python LIBSVMの学习データのスケーリングを行う。

Posted 2021-05-10

#! /usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-

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# LIBSVM(LIBLINEAR)の学習データのスケーリング（標準化）を行う．
# 各素性が平均0，分散1の正規分布に従うようにスケーリングする．
#
# 次のコマンドで実行できる．
# 	$ python libsvm_gaussian_scaler.py [options]
# 		[options]
# 		-i file: 入力ファイル．省略すると35行目付近のINPUT_PATHで指定した値となる．
# 		-o file: 出力ファイル．基本は省略して構わないが，名前を指定したい時に．
#
# 入力ファイルのフォーマットはLIBSVMの学習データのフォーマットと同様．
#
# 出力ファイルは2種類のテキストファイル．
# デフォルトでは入力ファイルと同一ディレクトリに出力される．
# 1. 入力ファイル名.out
#     スケーリングを行った学習データのファイル．フォーマットは入力と同じ．
# 2. 入力ファイル名.out.stats
#     各素性の「素性id 平均 標準偏差」がこの順番で記されているtsvファイル．
#
# LIBSVM
# http://www.csie.ntu.edu.tw/~cjlin/libsvm/
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import argparse
import os
import re
import sys
import numpy as np
from scipy import stats

# デフォルトの入力ファイル
INPUT_PATH = ''
# 省略された素性の値
DEFAULT_FEATURE_VALUE = 0

def exec_argparse():
    '''
    引数をパースした結果を連想配列で返す．
    input_file: 入力ファイルパス
    output_file: 出力ファイルパス
    '''
    parser = argparse.ArgumentParser(description='')
    parser.add_argument('-i', '--input_file', help='入力するファイル', default=INPUT_PATH)
    parser.add_argument('-o', '--output_file', help='出力するファイル')
    return parser.parse_args()


def get_number_of_features(input_file):
    '''
    入力ファイルの素性数を返す．
    （素性idの最大値を見つける．）
    '''
    # 素性idの最大値（これが素性数になる）
    max_id = 0

    # 入力ファイルを開く
    f_input_file = open(input_file, 'r')

    # 事例ごとの素性idの最大値を，現在の素性idの最大値と比較し，更新する．
    for line in f_input_file:
        line = line.rstrip() # 末尾の改行を削除
        field = line.split(' ') # 半角スペースでフィールド分割
        del field[0] # ラベルフィールドは不要なので削除
        for feature in field: # 素性を1つずつ見ていく
            field2 = feature.split(':') # idと素性値に分割
            if int(field2[0])>max_id: # 最大値なら更新
                max_id=int(field2[0])
    f_input_file.close()
    return max_id


def complement_feature(field, number_of_features):
    '''
    省略された素性idを補完した素性値配列を生成して返す
    '''
    feature_dict = {} # 素性値を一旦辞書に格納（keyが素性id）．
    for feature in field:
        field2 = feature.split(':')
        feature_dict[int(field2[0])]=field2[1]
    feature_array = []
    for i in range(1, number_of_features+1):
        if i in feature_dict:
            feature_array.append(feature_dict[i])
        else:
            feature_array.append(DEFAULT_FEATURE_VALUE)
    return feature_array


def convert_to_numpy_array_from_liblinear_file(input_file):
    '''
    liblinear形式のファイルを2つの配列に格納．2つの配列を含むtupleを返す．
    '''

    # 素性数のチェック
    number_of_features = get_number_of_features(input_file)

    # 配列の初期化
    label_array = [] # ラベル配列
    feature_array = np.zeros(number_of_features) # 素性値のnumpy配列

    # 入力ファイルを開く
    f_input_file = open(input_file, 'r')

    # 1行ずつ処理．
    for line in f_input_file:
        line = line.rstrip() # 末尾の改行を削除
        field = line.split(' ') # 半角スペースでフィールド分割
        label_array.append(field[0]) # ラベル配列に追加
        del field[0] # ラベルフィールドは素性値配列に不要なので削除

        # 省略された素性値の補完
        field = complement_feature(field, number_of_features)

        # feature_arrayに追加
        feature_array=np.vstack((feature_array, np.array(field, dtype=float)))

    f_input_file.close()
    feature_array = np.delete(feature_array, 0, 0) # 初期化に利用した最初の行は不要なので削除
    return (label_array, feature_array)


def write_zscore(input_file, output_file, zscore_array, liblinear_tuple):
    '''
    スケーリング結果をliblinear形式のファイルとして出力
    '''
    # 出力ファイルの初期化（削除）
    if os.path.exists(output_file):
        os.remove(output_file)

    # 出力
    f_output_file = open(output_file, "a")
    for i in range(0, len(liblinear_tuple[0])):
        line = []
        line.append(liblinear_tuple[0][i])
        line.append(' ')
        for j in range(0, len(zscore_array[0])):
            line.append(str(j+1))
            line.append(':')
            if zscore_array[i][j]!=zscore_array[i][j]: # NaN対策
                zscore_array[i][j]=0.0
            line.append(str(zscore_array[i][j]))
            line.append(' ')
        line.append('\n')
        f_output_file.write(''.join(line))
    f_output_file.close()


def write_stats(output_file, mean_array, std_array):
    '''
    素性毎の平均と標準偏差をtsv形式でファイル出力．
    '''
    # 出力ファイルのパスはoutput_file.stats
    output_file = output_file+'.stats'

    # 出力ファイルの初期化（削除）
    if os.path.exists(output_file):
        os.remove(output_file)

    #出力
    f_output_file = open(output_file, "a")
    for i in range(0, len(mean_array)):
        line = []
        line.append(str(i+1))
        line.append('\t')
        line.append(str(mean_array[i]))
        line.append('\t')
        line.append(str(std_array[i]))
        line.append('\n')
        f_output_file.write(''.join(line))
    f_output_file.close()


def write_results(input_file, output_file, zscore_array, mean_array, std_array, liblinear_tuple):
    '''
    結果をファイル出力
    '''
    # 出力ファイルが指定されていなければinput_file.outに出力
    if output_file == None:
        output_file=input_file+'.out'

    # 出力
    write_zscore(input_file, output_file, zscore_array, liblinear_tuple)
    write_stats(output_file, mean_array, std_array)

def main():
    # 引数をパースしてargsに格納
    args = exec_argparse()

    # liblinear形式のファイルを2つの配列に格納．2つの配列を含むtupleが返ってくる．
    sys.stdout.write('loading file ... ')
    liblinear_tuple = convert_to_numpy_array_from_liblinear_file(args.input_file)
    print 'done'

    # スケーリング
    sys.stdout.write('scaling ... ')
    zscore_array = stats.zscore(liblinear_tuple[1], axis=0, ddof=1).astype(np.float16) # スケーリング後の素性値
    mean_array = np.mean(liblinear_tuple[1], axis=0, dtype=np.float16) # 平均
    std_array = np.std(liblinear_tuple[1], axis=0, ddof=1, dtype=np.float16) # 標準偏差
    print 'done'

    # スケーリング結果をファイル出力．
    sys.stdout.write('writing ... ')
    write_results(args.input_file, args.output_file, zscore_array, mean_array, std_array, liblinear_tuple)
    print 'done'

    print 'Finish.'


if __name__ == "__main__":
    main()