昇思25天学习打卡营第14天|基于MindSpore的红酒分类实验

背景介绍

本文主要介绍使用MindSpore在部分wine数据集上进行KNN实验。

K近邻算法原理

K近邻算法（K-Nearest-Neighbor, KNN）是一种用于分类和回归的非参数统计方法，最初由 Cover和Hart于1968年提出(Cover等人,1967)，是机器学习最基础的算法之一。它正是基于以上思想：要确定一个样本的类别，可以计算它与所有训练样本的距离，然后找出和该样本最接近的k个样本，统计出这些样本的类别并进行投票，票数最多的那个类就是分类的结果。KNN的三个基本要素：

K值，一个样本的分类是由K个邻居的"多数表决"确定的。K值越小，容易受噪声影响，反之，会使类别之间的界限变得模糊。
距离度量，反映了特征空间中两个样本间的相似度，距离越小，越相似。常用的有Lp距离（p=2时，即为欧式距离）、曼哈顿距离、海明距离等。
分类决策规则，通常是多数表决，或者基于距离加权的多数表决（权值与距离成反比）。

数据集

数据准备

Wine数据集是模式识别最著名的数据集之一，Wine数据集的官网：Wine Data Set。这些数据是对来自意大利同一地区但来自三个不同品种的葡萄酒进行化学分析的结果。数据集分析了三种葡萄酒中每种所含13种成分的量，分别是：

Alcohol，酒精
Malic acid，苹果酸
Ash，灰
Alcalinity of ash，灰的碱度
Magnesium，镁
Total phenols，总酚
Flavanoids，类黄酮
Nonflavanoid phenols，非黄酮酚
Proanthocyanins，原花青素
Color intensity，色彩强度
Hue，色调
OD280/OD315 of diluted wines，稀释酒的OD280/OD315
Proline，脯氨酸

获取方式：

方式一：从Wine数据集官网下载wine.data文件。
方式二：从华为云OBS中下载wine.data文件。

Key	Value	Key	Value
Data Set Characteristics:	Multivariate	Number of Instances:	178
Attribute Characteristics:	Integer, Real	Number of Attributes:	13
Associated Tasks:	Classification	Missing Values?	No

代码示例：

python 复制代码

from download import download

# 下载红酒数据集
url = "https://ascend-professional-construction-dataset.obs.cn-north-4.myhuaweicloud.com:443/MachineLearning/wine.zip"  
path = download(url, "./", kind="zip", replace=True)

数据读取与处理

代码示例：

python 复制代码

%matplotlib inline
import os
import csv
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

import mindspore as ms
from mindspore import nn, ops

ms.set_context(device_target="CPU")

# 读取Wine数据集并查看部分数据
with open('wine.data') as csv_file:
    data = list(csv.reader(csv_file, delimiter=','))
print(data[56:62]+data[130:133])

# 取三类样本（共178条），将数据集的13个属性作为自变量X。将数据集的3个类别作为因变量Y
X = np.array([[float(x) for x in s[1:]] for s in data[:178]], np.float32)
Y = np.array([s[0] for s in data[:178]], np.int32)

# 将数据集按128:50划分为训练集（已知类别样本）和验证集（待验证样本）
train_idx = np.random.choice(178, 128, replace=False)
test_idx = np.array(list(set(range(178)) - set(train_idx)))
X_train, Y_train = X[train_idx], Y[train_idx]
X_test, Y_test = X[test_idx], Y[test_idx]

# 取样本的某两个属性进行2维可视化，可以看到在某两个属性上样本的分布情况以及可分性
attrs = ['Alcohol', 'Malic acid', 'Ash', 'Alcalinity of ash', 'Magnesium', 'Total phenols',
         'Flavanoids', 'Nonflavanoid phenols', 'Proanthocyanins', 'Color intensity', 'Hue',
         'OD280/OD315 of diluted wines', 'Proline']
plt.figure(figsize=(10, 8))
for i in range(0, 4):
    plt.subplot(2, 2, i+1)
    a1, a2 = 2 * i, 2 * i + 1
    plt.scatter(X[:59, a1], X[:59, a2], label='1')
    plt.scatter(X[59:130, a1], X[59:130, a2], label='2')
    plt.scatter(X[130:, a1], X[130:, a2], label='3')
    plt.xlabel(attrs[a1])
    plt.ylabel(attrs[a2])
    plt.legend()
plt.show()

运行结果：

模型构建

利用MindSpore提供的tile, square, ReduceSum, sqrt, TopK等算子，通过矩阵运算的方式同时计算输入样本x和已明确分类的其他样本X_train的距离，并计算出top k近邻。

代码示例：

python 复制代码

class KnnNet(nn.Cell):
    def __init__(self, k):
        super(KnnNet, self).__init__()
        self.k = k

    def construct(self, x, X_train):
        #平铺输入x以匹配X_train中的样本数
        x_tile = ops.tile(x, (128, 1))
        square_diff = ops.square(x_tile - X_train)
        square_dist = ops.sum(square_diff, 1)
        dist = ops.sqrt(square_dist)
        #-dist表示值越大，样本就越接近
        values, indices = ops.topk(-dist, self.k)
        return indices

def knn(knn_net, x, X_train, Y_train):
    x, X_train = ms.Tensor(x), ms.Tensor(X_train)
    indices = knn_net(x, X_train)
    topk_cls = [0]*len(indices.asnumpy())
    for idx in indices.asnumpy():
        topk_cls[Y_train[idx]] += 1
    cls = np.argmax(topk_cls)
    return cls

模型预测

在验证集上验证KNN算法的有效性，取 𝑘=5 ，验证精度接近80%，说明KNN算法在该3分类任务上有效，能根据酒的13种属性判断出酒的品种。

代码示例：

python 复制代码

acc = 0
knn_net = KnnNet(5)
for x, y in zip(X_test, Y_test):
    pred = knn(knn_net, x, X_train, Y_train)
    acc += (pred == y)
    print('label: %d, prediction: %s' % (y, pred))
print('Validation accuracy is %f' % (acc/len(Y_test)))

运行结果：

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