用相当于传统模式识别中的数据获取和常规处理两步的功能。
即通过对识别对象的有效观测、进行采样量化，获得一系列数据，再经过去除噪声、加强有用信息等工作获得尽量逼真的原始数据。
通过这一步骤，得到了样本的原始表达。
3、特征变换
在原始样本表达的基础上，进行适当的变换，得到适合神经网络进行识别的样本的特征表达。
以上两步构成了神经网络模式识别中的预处理过程。
这一步骤与传统模式识别的特征提取选择的位置很相似，不同的是，神经网络可以对原始样本直接进行处理，因此这种变换在神经网络模式识别中不象传统模式识别的特征提取选择那样必不可少，神经网络对预处理的要求与传统模式识别对特征提取选择的要求也有所不同。
4、神经网络识别
根据识别对象和研究问题的不同，选用不同的网络结构并采用适当的学习算法，用已知样本作为训练集对神经网络进行训练，使其网络连接的权值不断调整，直到网络的输出特性与期望的相符合。
训练过程结束以后，网络相当于一个固定的映射器，新的输入样木（测试样本）通过网络映射到不同的类别。
神经网络能够应用于模式识别，关键在于它具有一般数学模型所不具有的诸多优点。
1、分布存储和容错性
一个信息不是存储在一个地方，而是按内容而分布在整个网络上，网络某一处不是只存储一个外部信息，而每个神经元存储多种信息的部分内容。
网络的每部分对信息的存储有等势作用。
这种分布式存储算法是存储区与运算区合为一体的。
在神经网络中，要获得存储的知识则采用“联想”的办法，即当一个神经网络输入一个激励时，它要在己存的知识中寻找与该输入匹配最好的存储知识为其解。
当然在信息输出时也还要经过一种处理。
而不是直接从记忆中取出。
这种存储方式的优点在于若部分信息不完全，就是说或者丢失或者损坏甚至有错误的信息，它仍能恢复出原来正确的完整的信息，系统仍能运行。
这就是网络具有容错性和联想记忆功能，自然是表现出较强的鲁莽性。
人的大脑的容错性是它的一种重要的智慧形式。
2、大规模并行处理
人工神经元网络在结构上是并行的，而且网络的各个单元可以同时进行类似的处理过程。
因此，网络中的信息处理是在大量单元中平行而又有层次地进行，运算速度高，大大超过传统的序列式运算的数字机。
虽然每个神经元的信息传递（神经脉冲）速度是以毫秒计算的，比普通序列式计算机要慢很多，但是人通常能在1秒内即可作出对外界事物的判断和决策、这就是能神奇地完成所谓“百步”决策。
这按照现有传统的计算机及人工智能技术目前还是做不到的。
3、自学习、自组织和自适应性
学习和适应要求在时间过程中系统内部结构和联系方式有改变，神经元网络是一种变结构系统，恰好能完成对环境的活应和对外界事物的学习能力。
神经元之间的连接有多种多样，各神经元之间连接强度具有一定的可塑性，相当于突触传递信息能力的变化，这样，网络可以通过学习和训练进行自组织以适应不同信息处理的要求。
神经元网络是大量神经元的集体行为，并不是各单元行为的简单的相加，而表现出一般复杂非线性动态系统的特性。
如不可预测性、不可逆性、有各种类型的吸引子（信息正是“存储”在定点吸引子）和出现混沌现象等。
正是由于神经网络具有这些特点，所以可以处理一些环境信息十分复杂、知识背景不清楚和推理规则不明确的问题。
例如语音识别和识别、医学诊断以及市场估计等，都是具有复杂非线性和不确定性对象的控制。
在那里，信源提供的模式丰富多彩，有的互相间存在矛盾，而判定决策原则又无条理可循。
通过神经元网络学习（按照学习法则），从典型事例中学会处理具体事例，给出比较满意的解答。
2.3人工神经网络的基本原理
2.3.1神经细胞以及人工神经元的组成
神经系统的基本构造单元是神经细胞，也称神经元。
它和人体中其他细胞的关键区别在于具有产生、处理和传递信号的功能。
每个神经元都包括三个主要部分:
细胞体、树突和轴突。
树突的作用是向四方收集由其他神经细胞传来的信息，轴突的功能是传出从细胞体送来的信息。
每个神经细胞所产生和传递的基本信息是兴奋或抑制。
在两个神经细胞之间的相互接触点称为突触。
简单神经元网络及其简化结构如图2-2所示。
从信息的传递过程来看，一个神经细胞的树突，在突触处从其他神经细胞接受信号。
这些信号可能是兴奋性的，也可能是抑制性的。
所有树突接受到的信号都传到细胞体进行综合处理，如果在一个时间间隔内，某一细胞接受到的兴奋性信号量足够大，以致于使该细胞被激活，而产生一个脉冲信号。
这个信号将沿着该细胞的轴突传送出去，并通过突触传给其他神经细胞.神经细胞通过突触的联接形成神经网络。
（1）细胞体
（2）树突（3）轴突（4）突触
图2-2简单神经元网络及其简化结构图
人们正是通过对人脑神经系统的初步认识，尝试构造出人工神经元以组成人工神经网络系统来对人的智能，甚至是思维行为进行研究:
尝试从理性角度阐明大脑的高级机能。
经过几十年的努力与发展，己涌现出上百种人工神经网络模型，它们的网络结构、性能、算法及应用领域各异，但均是根据生物学事实衍生出来的。
由于其基本处理单元是对生物神经元的近似仿真，因而被称之为人工神经元。
它用于仿效生物神经细胞最基本的特性，与生物原型相对应。
人工神经元的主要结构单元是信号的输入、综合处理和输出，其输出信号的强度大小反映了该单元对相邻单元影响的强弱。
人工神经元之间通过互相联接形成网络，称为人工神经网络。
神经元之间相互联接的方式称为联接模式，相互之间的联接度由联接权值体现在人工神经网络中，改变信息处理过程及其能力，就是修改网络权值的过程。
目前多数人工神经网络的构造大体上都采用如下的一些原则:
1、由一定数量的基本单元分层联接构成;
2、每个单元的输入、输出信号以及综合处理内容都比较简单;
3、网络的学习和知识存储体现在各单元之间的联接强度上。
2.3.2人工神经元的模型
神经元是人工神经网络的基本处理单元，它一般是一个多输入/单输出的非线性元件。
神经元输出除受输入信号的影响外，同时也受到神经元内部其它因素的影响，所以在人工神经元的建模中，常常还加有一个额外输入信号、称为偏差（bais），有时也称为阈值或门限值。
一个具有r个输入分量的神经元如图2-2所示。
其中，输入分量
通过与和它相乘的权值分量
相连，以
的形式求和后，形成激活函数f（）的输入。
激活函数的另一个输入是神经元的偏差b,权值Wj和输入分量的矩阵形式可以由W的行矢量以及P的列矢量来表示:
（2.1）
2.4神经网络的结构与学习规则
2.4.1神经网络的联接形式
人脑中大量的神经细胞都不是孤立的，而是通过突触形式相互联系着，构成结构与功能十分复杂的神经网络系统。
为了便于从结构出发模拟智能，因此必须将一定数量的神经元适当地联接成网络，从而形成多种神经网络模型。
通常所说的神经网络的结构，主要指它的联接方式。
神经网络按照拓扑结构属于以神经元为节点，以及节点间有向连接为边的一种图，其结构大体上可分为层状和网状两大类。
层状结构的神经网络是由若干层组成，每层中有一定数量的神经元，相邻层中神经元单向联接，一般地同层内的神经元不能联接，网状结构的神经网络中，任何两个神经元之间都可能双向联接。
下面介绍几种网络结构：
1、前向网络
前向网络通常包含许多层，如图2-3所示为3层网络。
这种网络特点是只有前后相邻两层之间神经元相互联接，各神经元之间没有反馈。
每个神经元可以从前一层接收多个输入，并只有一个输出送给下一层的各神经元。
三层前向网络分为输入层、隐层和输出层。
在前向网络中有计算功能的节点称为计算单元，而输入节点无计算功能。
2、反馈网络
反馈网络从输出层到输入层有反馈。
即每一个节点同时接收外来输入和来自其它节点的反馈输入，其中也包括神经元输出信号引回到本身输入构成的自环反馈，如图2-4所示。
这种反馈网络每个节点都是一个计算单元。
图2-3前向网络图2-4反馈网络
3、相互结合型网络
相互结合型网络如图2-5所示，它是属于网状结构。
构成网络中各个神经元都可能相互双向联接，所有的神经元既作输入，同时也用于输出。
在这种网络中，如果在某一时刻从神经网络外部施加一个输入，各个神经元一边相互作用，一边进行信息处理，直到使网络所有神经元的活性度或输出值，收敛于某个平均值为止作为信息处理的结束。
图2-5网状结构网络图2-6混合型网络
4、混合型网络
上述的前向网络和相互结合型网络分别是典型的层状结构网络和网络结构网络，介于这两种网络中间的一种联接方式，如图2-6所示，在前向网络的同层间神经元有互联的结构，称为混合型网络。
这种在同一层内的互联，目的是为了限制同层内神经元同时兴奋或抑制的神经元数目，以完成特定的功能。
2.4.2神经网络的学习和训练
人脑中一个典型神经元通过许多树突的精细结构，收集来自其它神经元的信息，神经元又通过轴突发出电活性脉冲。
轴突分裂上千条分支，在每条分支末端，通过突触的结构把来自轴突的电活性变为电作用，从而使与之相连的各种神经元的活性受到抑制或兴奋。
当一个神经元收到兴奋输入，而兴奋输入又比神经元的抑制输入足够大时，神经元把电活性脉冲向下传到它的轴突，改变轴突的有效性，从而使一个神经元对另一个神经元的影响改变，便发生了学习行为。
因此，可以认为神经网络学习的本质特征在于神经细胞特殊的突触结构所具有的可塑性连接，而如何调整连接权重就构成了不同的学习算法。
神经网络按学习方式分为有教师学习和无教师学习两大类。
1、有教师学习
为了使神经网络在实际应用中解决各种问题，必须对它进行训练，就是从应用环境中选出一些样本数据，通过不断地调整权值矩阵，直到得到合适的输入输出关系为止，这个过程就是对神经网络的训练过程，这种训练的过程需要有教师示范，提供训练数据，又称样本数据。
在训练过程中又需教师的监督，故这种有教师的学习又称监督式学习。
有教师学习方法虽然简单，但是要求教师对环境和网络的结构应该比较熟悉，当系统复杂，环境变化时，就变得困难。
为了适应环境变化就要重新调整加权值，这样，当学习到新知识的同时，也容易忘掉已学过的旧知识，这一些是有教师学习方法的缺点。
2、无教师学习
无教师学习的训练数据集中，只有输入而没有目标输出，训练过程神经网络自动地将各输入数据的特征提取出来，并将其分成若干类。
经过训练好的网络能够识别训练数据集以外的新的输入类别，并相应获得不同的输出。
显然，无教师的训练方式可使网络具有自组织和自学习的功能。
2.4.3神经网络的学习规则
人类高度发展的智能，主要是通过学习获得的。
要模拟人脑神经系统的学习功能，必须使得人工神经网络具有学习功能。
因此，有关神经网络的学习算法的研究一直占有特殊的地位。
神经网络中常用的有四种学习规则：
1、联想式学习Hebb规则。
2、误差传播式学习Delta学习规则。
3、概率式学习。
4、竞争式学习。
第3章前馈多层网络结构及其BP学习算法
3.1前向多层网络的结构及BP学习算法
前向网络是目前研究最多的网络形式之一。
如图3-1所示，在此模式中，共有三层神经元，每层由若干节点组成，第k层的每个节点与第k+1层的每个节点连接。
第一层为输入层;第二层为中间层，又称为隐层;最后一层为网络的输出层。
其结构可以表示为:
n-q-m网络，n为输入层节点数，q为隐含层节点数，m为输出层节点数。
每个连接对应一个权值，通过修正这些权值“学习”或“训练”网络，从而修正输入到输出映射的网络函数。
输入单元的活性（状态）代表输入此网络中的原始信息。
每个隐单元的活性取决于输入单元的活性及该输入单元与隐单元之间联接权值。
同样输出单元的行为取决于隐单元的活性及隐单元和输出单元之何的权值。
上述网络的信息传播是由输入单元传到隐单元，最后传到输出单元。
这种含有隐层的前向网络有一个重要特征，即隐单元可以任意构成它们自身的输入表示，输入单元和隐单元间的权值决定每个隐单元何时是活性的，因此，借修改这些权值，一个隐单元可以选择它代表什么。
图3-1BP网络结构
BP（BackPropagation）算法是误差反向传播算法，网络的学习由四部分组成：
1、输入模式由输入层经向输出层的模式顺传播过程。
2、网络的希望输出与网络实际输出之间的误差信号，由输出层经中间层向输入层的误差逆传播过程。
3、由模式顺传播与误差逆传播反复交替进行的网络记忆训练过程。
4、网络趋向收敛
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