Machine Learning In Action 系列----手写数字识别（一）

从建明

2023-12-01

用kNN和SVM进行手写数字识别–kNN

学习《机器学习实战》有段时间了，回过头来发现并没有留下些笔记之类的，so sad。慢慢积累吧。。。
打算结合Numpy写kNN代码，并和sklearn工具中的neighbors.KNeighborsClassifier()做个比较。

数据说明

1、手写数字训练样本共1934个，0~9每个数字大约190个样本。

2、测试数据共946个，每个数字约90+个样本。

3、数据文件名：数字_实例名.txt。比如0_3.txt表示数字0的第3个实例数据。

4、每个样本数据由32x32的0、1组成。

写个kNN进行识别

1.整合数据

利用numpy把二进制图像数据转换成向量。
需要import的包：

import numpy as np
from os import listdir
import operator
import time

# img2vector 方法
# 参数：文件名
# 返回：numpy 数组
# 功能：将 32x32 的二进制图像矩阵转换为 1x1024 的向量

def img2vector(file):
    returnVec = np.zeros((1, 1024))
    with open(file) as fr:
        for i in range(32):
            lineStr = fr.readline()
            for j in range(32):
                returnVec[0, 32*i+j] = int(lineStr[j])
    return  returnVec

2.读取文件数据并转换成向量

读取所有数据并转换成向量

# 读取图像数据文件并转换成矩阵
def read_and_convert(filePath):
    dataLabel = []
    fileList = listdir(filePath)
    fileAmount = len(fileList)
    dataMat = np.zeros((fileAmount, 1024))
    for i in range(fileAmount):
        fileNameStr = fileList[i]
        classTag = int(fileNameStr.split(".")[0].split("_")[0])
        dataLabel.append(classTag)
        dataMat[i,:] = img2vector(filePath+"/{}".format(fileNameStr))
    return dataMat, dataLabel

3.kNN分类算法

核心部分，kNN分类代码

# classify 分类方法
# 功能：对待测数据进行分类
# 参数：
#    inX：待分类数据
#    dataSet：训练数据集
#    labels：类标签向量
#    k：近邻数量
# 返回：类标签

def classify(inX, dataSet, labels, k=3):
    dataSetSize = dataSet.shape[0]
    diffMat = np.tile(inX, (dataSetSize,1)) - dataSet   # tile(A,n) -- 将数据组 A 重复n次 
    sqDiffMat = np.power(diffMat, 2)
    sqDistance = sqDiffMat.sum(axis=1)
    distance = np.sqrt(sqDistance)
    sortedDistIndicies = distance.argsort() 
    classCount = {}
    for i in range(k):
        voteLabel = labels[sortedDistIndicies[i]]
        classCount[voteLabel] = classCount.get(voteLabel, 0) + 1
    sortedClassCount = sorted(classCount.items(), key=operator.itemgetter(1), reverse=True)
    return sortedClassCount[0][0]

4.分类过程

# 手写数字识别测试代码
def handwrittingclassify():
    trainFilePath = "trainingDigits"
    testFilePath = "testDigits"
    trainMat, trainLabel = read_and_convert(trainFilePath)
    testMat, testLabel = read_and_convert(testFilePath)
    m, n = testMat.shape
    errorCount = 0.0
    st = time.clock()
    for i in range(m):
        classifyresult = classify(testMat[i], trainMat, trainLabel, 3)
        if classifyresult != testLabel[i]:
            errorCount += 1
    et = time.clock()
    print("cost {:.4f} s".format(et-st))
    print("total error counts: {} .".format(errorCount))
    print("total error rate is: {:.6f} .".format(errorCount/float(m)))

5.测试结果

运行代码，得到k=3时的分类结果：
cost 45.5809 s
total error counts: 11.0
total error rate is: 0.011628
accuracy rate is: 0.988372

可以看出，分类准确率还是比较高的。
我们调整一下k的值，看看有什么变化：
k=2时：
cost 46.6430 s
total error counts: 13.0
total error rate is: 0.013742
accuracy rate is: 0.986258

k=4时：
cost 46.7659 s
total error counts: 14.0
total error rate is: 0.014799
accuracy rate is: 0.985201

k=5时：
cost 46.6895 s
total error counts: 17.0
total error rate is: 0.017970
accuracy rate is: 0.982030

k=6时：
cost 45.2715 s
total error counts: 19.0
total error rate is: 0.020085
accuracy rate is: 0.979915

k的不同取值，得到的错误率是不一样的，计算开销也不一样。k过大，容易发生欠拟合；k过小，会导致过拟合现象。对于k的选择，需要通过cross-validation来确定了，或者根据经验来确定。经过测试，发现在这个数据集中，k=3的效果最好。

利用sklearn进行分类

1.准备训练数据和测试数据

n_neighbors = 3
trainFilePath = "trainingDigits"
testFilePath = "testDigits"

# 准备训练数据和测试数据
trainData, trainLabel = read_and_convert(trainFilePath)
testData, testLabel  = read_and_convert(testFilePath)

2.分类测试

lst = time.clock()
for n in [1,2,3,4,5,6]:
    st = time.clock()
    for weights in ['uniform', 'distance']:
        clf = neighbors.KNeighborsClassifier(n_neighbors=n, weights=weights)
        clf.fit(trainData, trainLabel)
        score = clf.score(testData, testLabel)
        print(str(n) + " neighbors " + weights + " score: {:.6f}".format(score))
    et = time.clock()
    print(str(n) + " neighbors cost: {:.4f} s".format(et-st))
let = time.clock()
print("amount time: {:.4f} s".format(let-lst))

3.分类结果

1 neighbors uniform score: 0.986258
1 neighbors distance score: 0.986258
1 neighbors cost: 8.8149 s
2 neighbors uniform score: 0.976744
2 neighbors distance score: 0.986258
2 neighbors cost: 9.5726 s
3 neighbors uniform score: 0.987315
3 neighbors distance score: 0.987315
3 neighbors cost: 9.5219 s
4 neighbors uniform score: 0.983087
4 neighbors distance score: 0.989429
4 neighbors cost: 9.2445 s
5 neighbors uniform score: 0.980973
5 neighbors distance score: 0.982030
5 neighbors cost: 9.0160 s
6 neighbors uniform score: 0.977801
6 neighbors distance score: 0.982030
6 neighbors cost: 9.2116 s
amount time: 55.3818 s

再说kNN

实际上上面的手写数字识别的数据量还是很小的，如果再大些，计算的开销也就很大了。
我们通过对比发现：如果不用sklearn工具包，手写一个kNN，分类的耗时比较长，仅计算一次就得40+s；而用sklearn，每一次计算仅不到10s。当然这还是在k很小的情况下，如果k取值较大，计算开销也会很大。

参考

《机器学习实战》,参考这儿
关于 sklearn ，参考这儿.