从手写数字识别入门深度学习丨MNIST数据集详解

article/2025/9/22 20:19:29

就像无数人从敲下“Hello World”开始代码之旅一样，许多研究员从“MNIST数据集”开启了人工智能的探索之路。

MNIST数据集（Mixed National Institute of Standards and Technology database）是一个用来训练各种图像处理系统的二进制图像数据集，广泛应用于机器学习中的训练和测试。

作为一个入门级的计算机视觉数据集，发布20多年来，它已经被无数机器学习入门者“咀嚼”千万遍，是最受欢迎的深度学习数据集之一。

今天就让我们来一睹真容。

一、数据集简介

二、数据集详细信息

三、数据集任务定义及介绍

图像分类

四、数据集文件结构解读

五、数据集下载链接

一、数据集简介

发布方：National Institute of Standards and Technology(美国国家标准技术研究所，简称NIST)

发布时间：1998

背景：

该数据集的论文想要证明在模式识别问题上，基于CNN的方法可以取代之前的基于手工特征的方法，所以作者创建了一个手写数字的数据集，以手写数字识别作为例子证明CNN在模式识别问题上的优越性。

简介：

MNIST数据集是从NIST的两个手写数字数据集：Special Database 3 和Special Database 1中分别取出部分图像，并经过一些图像处理后得到的。

MNIST数据集共有70000张图像，其中训练集60000张，测试集10000张。所有图像都是28×28的灰度图像，每张图像包含一个手写数字。

二、数据集详细信息

1. 数据量

训练集60000张图像，其中30000张来自NIST的Special Database 3，30000张来自NIST的Special Database 1。

测试集10000张图像，其中5000张来自NIST的Special Database 3，5000张来自NIST的Special Database 1。

2. 标注量

每张图像都有标注。

3. 标注类别

共10个类别，每个类别代表0~9之间的一个数字，每张图像只有一个类别。

4. 可视化

图1：MNIST样例图

NIST原始的Special Database 3 数据集和Special Database 1数据集均是二值图像，MNIST从这两个数据集中取出图像后，通过图像处理方法使得每张图像都变成28×28大小的灰度图像，且手写数字在图像中居中显示。

三、数据集任务定义及介绍

图像分类

● 图像分类定义

图像分类是计算机视觉领域中，基于语义信息对不同图像进行分类的一种模式识别方法。

● 图像分类评价指标

a. Accuracy：

n_correct / n_total，标签预测正确的样本占所有样本的比例。

b. 某个类别的Precision：

TP/(TP+FP)，被预测为该类别的样本中，有多少样本是预测正确的。

c. 某个类别的Recall：

TP/(TP+FN)，在该类别的样本中，有多少样本是预测正确的。

注：在上面的评价指标中，TP代表True Positive，FP代表False Positive，FN代表False Negative，n_correct代表所有预测正确的样本数量，n_total代表所有的样本数量。

四、数据集文件结构解读

1. 目录结构

● 解压前

dataset_compressed/
├── t10k-images-idx3-ubyte.gz                #测试集图像压缩包(1648877 bytes)
├── t10k-labels-idx1-ubyte.gz                #测试集标签压缩包(4542 bytes)
├── train-images-idx3-ubyte.gz                #训练集图像压缩包(9912422 bytes)
└── train-labels-idx1-ubyte.gz                #训练集标签压缩包(28881 bytes)

● 解压后

dataset_uncompressed/
├── t10k-images-idx3-ubyte                #测试集图像数据
├── t10k-labels-idx1-ubyte                #测试集标签数据
├── train-images-idx3-ubyte                #训练集图像数据
└── train-labels-idx1-ubyte                #训练集标签数据

2. 文件结构

该数据集将图像和标签都以矩阵的形式存储于一种称为idx格式的二进制文件中。该数据集的4个二进制文件的存储格式分别如下：

● 训练集标签数据 (train-labels-idx1-ubyte):

偏移量(bytes)	值类型	数值	含义
0	32位整型	0x00000801 (2049)	magic number
4	32位整型	60000	有效数值的数量 (即标签的数量)
8	8位无符号整型	不定 (0~9之间)	标签
...	...	...	...
xxxx	8位无符号整型	不定 (0~9之间)	标签

● 训练集图像数据(train-images-idx3-ubyte):

偏移量(bytes)	值类型	数值	含义
0	32位整型	0x00000803 (2051)	magic number
4	32位整型	60000	有效数值的数量 (即图像的数量)
8	32位整型	28	图像的高 (rows)
12	32位整型	28	图像的宽 (columns)
16	8位无符号整型	不定 (0~255之间)	图像内容
...	...	...	...
xxxx	8位无符号整型	不定 (0~255之间)	图像内容

● 测试集标签数据(t10k-labels-idx1-ubyte):

偏移量(bytes)	值类型	数值	含义
0	32位整型	0x00000801 (2049)	magic number
4	32位整型	10000	有效数值的数量 (即标签的数量)
8	8位无符号整型	不定 (0~9之间)	标签
...	...	...	...
xxxx	8位无符号整型	不定 (0~9之间)	标签

● 测试集图像数据 (t10k-images-idx3-ubyte):

偏移量(bytes)	值类型	数值	含义
0	32位整型	0x00000803 (2051)	magic number
4	32位整型	10000	有效数值的数量 (即图像的数量)
8	32位整型	28	图像的高 (rows)
12	32位整型	28	图像的宽 (columns)
16	8位无符号整型	不定 (0~255之间)	图像内容
...	...	...	...
xxxx	8位无符号整型	不定 (0~255之间)	图像内容

对于idx格式的二进制文件，其基本格式如下：


magic number
size in dimension 0
size in dimension 1
size in dimension 2 
.....
size in dimension N
data

每个idx文件都以magic number开头，magic number是一个4个字节，32位的整数，用于说明该idx文件的data字段存储的数据类型。

其中前两个字节总是0，第3个字节不同的取值代表了idx文件中data部分不同的数值类型，对应关系如下：

取值	含义
0x08	8位无符号整型(unsigned char, 1 byte)
0x09	8位有符号整型(char, 1 byte)
0x0B	短整型(short, 2 bytes)
0x0C	整型 (int, 4 bytes)
0x0D	浮点型 (float, 4 bytes)
0x0E	双精度浮点型 (double, 8 bytes)