基于随机森林算法的人脸数据集分类

Posted 2022-03-23 ZHW_AI课题组

目录

• 1. 作者介绍
• 2. 关于理论方面的知识介绍
• 随机森林
• 3. 实验过程
• • 3.1 数据集介绍
  • 3.2 实验代码
  • 3.3 运行结果
  • 3.3 实验总结
• 参考

1. 作者介绍

李佳敏，女，西安工程大学电子信息学院，2021级研究生
研究方向：模式识别与人工智能
电子邮件：[e-mail]

吴燕子，女，西安工程大学电子信息学院，2021级研究生，张宏伟人工智能课题组
研究方向：模式识别与人工智能
电子邮件：[e-mail]

2. 关于理论方面的知识介绍

随机森林

随机森林实际上是一种特殊的bagging方法，它将决策树用作bagging中的模型。首先，用bootstrap方法生成m个训练集，然后，对于每个训练集，构造一颗决策树，在节点找特征进行分裂的时候，并不是对所有特征找到能使得指标（如信息增益）最大的，而是在特征中随机抽取一部分特征，在抽到的特征中间找到最优解，应用于节点，进行分裂。随机森林的方法由于有了bagging，也就是集成的思想在，实际上相当于对于样本和特征都进行了采样（如果把训练数据看成矩阵，就像实际中常见的那样，那么就是一个行和列都进行采样的过程），所以可以避免过拟合。
简而言之：随机森林建立了多个决策树，并将它们合并在一起以获得更准确和稳定的预测。

3. 实验过程

3.1 数据集介绍

Labeled Faces in the Wild是一个面部照片数据库，专为研究无约束人脸识别问题而设计。该数据集包含从网络收集的13,000多张面部图像。每张脸都标有图中人物的名字。图中的1680人在数据集中有两张或更多不同的照片。该数据集是在互联网上收集的著名人物的JPEG图片的集合。
>介绍数据集，准备和需要安装的软件包
代码力求有详细的注释，面向初学者群体
使用python，黑色背景的代码块

3.2 实验代码

import numpy as np
from sklearn.datasets import fetch_lfw_people

X, labels = fetch_lfw_people(return_X_y=True, min_faces_per_person=230)
print(X.shape, labels.shape)
print(len(set(labels)))  # 类别数

from sklearn.decomposition import PCA

pca = PCA(n_components=200, random_state=2022)  # PCA降维，10304维变100维
X = pca.fit_transform(X)  # 执行降维

from sklearn.model_selection import train_test_split

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, labels, random_state=2022, test_size=0.25, shuffle=True)
# 分割数据集，测试集占25%

from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

rf = RandomForestClassifier(n_estimators=100, n_jobs=-1,
                            random_state=2022,
                            max_depth=9)  # 随机森林模型 n_estimators决策树数量 n_jobs使用所有cpu核心计算 random_state随机种子，结果可重现
rf.fit(X_train, y_train)  # 训练
print("训练集准确率", rf.score(X_train, y_train))
print("测试集准确率", rf.score(X_test, y_test))

from sklearn.metrics import classification_report
from sklearn.metrics import accuracy_score, recall_score, precision_score, f1_score

pre = rf.predict(X_test)  # 预测 类别
print("测试集准确率", accuracy_score(y_test, pre))
print("测试集召回率", recall_score(y_test, pre, average="weighted"))
print("测试集精确率", precision_score(y_test, pre, average="weighted"))
print("测试集f1", f1_score(y_test, pre, average="weighted"))

from sklearn.model_selection import KFold

metrics = []  # 评估指标
kf = KFold(n_splits=5, shuffle=True, random_state=2022)  # n_splits折数 shuffle打乱 random_state随机种子，结果可重现
for train, test in kf.split(X):
    X_train, X_test, y_train, y_test = X[train], X[test], labels[train], labels[test]  # 重新划分数据集
    rf = RandomForestClassifier(n_estimators=100, n_jobs=-1, random_state=2022, max_depth=9)
    rf.fit(X_train, y_train)
    pre = rf.predict(X_test)  # 预测 类别
    metrics.append([accuracy_score(y_test, pre),
                    recall_score(y_test, pre, average="weighted"),
                    precision_score(y_test, pre, average="weighted"),
                    f1_score(y_test, pre, average="weighted"),
                    ])
metrics = np.mean(metrics, axis=0)  # 求平均值

print("5折交叉验证 准确率、召回率、精确率和f1分别为", metrics)

3.3 运行结果

3.3 实验总结

随机森林的一个优点是它可以用于回归和分类任务，并且很容易查看模型的输入特征的相对重要性。随机森林同时也被认为是一种非常方便且易于使用的算法，因为它是默认的超参数通常会产生一个很好的预测结果。超参数的数量也不是那么多，而且它们所代表的含义直观易懂。机器学习中的一个重大问题是过拟合，但大多数情况下这对于随机森林分类器而言不会那么容易出现。因为只要森林中有足够多的树，分类器就不会过度拟合模型。
随机森林的主要限制在于使用大量的树会使算法变得很慢，并且无法做到实时预测。一般而言，这些算法训练速度很快，预测十分缓慢。越准确的预测需要越多的树，这将导致模型越慢。在大多数现实世界的应用中，随机森林算法已经足够快，但肯定会遇到实时性要求很高的情况，那就只能首选其他方法。

参考

随机森林算法原理.
随机森林算法工作原理.