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          計算機視覺與機器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域不平衡數(shù)據(jù)處理綜述

          共 7360字,需瀏覽 15分鐘

           ·

          2021-04-09 17:00

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          簡介
          在現(xiàn)實世界中,我們收集的數(shù)據(jù)在大多數(shù)時候是嚴(yán)重不平衡的,所謂不平衡數(shù)據(jù)集就是訓(xùn)練樣本不是平均分布在目標(biāo)類中,例如,如果我們以個人貸款分類問題為例,就很容易得到“未批準(zhǔn)”的數(shù)據(jù),而不是“已批準(zhǔn)”的信息,結(jié)果,模型會更偏向具有大量訓(xùn)練實例的類,這降低了模型的預(yù)測能力。
          在典型的二元分類問題中,它還會II型錯誤的增加。這一障礙不僅局限于機器學(xué)習(xí)模型,而且也主要存在于計算機視覺和自然語言處理領(lǐng)域。這些問題可以通過對每個區(qū)域分別使用不同的技術(shù)來有效地處理。
          注意:本文將簡要概述各種可用的數(shù)據(jù)增強方法,但不深入技術(shù)細(xì)節(jié),這里展示的所有圖像都來自Kaggle。

          目錄

          1. 機器學(xué)習(xí)——不平衡數(shù)據(jù)(上采樣和下采樣)
          2. 計算機視覺——不平衡數(shù)據(jù)(圖像數(shù)據(jù)增強)
          3. NLP——不平衡數(shù)據(jù)(Google交易和分類權(quán)重)

          1. 機器學(xué)習(xí)——不平衡數(shù)據(jù)

          處理類不平衡的兩種主要方法是上采樣/過采樣和下采樣/欠采樣。抽樣過程只應(yīng)用于訓(xùn)練集,對驗證和測試數(shù)據(jù)不作任何更改。python中的Imblearn庫可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)重采樣。
          上采樣是將合成生成的數(shù)據(jù)點(對應(yīng)于少數(shù)類)注入數(shù)據(jù)集的過程,在這個過程之后,兩個標(biāo)簽的計數(shù)幾乎是相同的,這種均衡過程防止了模型向多數(shù)類傾斜,而且目標(biāo)類之間的交互(邊界)保持不變,同時,上采樣機制由于附加信息的存在而給系統(tǒng)帶來偏差。
          我們可以通過分析Google Analytics的貸款預(yù)測問題來解釋這些步驟。這里使用的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集可以在以下鏈接中找到。
          • https://datahack.analyticsvidhya.com/contest/practice-problem-loan-prediction-iii/
          下面提到的所有代碼都可以在GitHub存儲庫中找到。
          • https://github.com/NandhiniN85/Class-Imbalancing
          SMOTE(SyntheticMinorityOversamplingTechnique)——upsampling: 上采樣
          SMOTE基于knearestneighbors算法,綜合生成數(shù)據(jù)點,這些數(shù)據(jù)點位于已經(jīng)存在的數(shù)量被超過的群體附近。應(yīng)用此方法時,輸入記錄不應(yīng)包含任何空值。
          #import imblearn library
          from imblearn.over_sampling import SMOTENC
          oversample = SMOTENC(categorical_features=[0,1,2,3,4,9,10], random_state = 100)
          X, y = oversample.fit_resample(X, y)
          datduplicate—upsampling: 在這種方法中,已存在的數(shù)據(jù)點被隨機抽取并重復(fù)。
          from sklearn.utils import resample
          maxcount = 332
          train_nonnull_resampled = train_nonnull[0:0]
          for grp in train_nonnull['Loan_Status'].unique():
              GrpDF = train_nonnull[train_nonnull['Loan_Status'] == grp]
              resampled = resample(GrpDF, replace=True, n_samples=int(maxcount), random_state=123)
              train_nonnull_resampled = train_nonnull_resampled.append(resampled)
          下采樣是一種減少訓(xùn)練樣本落在多數(shù)類下的機制。因為它有助于平衡目標(biāo)類別的計數(shù),但刪除收集到的數(shù)據(jù),我們往往會丟失很多有價值的信息。
          Tomek (T-Links): -
          T-Link基本上是來自不同類(最近的鄰居)的一對數(shù)據(jù)點,其目標(biāo)是丟棄與多數(shù)類(數(shù)量較多的類)相對應(yīng)的樣本,從而減少占主導(dǎo)地位的標(biāo)簽的數(shù)量。這也增加了兩個標(biāo)簽之間的邊界空間,從而提高了性能準(zhǔn)確性。
          from imblearn.under_sampling import TomekLinks
          undersample = TomekLinks()
          X, y  = undersample.fit_resample(X, y)
          質(zhì)心
          基于: 算法嘗試在多數(shù)類中尋找同質(zhì)聚類,只保留質(zhì)心,這將減少多數(shù)類的最大份額。它利用了KMeans集群中使用的邏輯,但是很多有用的信息會被浪費。

          2. 計算機視覺——不平衡數(shù)據(jù)

          對于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),如圖像和文本輸入,上述平衡技術(shù)將不會有效。在計算機視覺中,模型的輸入是圖像中像素的張量表示,所以只是隨機改變像素值(為了添加更多的輸入記錄)就可以完全改變圖片本身的意義。有一種概念叫做數(shù)據(jù)增強,即圖像經(jīng)過大量轉(zhuǎn)換后仍然保持其意義不變。
          各種圖像轉(zhuǎn)換包括縮放、剪切、翻轉(zhuǎn)、填充、旋轉(zhuǎn)、亮度、對比度和飽和度變化,通過這樣做,僅使用單個圖像,就可以創(chuàng)建一個龐大的圖像數(shù)據(jù)集。
          讓我們看看Analyticsvidhya中發(fā)布的計算機視覺hackathon,使用的數(shù)據(jù)集可以在這里找到。
          • https://datahack.analyticsvidhya.com/contest/janatahack-computer-vision-hackathon/#ProblemStatement
          要求是將車輛分為緊急和非緊急兩類。為了便于說明,我們使用“0.jpg”圖像。
          from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator, array_to_img, img_to_array, load_img
          datagen = ImageDataGenerator(
                  rotation_range=40,
                  width_shift_range=0.2,
                  height_shift_range=0.2,
                  shear_range=0.2,
                  zoom_range=0.2,
                  horizontal_flip=True,
                  fill_mode='nearest')
          img = load_img('images/0.jpg')  
          x = img_to_array(img)  
          x = x.reshape((1,) + x.shape)  
          print(x.shape)
          # the .flow() command below generates batches of randomly transformed images
          # and saves the results to the `preview/` directory
          i = 0
          for batch in datagen.flow(x, batch_size=1,
                                    save_to_dir='preview', save_prefix='vehichle', save_format='jpeg'):
              i += 1
              if i > 19:
                  break  # otherwise the generator would loop indefinitely
          在GitHub存儲庫中可以找到整個代碼和一個預(yù)訓(xùn)練過的模型。
          • https://github.com/NandhiniN85/Class-Imbalancing/blob/main/Computer%20Vision%20-%20Data%20Imbalanced.ipynb
          可以參考這個鏈接了解ImageDataGenerator的詳細(xì)用法。
          • https://keras.io/api/preprocessing/image/

          3. NLP——不平衡數(shù)據(jù)

          自然語言處理模型處理序列數(shù)據(jù),如文本、移動圖像,其中當(dāng)前數(shù)據(jù)與之前的數(shù)據(jù)有時間依賴性。由于文本輸入屬于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),所以我們要以不同的方式處理這些場景。例如,以票據(jù)分類語言模型為例,其中IT票據(jù)必須根據(jù)輸入文本中出現(xiàn)的單詞順序分配給不同的組。
          谷歌翻譯(google trans python包): 這是擴展少數(shù)群體數(shù)量的有用技術(shù)之一。在這里,我們把給定的句子翻譯成“非英語”語言,然后再翻譯成“英語”,通過這種方式,可以維護輸入消息的重要細(xì)節(jié),但是單詞的順序/有時具有相似意義的新詞作為新記錄引入,從而增加了不足類的計數(shù)。
          輸入文字- "warning for using windows disk space"
          數(shù)據(jù)補充文字-“Warning about using Windows storage space”
          即使上面的句子的意思是一樣的,它也引入了新單詞,從而通過擴大輸入樣本的數(shù)量來提高語言模型的學(xué)習(xí)能力。
          下面執(zhí)行的代碼可以在GitHub存儲庫中找到。
          • https://github.com/NandhiniN85/Class-Imbalancing/blob/main/NLP%20-%20Class%20Imbalanced.ipynb
          這個例子只包含了一個非英語代碼。在google trans 中使用的語言代碼的完整列表可以在以下鏈接找到:https://py-googletrans.readthedocs.io/en/latest/
          from googletrans import Translatortranslator = Translator()
          def German_translation(x):    print(x)        german_translation = translator.translate(x, dest='de')        return german_translation.text
          def English_translation(x):    print(x)    
              english_translation = translator.translate(x, dest='en')        return english_translation.text
          x = German_translation("warning for using windows disk space")
          English_translation(x)
          類權(quán)重: 該方法是在擬合模型過程中利用類權(quán)重參數(shù)。對于目標(biāo)中的每個類別,都分配一個權(quán)重,與多數(shù)類相比,少數(shù)類將獲得更多的權(quán)重,因此,在反向傳播過程中,與少數(shù)類相關(guān)聯(lián)的損失值越大,模型會對輸出中的所有類一視同仁。
          import numpy as np
          from tensorflow import keras
          from sklearn.utils.class_weight import compute_class_weight
          y_integers = np.argmax(raw_y_train, axis=1)
          class_weights = compute_class_weight('balanced', np.unique(y_integers), y_integers)
          d_class_weights = dict(enumerate(class_weights))
          history = model.fit(input_final, raw_y_train, batch_size=32, class_weight = d_class_weights, epochs=8,callbacks=[checkpoint,reduceLoss],validation_data =(val_final, raw_y_val), verbose=1)
          這個選項在機器學(xué)習(xí)分類器中也可用,如我們給class_weight = ' balanced '的' SVM '。
          # fit the training dataset on the classifier
          SVM = svm.SVC(C=1.0, kernel='linear', degree=3, gamma='auto', class_weight='balanced', random_state=100)
          使用類權(quán)重的整個python代碼可以在GitHub鏈接中找到。
          • https://github.com/NandhiniN85/Class-Imbalancing/blob/main/English_raw200_model_execution.ipynb

          結(jié)論

          到目前為止,我們已經(jīng)討論了不同領(lǐng)域處理不平衡數(shù)據(jù)的各種方法,如機器學(xué)習(xí)、計算機視覺和自然語言處理。盡管這些方法只是解決多數(shù)Vs少數(shù)目標(biāo)群體問題的開始,還有其他先進的技術(shù)可以進一步探索。



          ☆ END ☆
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