支持向量機(jī)

支持向量機(jī)（Support Vector Machine, SVM）是一種二分類(lèi)模型，目標(biāo)是尋找一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)（稱(chēng)為超平面）對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，分割的原則是確保分類(lèi)最優(yōu)化（類(lèi)別之間的間隔最大）。

當(dāng)數(shù)據(jù)集較小時(shí)，使用支持向量機(jī)進(jìn)行分類(lèi)非常有效。

支持向量機(jī)是最好的現(xiàn)成分類(lèi)器之一，“現(xiàn)成”是指分類(lèi)器不加修改即可直接使用。

在對(duì)原始數(shù)據(jù)分類(lèi)的過(guò)程中，可能無(wú)法使用線(xiàn)性方法實(shí)現(xiàn)分割。支持向量機(jī)在分類(lèi)時(shí)，把無(wú)法線(xiàn)性分割的數(shù)據(jù)映射到高維空間，然后在高維空間找到分類(lèi)最優(yōu)的線(xiàn)性分類(lèi)器。

Python支持向量機(jī)的庫(kù): sk-learn , LIBSVM等

OpenCV也提供了對(duì)支持向量機(jī)的支持

理論基礎(chǔ)

用于劃分不同類(lèi)別的直線(xiàn)，就是分類(lèi)器。

構(gòu)造分類(lèi)器時(shí)，非常重要的一項(xiàng)工作就是找到最優(yōu)分類(lèi)器。

找到支持向量機(jī)：在已有數(shù)據(jù)中，找到離分類(lèi)器最近的點(diǎn)，確保它們離分類(lèi)器盡可能地遠(yuǎn)。

離分類(lèi)器最近的點(diǎn)到分類(lèi)器的距離稱(chēng)為間隔（margin）。希望間隔盡可能地大，這樣分類(lèi)器在處理數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)更準(zhǔn)確。

離分類(lèi)器最近的那些點(diǎn)叫作支持向量（support vector）。 決定了分類(lèi)器所在的位置。

將不可分變?yōu)榭煞?/p>

支持向量機(jī)會(huì)將不那么容易分類(lèi)的數(shù)據(jù)通過(guò)函數(shù)映射變?yōu)榭煞诸?lèi)的。

支持向量機(jī)在處理數(shù)據(jù)時(shí)，如果在低維空間內(nèi)無(wú)法完成分類(lèi)，就會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)映射到高維空間，使其變?yōu)椋ň€(xiàn)性）可分的。簡(jiǎn)單地講，就是對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)映射操作。

例如： 在分類(lèi)時(shí)，通過(guò)函數(shù)f的映射，讓左圖中本來(lái)不能用線(xiàn)性分類(lèi)器分類(lèi)的數(shù)據(jù)變?yōu)橛覉D中線(xiàn)性可分的數(shù)據(jù)。

同時(shí): 支持向量機(jī)能夠通過(guò)核函數(shù)有效地降低計(jì)算復(fù)雜度。

實(shí)際上支持向量機(jī)可以處理任何維度的數(shù)據(jù)。在不同的維度下，支持向量機(jī)都會(huì)盡可能尋找類(lèi)似于二維空間中的直線(xiàn)的線(xiàn)性分類(lèi)器。

例如，在二維空間，支持向量機(jī)會(huì)尋找一條能夠劃分當(dāng)前數(shù)據(jù)的直線(xiàn)；在三維空間，支持向量機(jī)會(huì)尋找一個(gè)能夠劃分當(dāng)前數(shù)據(jù)的平面（plane）；在更高維的空間，支持向量機(jī)會(huì)嘗試尋找一個(gè)能夠劃分當(dāng)前數(shù)據(jù)的超平面（hyperplane）。

一般情況下，把能夠可以被一條直線(xiàn)（更一般的情況，即一個(gè)超平面）分割的數(shù)據(jù)稱(chēng)為線(xiàn)性可分的數(shù)據(jù)，所以超平面是線(xiàn)性分類(lèi)器。

“支持向量機(jī)”是由“支持向量”和“機(jī)器”構(gòu)成的。

• “支持向量”是離分類(lèi)器最近的那些點(diǎn)，這些點(diǎn)位于最大“間隔”上。通常情況下，分類(lèi)僅依靠這些點(diǎn)完成，而與其他點(diǎn)無(wú)關(guān)。
• “機(jī)器”指的是分類(lèi)器。

支持向量機(jī)是一種基于關(guān)鍵點(diǎn)的分類(lèi)算法。

SVM使用介紹

在使用支持向量機(jī)模塊時(shí)，需要先使用函數(shù)cv2.ml.SVM_create()生成用于后續(xù)訓(xùn)練的空分類(lèi)器模型。

語(yǔ)法格式：

svm = cv2.ml.SVM_create()

獲取了空分類(lèi)器svm后，針對(duì)該模型使用svm.train()函數(shù)對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練

語(yǔ)法格式

訓(xùn)練結(jié)果= svm.train(訓(xùn)練數(shù)據(jù)，訓(xùn)練數(shù)據(jù)排列格式，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的標(biāo)簽) 

• 訓(xùn)練數(shù)據(jù)：表示原始數(shù)據(jù)，用來(lái)訓(xùn)練分類(lèi)器。
• 訓(xùn)練數(shù)據(jù)排列格式：原始數(shù)據(jù)的排列形式有按行排列（cv2.ml.ROW_SAMPLE，每一條訓(xùn)練數(shù)據(jù)占一行）和按列排列（cv2.ml.COL_SAMPLE，每一條訓(xùn)練數(shù)據(jù)占一列）兩種形式
• 訓(xùn)練數(shù)據(jù)的標(biāo)簽：原始數(shù)據(jù)的標(biāo)簽。
• 訓(xùn)練結(jié)果：訓(xùn)練結(jié)果的返回值。

例如： 用于訓(xùn)練的數(shù)據(jù)為data，其對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽為label，每一條數(shù)據(jù)按行排列，對(duì)分類(lèi)器模型svm進(jìn)行訓(xùn)練，所使用的語(yǔ)句為：

返回值 = svm.train(data, cv2.ml.ROW_SAMPLE, label) 

完成對(duì)分類(lèi)器的訓(xùn)練后，使用svm.predict()函數(shù)即可使用訓(xùn)練好的分類(lèi)器模型對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，其語(yǔ)法格式為：

(返回值，返回結(jié)果) = svm.predict(測(cè)試數(shù)據(jù)) 

OpenCV支持對(duì)多個(gè)參數(shù)的自定義，例如：可以通過(guò)setType()函數(shù)設(shè)置類(lèi)別，通過(guò)setKernel()函數(shù)設(shè)置核類(lèi)型，通過(guò)setC()函數(shù)設(shè)置支持向量機(jī)的參數(shù)C ( 懲罰系數(shù)，即對(duì)誤差的寬容度，默認(rèn)值為0 ）。

例子介紹

題目： 已知員工的筆試成績(jī)、面試成績(jī)及對(duì)應(yīng)的等級(jí)表現(xiàn)，根據(jù)新入職員工的筆試成績(jī)、面試成績(jī)預(yù)測(cè)其可能的表現(xiàn)。

首先構(gòu)造一組隨機(jī)數(shù)，并將其劃分為兩類(lèi)，然后使用OpenCV自帶的支持向量機(jī)模塊完成訓(xùn)練和分類(lèi)工作，最后將運(yùn)算結(jié)果顯示出來(lái)。

具體步驟：

• 生成模擬數(shù)據(jù)

  模擬生成入職一年后表現(xiàn)為A級(jí)的員工入職時(shí)的筆試和面試成績(jī)。

  構(gòu)造20組筆試和面試成績(jī)都分布在[95, 100)區(qū)間的數(shù)據(jù)對(duì)：

  a = np.random.randint(95,100, (20, 2)).astype(np.float32) 

  上述模擬成績(jī)，在一年后對(duì)應(yīng)的工作表現(xiàn)為A級(jí)。

  模擬生成入職一年后表現(xiàn)為B級(jí)的員工入職時(shí)的筆試和面試成績(jī)。

  構(gòu)造20組筆試和面試成績(jī)都分布在[90, 95)區(qū)間的數(shù)據(jù)對(duì)：

  b = np.random.randint(90,95, (20, 2)).astype(np.float32) 

  上述模擬成績(jī)，在一年后對(duì)應(yīng)的工作表現(xiàn)為B級(jí)。

  最后，將兩組數(shù)據(jù)合并，并使用numpy.array對(duì)其進(jìn)行類(lèi)型轉(zhuǎn)換：

  data = np.vstack((a, b)) 
  data = np.array(data, dtype='float32')     

• 構(gòu)造分組標(biāo)簽

  為對(duì)應(yīng)表現(xiàn)為A級(jí)的分布在[95, 100)區(qū)間的數(shù)據(jù)，構(gòu)造標(biāo)簽“0”：

  aLabel=np.zeros((20,1)) 

  為對(duì)應(yīng)表現(xiàn)為B級(jí)的分布在[90, 95)區(qū)間的數(shù)據(jù)，構(gòu)造標(biāo)簽“1”：

  bLabel=np.ones((20,1)) 

  將上述標(biāo)簽合并，并使用numpy.array對(duì)其進(jìn)行類(lèi)型轉(zhuǎn)換：

  label = np.vstack((aLabel, bLabel)) 
  label = np.array(label, dtype='int32') 

• 訓(xùn)練

  用支持向量機(jī)模塊對(duì)已知的數(shù)據(jù)和其對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽進(jìn)行訓(xùn)練：

  svm = cv2.ml.SVM_create() 
  result = svm.train(data, cv2.ml.ROW_SAMPLE, label) 

• 分類(lèi)

  生成兩個(gè)隨機(jī)的數(shù)據(jù)對(duì)(筆試成績(jī)，面試成績(jī))用于測(cè)試。

  test = np.vstack([[98,90], [90,99]]) 
  test = np.array(test, dtype='float32') 

  使用函數(shù)svm.predict()對(duì)隨機(jī)成績(jī)分類(lèi)：

  (p1, p2) = svm.predict(test) 

• 顯示分類(lèi)結(jié)果

  將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（訓(xùn)練數(shù)據(jù)）、用于測(cè)試的數(shù)據(jù)（測(cè)試數(shù)據(jù)）在圖像上顯示出來(lái)：

  plt.scatter(a[:,0], a[:,1], 80, 'g', 'o') 
  plt.scatter(b[:,0], b[:,1], 80, 'b', 's') 
  plt.scatter(test[:,0], test[:,1], 80, 'r', '*') 
  plt.show() 

  將測(cè)試數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)分類(lèi)結(jié)果顯示出來(lái)：

  print(test) 
  print(p2)

完整程序

import cv2 
import numpy as np 
import matplotlib.pyplot as plt 
# 準(zhǔn)備數(shù)據(jù) 
a = np.random.randint(95,100, (20, 2)).astype(np.float32) 
b = np.random.randint(90,95, (20, 2)).astype(np.float32) 
data = np.vstack((a, b)) 
data = np.array(data, dtype='float32') 
    
# 建立分組標(biāo)簽，0代表A級(jí)，1代表B級(jí) 
aLabel=np.zeros((20,1)) 
bLabel=np.ones((20,1)) 
label = np.vstack((aLabel, bLabel)) 
label = np.array(label, dtype='int32') 
    
# 訓(xùn)練 
svm = cv2.ml.SVM_create() 
# 屬性設(shè)置，直接采用默認(rèn)值即可 
#svm.setType(cv2.ml.SVM_C_SVC)    # svm type 
#svm.setKernel(cv2.ml.SVM_LINEAR) # line 
#svm.setC(0.01) 
result = svm.train(data, cv2.ml.ROW_SAMPLE, label) 
    
#預(yù)測(cè) 
test = np.vstack([[98,90], [90,99]]) 
test = np.array(test, dtype='float32') 
(p1, p2) = svm.predict(test)   # test 是 [[數(shù)據(jù)1],[數(shù)據(jù)2]] 結(jié)構(gòu)的
   
# 結(jié)果 
print(test)
print("res1",p2[0])
print("res2",p2[1]) 
plt.scatter(a[:,0], a[:,1], 80, 'g', 'o') 
plt.scatter(b[:,0], b[:,1], 80, 'b', 's') 
plt.scatter(test[:,0], test[:,1], 80, 'r', '*') 
plt.show() 

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