昇思25天学习打卡营第9天|应用实践之基于MindSpore实现的红酒分类实验

基本介绍

今日要学习的是使用KNN算法进行红酒分类，实践是基于MindSpore平台的，采用模式识别著名的数据集之一，Wine Data Set数据集。今日所学习的并不难，KNN是一个很成熟的算法了，网上教程很多，使用MindSpore的API可以很快速的搭建出KNN算法，而且数据集无需做额外的处理，简单可视化一下，划分一下数据即可，最后进行训练验证。KNN算法算是传统的机器学习算法，与深度学习超多参数不一样，KNN训练和推理速度都很快，也不需要NPU、GPU，所以本次实验使用了CPU，当然也可以使用NPU和GPU，不过因为数据集也很小，使用NPU或GPU反而可能因为数据传输等问题更慢些。

KNN基本原理

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，今日实践使用的是欧式距离。
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）。

今日使用KNN用于分类任务，所以只简单介绍分类流程，具体流程如下：

（1）在训练样本集中找出距离待测样本x_test最近的k个样本，并保存至集合N中；

（2）统计集合N中每一类样本的个数 C_i,i=1,2,3,...,c;

（3）最终的分类结果为 argmax C_i （最大的对应的 C_i ）那个类。

在上述实现过程中，k的取值尤为重要。它可以根据问题和数据特点来确定。在具体实现时，可以考虑样本的权重，即每个样本有不同的投票权重，这种方法称为带权重的k近邻算法，它是一种变种的k近邻算法。

KNN实践运行

数据准备

数据采用的是开源的红酒数据集，该数据集有三种葡萄酒，每种有13个属性，总共178条数据样本(真的很少)，可以从官网或者华为云OBS下载，我选择后者，因为后者更快。下载后将其读取到内存中，部分数据情况如下：

由于数据的属性超过3个，很难将其可视化，于是选用其中两个属性进行可视化，可视化结果如下：

最后将数据划分为训练集和预测集，数目分别是128和50

模型搭建

数据集准备很容易，接着就是使用MindSpore搭建KNN模型，核心也非常简单，就是计算距离即可，代码如下：

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

模型训练与预测

其实对于KNN来说训练和验证是一起的，二者一般不会严格区分。在开始之前，需要先实现分类流程，代码如下：

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

之后便可进行训练预测，采用的是准确率作为评价指标，我在NPU和CPU平台上都跑了，发现前者慢一些，但是准确更高，后者快一些，但是准确率较低，很是奇怪。关于运行速度，大概率是数据传输的原因，我多次在NPU平台上运行代码，只有第一次很慢，剩余几次都和CPU一样快。但是准确率差不少，如下的上图是NPU结果，下图是CPU结果，两个准确率高达8%，很是吓人。

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