python支持向量机

本文将首先推导SVM的主要公式,接着基于Platt-SMO算法,从零开始实现支持多种核函数的SVM,然后基于One-Versus-One策略实现多分类,最后在MNIST和CIFAR-10数据集上进行性能测试。从零开始实现支持向量机

这篇文章诞生于机器学习课程无聊的大作业,既然已经为此浪费了不少时间,不妨再多花点时间写一篇文章,借此记录一下实现过程。支持向量机的数学形式简约而直观,但一旦涉及具体实现,各种问题就会接踵而来。在本文中,笔者将首先推导SVM的主要公式,接着基于Platt-SMO算法,从零开始实现支持多种核函数的SVM,然后基于One-Versus-One策略实现多分类,最后在MNIST和CIFAR-10数据集上进行性能测试

数学推导

基本形式

 

这是一个二次规划问题,我们可以采用梯度下降或者坐标下降等方法求解。

核函数与核技巧

Platt-SMO算法

算法实现

核函数

我们对上述四种核函数进行实现,这里将核函数封装成类,通过实现__call__方法,使其实例可以像函数一样被调用

线性核代码如下

class LinearKernel(object):
    def __init__(self):
        self.name = 'linear'
 
    def __call__(self, X, y):
        return X @ y.T

多项式核代码如下

class PolynomialKernel(object):
    def __init__(self, gamma=1.0, degree=3):
        self.name = 'polynomial'
        self.gamma = gamma
        self.degree = degree
    
    def __call__(self, X, y):
        return np.power(self.gamma * (X @ y.T) + 1, self.degree)

高斯核代码如下

class GaussianKernel(object):
    def __init__(self, gamma=1.0):
        self.name = 'gaussian'
        self.gamma = gamma
    
    def __call__(self, X, y):
        return np.exp(-self.gamma * np.sum(np.square(X - y), axis=1))

Sigmoid核代码如下

class SigmoidKernel(object):
    def __init__(self, gamma=1.0, bias=0.0):
        self.name = 'sigmoid'
        self.gamma = gamma
        self.bias = bias
    
    def __call__(self, X, y):
        return np.tanh(self.gamma * (X @ y.T) + self.bias)

另外,我们定义一个工具函数,方便核函数的创建

def CreateKernel(entry):
    if entry['name'] == 'linear':
        return LinearKernel()
    elif entry['name'] == 'polynomial':
        return PolynomialKernel(entry['gamma'], entry['degree'])
    elif entry['name'] == 'gaussian':
        return GaussianKernel(entry['gamma'])
    elif entry['name'] == 'sigmoid':
        return SigmoidKernel(entry['gamma'], entry['bias'])
    raise AttributeError('invalid kernel')
支持向量机

参考scikit-learn的封装,我们定义一个类,提供fitpredict两种方法,参数包括最大迭代次数、惩罚系数、误差精度和核函数类型,利用私有函数实现  和  的选择和单步更新,对于线性核,我们提供weight属性,用于获取线性核的分类超平面参数,除了一些简化以外,代码基本按照Platt-SMO算法进行实现

class SupportVectorMachine(object):
    def __init__(self, iteration=100, penalty=1.0, epsilon=1e-6, kernel=None):
        self.iteration = iteration
        self.penalty = penalty
        self.epsilon = epsilon
        if kernel is None:
            kernel = {'name': 'linear'}
        self.kernel = CreateKernel(kernel)
    
    def __compute_w(self):
        return (self.a * self.y) @ self.X

    def __compute_e(self, i):
        return (self.a * self.y) @ self.K[:, i] + self.b - self.y[i]
    
    def __select_j(self, i):
        j = np.random.randint(1, self.m)
        return j if j > i else j - 1
    
    def __step_forward(self, i):
        e_i = self.__compute_e(i)
        if ((self.a[i] > 0) and (e_i * self.y[i] > self.epsilon)) or ((self.a[i] < self.penalty) and (e_i * self.y[i] < -self.epsilon)):
            j = self.__select_j(i)
            e_j = self.__compute_e(j)
            a_i, a_j = np.copy(self.a[i]), np.copy(self.a[j])
            if self.y[i] == self.y[j]:
                L = max(0, a_i + a_j - self.penalty)
                H = min(self.penalty, a_i + a_j)
            else:
                L = max(0, a_j - a_i)
                H = min(self.penalty, self.penalty + a_j - a_i)
            if L == H:
                return False
            d = 2 * self.K[i, j] - self.K[i, i] - self.K[j, j]
            if d >= 0:
                return False
            self.a[j] = np.clip(a_j - self.y[j] * (e_i - e_j) / d, L, H)
            if np.abs(self.a[j] - a_j) < self.epsilon:
                return False
            self.a[i] = a_i + self.y[i] * self.y[j] * (a_j - self.a[j])
            b_i = self.b - e_i - self.y[i] * self.K[i, i] * (self.a[i] - a_i) - self.y[j] * self.K[j, i] * (self.a[j] - a_j)
            b_j = self.b - e_j - self.y[i] * self.K[i, j] * (self.a[i] - a_i) - self.y[j] * self.K[j, j] * (self.a[j] - a_j)
            if 0 < self.a[i] < self.penalty:
                self.b = b_i
            elif 0 < self.a[j] < self.penalty:
                self.b = b_j
            else:
                self.b = (b_i + b_j) / 2
            return True
        return False
    
    def setup(self, X, y):
        self.X, self.y = X, y
        self.m, self.n = X.shape
        self.b = 0.0
        self.a = np.zeros(self.m)
        self.K = np.zeros((self.m, self.m))
        for i in range(self.m):
            self.K[:, i] = self.kernel(X, X[i, :])
    
    def fit(self, X, y):
        self.setup(X, y)
        entire = True
        for _ in range(self.iteration):
            change = 0
            if entire:
                for i in range(self.m):
                    change += self.__step_forward(i)
            else:
                index = np.nonzero((0 < self.a) * (self.a < self.penalty))[0]
                for i in index:
                    change += self.__step_forward(i)
            if entire:
                entire = False
            elif change == 0:
                entire = True

    def predict(self, X):
        m = X.shape[0]
        y = np.zeros(m)
        for i in range(m):
            y[i] = np.sign((self.a * self.y) @ self.kernel(self.X, X[i, :]) + self.b)
        return y
    
    @property
    def weight(self):
        if self.kernel.name != 'linear':
            raise AttributeError('non-linear kernel')
        return self.__compute_w(), self.b
多分类

基于One-Versus-One策略, 我们构造  个SVM, 其中  为类别数, 训练每个分类器时, 选取相应类别的样本作为训练集, 并将标签映射到 -1 和 1 , 在预测时, 用每个分类器的预测结果进行投票, 从而得到最终结果

我们采用与支持向量机完全相同的封装,提供fitpredict两种方法,使该类成为通用的分类模型

class SupportVectorClassifier(object):
    def __init__(self, iteration=100, penalty=1.0, epsilon=1e-6, kernel=None):
        self.iteration = iteration
        self.penalty = penalty
        self.epsilon = epsilon
        self.kernel = kernel
        self.classifier = []

    def __build_model(self, y):
        self.label = np.unique(y)
        for i in range(len(self.label)):
            for j in range(i+1, len(self.label)):
                model = SupportVectorMachine(self.iteration, self.penalty, self.epsilon, self.kernel)
                self.classifier.append((i, j, model))

    def fit(self, X, y):
        self.__build_model(y)
        for i, j, model in tqdm(self.classifier):
            index = np.where((y == self.label[i]) | (y == self.label[j]))[0]
            X_ij, y_ij = X[index], np.where(y[index] == self.label[i], -1, 1)
            model.fit(X_ij, y_ij)
    
    def predict(self, X):
        vote = np.zeros((X.shape[0], len(self.label)))
        for i, j, model in tqdm(self.classifier):
            y = model.predict(X)
            vote[np.where(y == -1)[0], i] += 1
            vote[np.where(y == 1)[0], j] += 1
        return self.label[np.argmax(vote, axis=1)]
性能测试

首先,我们在二维平面上构造两组简单的正态分布数据,用于可视化支持向量机的分类效果,首先构造数据并训练模型

X = np.concatenate((np.random.randn(500, 2) - 2, np.random.randn(500, 2) + 2))
y = np.concatenate((np.ones(500), -np.ones(500)))
C = SupportVectorMachine(iteration=100)
C.fit(X, y)
w, b = C.weight
u = np.linspace(-3, 3, 100)
v = (-b - w[0] * u) / w[1]

然后根据模型参数绘制分类效果

plt.scatter(X[:500, 0], X[:500, 1], label='Positive')
plt.scatter(X[500:, 0], X[500:, 1], label='Negative')
plt.plot(u, v, label='Separation', c='g')
plt.xlabel('$x$')
plt.ylabel('$y$')
plt.title('Separation Sample')
plt.grid()
plt.legend()
plt.tight_layout()
plt.savefig('./figure/separation.png')
plt.show()

可以看到,我们实现的SVM可以很好地将两组数据分开

 

def MNIST(path, group='train'):
    if group == 'train':
        with gzip.open(os.path.join(path, 'train-images-idx3-ubyte.gz'), 'rb') as file:
            image = np.frombuffer(file.read(), np.uint8, offset=16).reshape(-1, 1, 28, 28) / 255.0
        with gzip.open(os.path.join(path, 'train-labels-idx1-ubyte.gz'), 'rb') as file:
            label = np.frombuffer(file.read(), np.uint8, offset=8)
    elif group == 'test':
        with gzip.open(os.path.join(path, 't10k-images-idx3-ubyte.gz'), 'rb') as file:
            image = np.frombuffer(file.read(), np.uint8, offset=16).reshape(-1, 1, 28, 28) / 255.0
        with gzip.open(os.path.join(path, 't10k-labels-idx1-ubyte.gz'), 'rb') as file:
            label = np.frombuffer(file.read(), np.uint8, offset=8)
    remain = 500 if group == 'train' else 100
    image_list, label_list = [], []
    for value in range(10):
        index = np.where(label == value)[0][:remain]
        image_list.append(image[index])
        label_list.append(label[index])
    image, label = np.concatenate(image_list), np.concatenate(label_list)
    index = np.random.permutation(len(label))
    return image[index], label[index]

对于CIFAR10数据集,我们做同样的处理

def CIFAR10(path, group='train'):
    if group == 'train':
        image_list, label_list = [], []
        for i in range(1, 6):
            filename = os.path.join(path, 'data_batch_{}'.format(i))
            with open(filename, 'rb') as file:
                data = pickle.load(file, encoding='bytes')
            image_list.append(np.array(data[b'data'], dtype=np.float32).reshape(-1, 3, 32, 32) / 255.0)
            label_list.append(np.array(data[b'labels'], dtype=np.int32))
        image, label = np.concatenate(image_list), np.concatenate(label_list)
    elif group == 'test':
        filename = os.path.join(path, 'test_batch')
        with open(filename, 'rb') as file:
            data = pickle.load(file, encoding='bytes')
        image = np.array(data[b'data'], dtype=np.float32).reshape(-1, 3, 32, 32) / 255.0
        label = np.array(data[b'labels'], dtype=np.int32)
    remain = 500 if group == 'train' else 100
    image_list, label_list = [], []
    for value in range(10):
        index = np.where(label == value)[0][:remain]
        image_list.append(image[index])
        label_list.append(label[index])
    image, label = np.concatenate(image_list), np.concatenate(label_list)
    index = np.random.permutation(len(label))
    return image[index], label[index]

由于CIFAR10数据集较为困难,我们考虑利用CV方法进行特征提取,这里我们使用HOG特征提高分类效果,首先将彩色图像转换为灰度图像

def RGB2Gray(image):
    image = 0.299 * image[0] + 0.587 * image[1] + 0.114 * image[2]
    return image.reshape(1, *image.shape)

然后实现一个简单的HOG特征提取函数,这里我们没有实现区块重叠,对该函数进行改进应该可以进一步提高分类效果      whaosoft aiot http://143ai.com  

def HOG(image, block=4, partition=8):
    image = RGB2Gray(image).squeeze(axis=0)
    height, width = image.shape
    gradient = np.zeros((2, height, width), dtype=np.float32)
    for i in range(1, height-1):
        for j in range(1, width-1):
            delta_x = image[i, j-1] - image[i, j+1]
            delta_y = image[i+1, j] - image[i-1, j]
            gradient[0, i, j] = np.sqrt(delta_x ** 2 + delta_y ** 2)
            gradient[1, i, j] = np.degrees(np.arctan2(delta_y, delta_x))
            if gradient[1, i, j] < 0:
                gradient[1, i, j] += 180
    unit = 360 / partition
    vertical, horizontal = height // block, width // block
    feature = np.zeros((vertical, horizontal, partition), dtype=np.float32)
    for i in range(vertical):
        for j in range(horizontal):
            for k in range(block):
                for l in range(block):
                    rho = gradient[0, i*block+k, j*block+l]
                    theta = gradient[1, i*block+k, j*block+l]
                    index = int(theta // unit)
                    feature[i, j, index] += rho
            feature[i, j] /= np.linalg.norm(feature[i, j]) + 1e-6
    return feature.reshape(-1)

基于这些工具函数,我们可以优雅地完成图像分类任务,对于MNIST数据集,一个基于线性核的分类示例如下

X_train, y_train = MNIST('./dataset/mnist_data/', group='train')
X_test, y_test = MNIST('./dataset/mnist_data/', group='test')
X_train, X_test = X_train.reshape(-1, 28*28), X_test.reshape(-1, 28*28)

model = SupportVectorClassifier(iteration=100, penalty=0.05)
model.fit(X_train, y_train)
p_train, p_test = model.predict(X_train), model.predict(X_test)

r_train, r_test = ComputeAccuracy(p_train, y_train), ComputeAccuracy(p_test, y_test)
print('Kernel: Linear, Train: {:.2%}, Test: {:.2%}'.format(r_train, r_test))

对于CIFAR10数据集,一个基于HOG特征和高斯核的分类示例如下

X_train, y_train = CIFAR10('./dataset/cifar-10-batches-py/', group='train')
X_test, y_test = CIFAR10('./dataset/cifar-10-batches-py/', group='test')
X_train, X_test = BatchHOG(X_train, partition=16), BatchHOG(X_test, partition=16)

kernel = {'name': 'gaussian', 'gamma': 0.03}
model = SupportVectorClassifier(iteration=100, kernel=kernel)
model.fit(X_train, y_train)
p_train, p_test = model.predict(X_train), model.predict(X_test)

r_train, r_test = ComputeAccuracy(p_train, y_train), ComputeAccuracy(p_test, y_test)
print('Kernel: Gaussian, Train: {:.2%}, Test: {:.2%}'.format(r_train, r_test))

经过测试,我们实现的SVM分类器在MNIST和CIFAR10数据集上的分类精度如下表所示

此外,我们对模型的收敛性和各个核函数的参数选择进行了测试,模型精度与迭代次数的关系如下图所示 

上述结果揭示了各个参数对模型性能的影响,可以为调参提供一定的指导作用

写在最后

SVM从过去的炙手可热到如今的日薄西山,仅仅过去了十年的时间,无论是精度还是效率,SVM都完败于当下随处可见的神经网络,关于从零开始实现SVM的意义,我也感到迷茫,但这一过程或多或少改变了我对机器学习的认知,一个简洁优雅的多项式时间精确算法,也许只能满足理论研究者的洁癖,而优化复杂模型的近似算法,在工程上赢得了未来。

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