机器学习框架ML.NET学习笔记【4】多元分类之手写数字识别

一、问题与解决方案

通过多元分类算法进行手写数字识别，手写数字的图片分辨率为8*8的灰度图片、已经预先进行过处理，读取了各像素点的灰度值，并进行了标记。

其中第0列是序号（不参与运算）、1-64列是像素值、65列是结果。

我们以64位像素值为特征进行多元分类，算法采用SDCA最大熵分类算法。

二、源码

先贴出全部代码：

namespace MulticlassClassification_Mnist
{
    class Program
    {
        static readonly string TrainDataPath = Path.Combine(Environment.CurrentDirectory, "Data", "optdigits-full.csv");
        static readonly string ModelPath = Path.Combine(Environment.CurrentDirectory, "Data", "SDCA-Model.zip");

        static void Main(string[] args)
        {
            MLContext mlContext = new MLContext(seed: );

            TrainAndSaveModel(mlContext);
            TestSomePredictions(mlContext);

            Console.WriteLine("Hit any key to finish the app");
            Console.ReadKey();
        }

        public static void TrainAndSaveModel(MLContext mlContext)
        {
            // STEP 1: 准备数据
            var fulldata = mlContext.Data.LoadFromTextFile(path: TrainDataPath,
                    columns: new[]
                    {
                        new TextLoader.Column("Serial", DataKind.Single, ),
                        new TextLoader.Column("PixelValues", DataKind.Single, , ),
                        new TextLoader.Column("Number", DataKind.Single, )
                    },
                    hasHeader: true,
                    separatorChar: ','
                    );

            var trainTestData = mlContext.Data.TrainTestSplit(fulldata, testFraction: 0.2);
            var trainData = trainTestData.TrainSet;
            var testData = trainTestData.TestSet;

            // STEP 2: 配置数据处理管道
            var dataProcessPipeline = mlContext.Transforms.Conversion.MapValueToKey("Label", "Number", keyOrdinality: ValueToKeyMappingEstimator.KeyOrdinality.ByValue);

            // STEP 3: 配置训练算法
            var trainer = mlContext.MulticlassClassification.Trainers.SdcaMaximumEntropy(labelColumnName: "Label", featureColumnName: "PixelValues");
            var trainingPipeline = dataProcessPipeline.Append(trainer)
              .Append(mlContext.Transforms.Conversion.MapKeyToValue("Number", "Label"));

            // STEP 4: 训练模型使其与数据集拟合
            Console.WriteLine("=============== Train the model fitting to the DataSet ===============");           

            ITransformer trainedModel = trainingPipeline.Fit(trainData);         

            // STEP 5:评估模型的准确性
            Console.WriteLine("===== Evaluating Model's accuracy with Test data =====");
            var predictions = trainedModel.Transform(testData);
            var metrics = mlContext.MulticlassClassification.Evaluate(data: predictions, labelColumnName: "Number", scoreColumnName: "Score");
            PrintMultiClassClassificationMetrics(trainer.ToString(), metrics);

            // STEP 6:保存模型
            mlContext.ComponentCatalog.RegisterAssembly(typeof(DebugConversion).Assembly);
            mlContext.Model.Save(trainedModel, trainData.Schema, ModelPath);
            Console.WriteLine("The model is saved to {0}", ModelPath);
        }

        private static void TestSomePredictions(MLContext mlContext)
        {
            // Load Model
            ITransformer trainedModel = mlContext.Model.Load(ModelPath, out var modelInputSchema);

            // Create prediction engine
            var predEngine = mlContext.Model.CreatePredictionEngine<InputData, OutPutData>(trainedModel);

            //num 1
            InputData MNIST1 = new InputData()
            {
                PixelValues = new float[] { , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,  }
            };
            var resultprediction1 = predEngine.Predict(MNIST1);
            resultprediction1.PrintToConsole();
        }
    }

    class InputData
    {
        public float Serial;
        [VectorType()]
        public float[] PixelValues;
        public float Number;
    }

    class OutPutData : InputData
    {
        public float[] Score;
    }
}

三、分析

整体流程和二元分类没有什么区别，下面解释一下有差异的两个地方。

 1、加载数据

      // STEP 1: 准备数据
            var fulldata = mlContext.Data.LoadFromTextFile(path: TrainDataPath,
                    columns: new[]
                    {
                        new TextLoader.Column("Serial", DataKind.Single, ),
                        new TextLoader.Column("PixelValues", DataKind.Single, , ),
                        new TextLoader.Column("Number", DataKind.Single, )
                    },
                    hasHeader: true,
                    separatorChar: ','
                    );

这次我们不是通过实体对象来加载数据，而是通过列信息来进行加载，其中PixelValues是特征值，Number是标签值。

2、训练通道

            // STEP 2: 配置数据处理管道
            var dataProcessPipeline = mlContext.Transforms.Conversion.MapValueToKey("Label", "Number", keyOrdinality: ValueToKeyMappingEstimator.KeyOrdinality.ByValue)

            // STEP 3: 配置训练算法
            var trainer = mlContext.MulticlassClassification.Trainers.SdcaMaximumEntropy(labelColumnName: "Label", featureColumnName: "PixelValues");
            var trainingPipeline = dataProcessPipeline.Append(trainer) 
                 .Append(mlContext.Transforms.Conversion.MapKeyToValue("Number", "Label")); 

            // STEP 4: 训练模型使其与数据集拟合 
            ITransformer trainedModel = trainingPipeline.Fit(trainData);

首先通过MapValueToKey方法将Number值转换为Key类型，多元分类算法要求标签值必须是这种类型（类似枚举类型，二元分类要求标签为BOOL类型）。关于这个转换的原因及编码方式，下面详细介绍。

四、键值类型编码与独热编码

MapValueToKey功能是将（字符串）值类型转换为KeyTpye类型。

有时候某些输入字段用来表示类型（类别特征），但本身并没有特别的含义，比如编号、电话号码、行政区域名称或编码等，这里需要把这些类型转换为1到一个整数如1-300来进行重新编号。

举个简单的例子，我们进行图片识别的时候，目标结果可能是“猫咪”、“小狗”、“人物”这些分类，需要把这些分类转换为1、2、3这样的整数。但本文的标签值本身就是1、2、3，为什么还要转换呢？因为我们这里的一二三其实不是数学意义上的数字，而是一种标志，可以理解为壹、贰、叁，所以要进行编码。

MapKeyToValue和MapValueToKey相反，它把将键类型转换回其原始值（字符串）。就是说标签是文本格式，在运算前已经被转换为数字枚举类型了，此时预测结果为数字，通过MapKeyToValue将其结果转换为对应文本。

MapValueToKey一般是对标签值进行编码，一般不用于特征值，如果是特征值为字符串类型的，建议采用独热编码。独热编码即 One-Hot 编码，又称一位有效编码，其方法是使用N位状态寄存器来对N个状态进行编码，每个状态都由他独立的寄存器位，并且在任意时候，其中只有一位有效。例如：

自然状态码为：0,1,2,3,4,5
独热编码为：000001,000010,000100,001000,010000,100000

怎么理解这个事情呢？举个例子，假如我们要进行人的身材的分析，但我们希望加入地域特征，比如：“黑龙江”、“山东”、“湖南”、“广东”这种特征，但这种字符串机器学习是不认识的，必须转换为浮点数，刚才提到MapKeyToValue可以把字符串转换为数字，为什么这里要采用独热编码呢？简单来说，假设把地域名称转换为1到10几个数字，在欧氏几何中1到3的欧拉距离和1到9的欧拉距离是不等的，但经过独热编码后，任意两点间的欧拉距离都是相等的，而我们这里的地域特征仅仅是想表达分类关系，彼此之间没有其他逻辑关系，所以应该采用独热编码。

五、进度调试

一般机器算法的数据拟合过程时间都比较长，有时程序跑了两个小时还没结束，也不知道还需要多长时间，着实让人着急，所以及时了解学习进度，是很有必要的。

由于机器学习算法一般都有“递归直到收敛”这种操作，所以我们是没有办法预先知道最终运算次数的，能做到的只能打印一些过程信息，看到程序在动，心里也有点底，当系统跑过一次之后，基本就大致知道需要多少次拟合了，后面再调试就可以大致了解进度了。补充一句，可不可以在测试阶段先减少样本数据进行快速调试，调试通过后再切换到全样本进行训练？其实不行，有时候样本数量小，可能会引起指标震荡，时间反而长了。

之前在Githube上看到有人通过MLContext.LOG事件来打印调试信息，我试了一下，发现没法控制筛选内容，不太方便，后来想到一个方法，就是新增一个自定义数据处理通道，这个通道不做具体事情，就打印调试信息。

类定义：

namespace MulticlassClassification_Mnist
{
    public class DebugConversionInput
    {
        public float Serial { get; set; }
    }

    public class DebugConversionOutput
    {
        public float DebugFeature { get; set; }
    }

    [CustomMappingFactoryAttribute("DebugConversionAction")]
    public class DebugConversion : CustomMappingFactory<DebugConversionInput, DebugConversionOutput>
    {       static long TotalCount = ;

        public void CustomAction(DebugConversionInput input, DebugConversionOutput output)
        {
            output.DebugFeature = 1.0f;  
            TotalCount++;
            Console.WriteLine($"DebugConversion.CustomAction's debug info.TotalCount={TotalCount} ");
        }

        public override Action<DebugConversionInput, DebugConversionOutput> GetMapping()
              => CustomAction;
    }
}

使用方法：

 var dataProcessPipeline = mlContext.Transforms.CustomMapping(new DebugConversion().GetMapping(), contractName: "DebugConversionAction")
       .Append(...)
       .Append(mlContext.Transforms.Concatenate("Features", new string[] { "RealFeatures", "DebugFeature" }));

通过CustomMapping加载我们自定义的数据处理通道，由于数据集是懒加载（Lazy）的，所以必须把我们自定义数据处理通道的输出加入为特征值，才能参与运算，然后算法在操作每一条数据时都会调用到CustomAction方法，这样就可以打印进度信息了。为了不影响运算结果，我们把这个数据处理通道的输出值固定为1.0f 。

六、资源获取

源码下载地址：https://github.com/seabluescn/Study_ML.NET

工程名称：MulticlassClassification_Mnist

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