【AI】Python 实现 KNN 手写数字识别

KNN 算法

1. 题目介绍

K近邻（K-Nearest Neighbor, KNN）是一种最经典和最简单的有监督学习方法之一。K-近邻算法是最简单的分类器，没有显式的学习过程或训练过程，是懒惰学习（Lazy Learning）。当对数据的分布只有很少或者没有任何先验知识时，K 近邻算法是一个不错的选择。

从背景上来说，KNN 并不复杂，本文不介绍 KNN 的原理，重点关注如何使用 KNN 来实现手写数字的识别。具体来说，本文使用两种办法来实现 KNN，第一种是使用 numpy 手动实现该算法，第二种是使用 sklearn 中封装好的 KNN 接口，并会简要比较一下两种办法。

本文使用的数据集采用文本文件，每一个文件使用大小为 $32\times 32$ 的 0-1 阵列来表示一个手写数字。我们的目标是输入一张这样的图片，然后返回对该图片的预测值。例如下面的几张图片都表示手写数字 ‘0’：

点击链接下载数据集 （有效期至 2023/12/5，过期请留言更新）

2. 代码编排

本实验使用 jupyter 完成，下面按照 cell 的顺序进行介绍。点击下载可执行文件

2.1 全局定义

首先是导入整个项目需要使用到的库，并且定义一些全局变量。training_dir 和 test_dir 分别是训练集和测试集的目录地址，虽然 KNN 中严格来说不存在“训练”和“测试”的概念，但此处把“训练集”理解作空间中已有的那些点，“测试集”就是输入的待分类的点：

import os
import numpy as np
import operator
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier as kNN
import time

training_dir = 'data/knn-digits/training_digits'
test_dir = 'data/knn-digits/test_digits'
k_global = 3

然后定义对数据集的处理方法。每个文件是 $32\times 32$ 的 0-1 阵列，所以我们把他转化为 $1\times 1024$ 的单行数据，再将单个的数据全部拼接在一起；训练集中一共有 1934 个文件，则最终得到的训练集的大小为 $1934\times 1024$。

对于测试集，也采用和训练集很类似的方法，但我们希望每提取到一个文件，就对它跑一遍 KNN 算法，以此提高程序的并发度，这里使用了 yield 方法。

# 将32*32的数据转为1*1024的数据
def img2vector(filename):
    return_vector = np.zeros((1, 1024))
    f = open(filename)
    for i in range(32):
        line = f.readline()
        for j in range(32):
            return_vector[0, 32 * i + j] = int(line[j])
    return return_vector


def load_training_data():
    training_label = []
    training_file_list = os.listdir(training_dir)
    training_size = len(training_file_list)
    training_data = np.zeros((training_size, 1024))
    for i in range(training_size):
        filename = training_file_list[i]
        label = int(filename.split('_')[0])
        training_label.append(label)
        training_data[i, :] = img2vector(training_dir + '/' + filename)
    return training_data, training_label


def load_test_data():
    test_file_list = os.listdir(test_dir)
    test_size = len(test_file_list)
    for i in range(test_size):
        filename = test_file_list[i]
        label = int(filename.split('_')[0])
        test_data = img2vector(test_dir + '/' + filename)
        yield test_data, label

2.2 使用 numpy 实现 KNN

我们使用两个函数配合来实现 KNN 算法。第一个函数 classify0 用来对单条数据进行分类，它计算测试点 (shape=(1, 1024)) 与训练数据 (shape=(1934, 1024)) 中每一个点分别的欧式距离，得到一个 1934 大小的一维数组，再从其中挑选 k_global 条距离最近的训练点，将这些点的标签作为 KNN 做出决策的标准。

# 对单条数据进行分类
def classify0(in_data, data_set, labels, k):
    data_size = data_set.shape[0]
    diff_mat = np.tile(in_data, (data_size, 1)) - data_set
    distances = (diff_mat ** 2).sum(axis=1) ** 0.5
    argsort_distances = distances.argsort()
    class_count = {
    
    }
    for i in range(k):
        label = labels[argsort_distances[i]]
        class_count[label] = class_count.get(label, 0) + 1
    sorted_class_count = sorted(class_count.items(), key=operator.itemgetter(1), reverse=True)
    return sorted_class_count[0][0]


# knn的总体流程
def knn():
    error_count = 0
    correct_count = 0
    training_data, training_label = load_training_data()
    for test_data, test_label in load_test_data():
        pred_label = classify0(test_data, training_data, training_label, k_global)
        if pred_label == test_label:
            correct_count += 1
        else:
            error_count += 1
    num_test = error_count + correct_count
    acc = correct_count / (correct_count + error_count)
    print('test number: %d, failure number: %d, accuracy: %.6f' % (num_test, error_count, acc))

下面执行上述的 knn 函数，并记录它所花费的时间：

time_begin = time.time()
print('use knn implementing from scratch:')
knn()
time_end = time.time()
print('took %f.4 s' % (time_end - time_begin))

程序输出为：

可以看到，一共测试了 946 张图片，仅有 10 张分类错误了，正确率高达 98.94%，效果还是非常不错的。但是它花费了 14.66s，这个时间相比于 sklearn 中现成的接口还是稍显慢的。

2.3 使用 sklearn 实现 KNN

总的来说，sklearn 中的 knn 接口主要就是替代了上文中的 classify0 函数，主体的逻辑流程和之前手动实现的 knn 函数还是很类似的：

def knn_sklearn(algorithm):
    error_count = 0
    correct_count = 0
    training_data, training_label = load_training_data()
    classifier = kNN(n_neighbors=k_global, algorithm=algorithm)
    classifier.fit(training_data, training_label)
    for test_data, test_label in load_test_data():
        pred_label = classifier.predict(test_data)
        if pred_label == test_label:
            correct_count += 1
        else:
            error_count += 1
    num_test = error_count + correct_count
    acc = correct_count / (correct_count + error_count)
    print('test number: %d, failure number: %d, accuracy: %.6f' % (num_test, error_count, acc))

kNN 函数中有一个参数 algorithm，这个参数决定快速 k 近邻搜索算法，默认为 auto，可以理解为算法自己决定合适的搜索算法。除此之外，可取的值有 kd_tree、ball_tree、brute。

其中，kd_tree 参数构造 kd 树存储数据以便对其进行快速检索的树形数据结构，kd 树也就是数据结构中的二叉树，以中值切分构造的树，每个结点是一个超矩形，在维数小于20时效率高；ball_tree是为了克服 kd 树高纬失效而发明的，其构造过程是以质心 C 和半径 r 分割样本空间，每个节点是一个超球体；brute 是蛮力搜索，也就是线性扫描，当训练集很大时，计算非常耗时。

下面分别演示这四个参数对程序性能的影响：

① auto：

time_begin = time.time()
print('use knn from sklearn:')
knn_sklearn(algorithm='auto')
time_end = time.time()
print('took %f.4 s' % (time_end - time_begin))

输出结果为：

② brute：

time_begin = time.time()
print('use knn from sklearn:')
knn_sklearn(algorithm='brute')
time_end = time.time()
print('took %f.4 s' % (time_end - time_begin))

输出结果为：

③ kd_tree：

time_begin = time.time()
print('use knn from sklearn:')
knn_sklearn(algorithm='kd_tree')
time_end = time.time()
print('took %f.4 s' % (time_end - time_begin))

输出结果为：

④ ball_tree：

time_begin = time.time()
print('use knn from sklearn:')
knn_sklearn(algorithm='ball_tree')
time_end = time.time()
print('took %f.4 s' % (time_end - time_begin))

输出结果为：

3. 结果分析

基于上述的代码，在不同的 k_global 值下分别测试了 numpy 实现的 KNN、sklearn 中的 KNN (algorithm=‘auto’) 的性能，得到的表格如下：

k_global	numpy实现的KNN	sklearn中实现的KNN
1	t=14.86s, acc=98.73%	t=6.40s, acc=98.63%
3	t=14.79s, acc=98.94%	t=8.43s, acc=98.73%
5	t=14.35s, acc=98.20%	t=7.55s, acc=98.10%
10	t=14.59s, acc=98.89%	t=6.63s, acc=97.57%
20	t=14.73s, acc=97.15%	t=6.47s, acc=96.83%

从上面的表格可以得到几个基本的结论：① k_global 的值不能过大也不能过小，在本实验中，该值为 3 时可以取得较高的精度；② 随着 k_global 的增大，模型所消耗的时间差异并不大，所以不用为了节省时间而选择一个较小的 k_global；③ 使用 numpy 实现的 KNN 耗时总是远高于 sklearn 中的 KNN，但前者的精度只是略高于后者，实际的项目中要根据数据集大小来在时间和精度中取一个 trade-off。

在 k_global = 3 的前提下，比较 sklearn 中的 KNN 在不同 algorithm 参数下的性能，得到下面的表格：

algorithm	time	acc
auto	6.52s	98.73%
brute	6.48s	98.73%
kd_tree	5.83s	98.73%
ball_tree	4.71s	98.73%

观察上表，结合上文对 algorithm 参数的介绍，可以得到一个基本的结论：在本实验中，由于样本量并不多，ball_tree 可以使算法用时最少，而 brute 使算法耗时最大（因为它是线性扫描的）；默认情况下，auto 参数选择的可能是 brute 参数，因为它们非常接近。