python用K近邻（KNN）算法分类MNIST数据集和Fashion MNIST数据集

Posted 2020-12-26 林木子

一、KNN算法的介绍

　　K最近邻（k-Nearest Neighbor，KNN）分类算法是最简单的机器学习算法之一，理论上比较成熟。KNN算法首先将待分类样本表达成和训练样本一致的特征向量；然后根据距离计算待测试样本和每个训练样本的距离，选择距离最小的K个样本作为近邻样本；最后根据K个近邻样本判断待分类样本的类别。KNN算法的正确选取是分类正确的关键因素之一，而近邻样本是通过计算测试样本与每个训练集样本的距离来选定的，故定义合适的距离是KNN正确分类的前提。

本文中在上述研究的基础上，将特征属性值对类别判断的重要性视为同样重要，将样本距离重新定义为任意两样本间像素点间的相关距离，并且距离计算使用的是距离。

二、算法原理

　　k-近邻算法（KNN），其工作原理是存在一个样本数据集合，也称作训练样本集，并且样本集中每个数据都存在标签，即我们知道样本集中每一数据与所属分类的对应关系。输入没有标签的新数据后，将新数据的每个特征与样本集中数据数据对应的特征进行比较，然后算法提取样本集中特征最相似数据（最近邻）的分类标签。一般来说，我们只选择样本数据集中前k个最相似的数据，这就是k-近邻算法中k的出处，通常k是不大于20的整数。最后，选择k个最相似数据中出现次数最多的分类，作为新数据的分类。

　　收集和准备数据，这里使用的是mnist数据集和fashion mnist数据集，输入样本数据和结构化的输出结果，可以调整k的值，然后运行k-近邻算法判断输入数据分别属于哪个分类，最后计算错误率和准确率。

KNN算法（k邻近算法分类算法），就是k个最近的邻居的，说的是每个样本都可以用它最接近的k个邻居来代表，核心思想是如果一个样本在特征空间中的k个最相邻的样本中的大多数属于某一个类别，则该样本也属于这个类别，并具有这个类别上样本的特性。KNN算法不仅可以用于分类，还可以用于回归。通过找出一个样本的k个最近邻居，将这些邻居的属性的平均值赋给该样本，就可以得到该样本的属性。在KNN中，通过计算对象间距离来作为各个对象之间的非相似性指标，避免了对象之间的匹配问题，在这里距离使用的是欧氏距离。

详细实现：将mnist数据集和fashion mnist数据集包括训练集和验证集导入到工程文件中，接着计算验证集和训练集的距离，并从小到达排序得到距离最近的k个邻居，并通过投票得到所属类别最高的类别，并判断该验证集的图片属于该类别，接着讲该类别的标签和验证集的标签进行比对，如果相符合则是正确的，如果不相符合，则是属于出错，最后输出计算出的错误率和准确率。

三、数据集介绍

　　MNIST数据集，训练集60000张图片和标签；测试集有10000张图片和标签。读取28*28图片以后，要将每张图片转换为1*784的向量。

四、KNN算法实现和结果分析

代码实现：

from numpy import *
import operator
import os
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import cm
from os import listdir
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import struct

#读取图片
def read_image(file_name):
    #先用二进制方式把文件都读进来
    file_handle=open(file_name,"rb")  #以二进制打开文档
    file_content=file_handle.read()   #读取到缓冲区中

    offset=0
    head = struct.unpack_from(‘>IIII‘, file_content, offset)  # 取前4个整数，返回一个元组
    offset += struct.calcsize(‘>IIII‘)
    imgNum = head[1]  #图片数
    rows = head[2]   #宽度
    cols = head[3]  #高度
    # print(imgNum)
    # print(rows)
    # print(cols)

    #测试读取一个图片是否读取成功
    #im = struct.unpack_from(‘>784B‘, file_content, offset)
    #offset += struct.calcsize(‘>784B‘)

    images=np.empty((imgNum , 784))#empty，是它所常见的数组内的所有元素均为空，没有实际意义，它是创建数组最快的方法
    image_size=rows*cols#单个图片的大小
    fmt=‘>‘ + str(image_size) + ‘B‘#单个图片的format

    for i in range(imgNum):
        images[i] = np.array(struct.unpack_from(fmt, file_content, offset))
        # images[i] = np.array(struct.unpack_from(fmt, file_content, offset)).reshape((rows, cols))
        offset += struct.calcsize(fmt)
    return images

    ‘‘‘bits = imgNum * rows * cols  # data一共有60000*28*28个像素值
    bitsString = ‘>‘ + str(bits) + ‘B‘  # fmt格式：‘>47040000B‘
    imgs = struct.unpack_from(bitsString, file_content, offset)  # 取data数据，返回一个元组
    imgs_array=np.array(imgs).reshape((imgNum,rows*cols))     #最后将读取的数据reshape成 【图片数，图片像素】二维数组
    return imgs_array‘‘‘

#读取标签
def read_label(file_name):
    file_handle = open(file_name, "rb")  # 以二进制打开文档
    file_content = file_handle.read()  # 读取到缓冲区中

    head = struct.unpack_from(‘>II‘, file_content, 0)  # 取前2个整数，返回一个元组
    offset = struct.calcsize(‘>II‘)

    labelNum = head[1]  # label数
    # print(labelNum)
    bitsString = ‘>‘ + str(labelNum) + ‘B‘  # fmt格式：‘>47040000B‘
    label = struct.unpack_from(bitsString, file_content, offset)  # 取data数据，返回一个元组
    return np.array(label)

#KNN算法
def KNN(test_data, dataSet, labels, k):
    dataSetSize = dataSet.shape[0]#dataSet.shape[0]表示的是读取矩阵第一维度的长度，代表行数
    # distance1 = tile(test_data, (dataSetSize,1)) - dataSet#欧氏距离计算开始
    # print("dataSetSize:")
    # print(dataSetSize)
    distance1 = tile(test_data, (dataSetSize)).reshape((60000,784))-dataSet#tile函数在行上重复dataSetSizec次，在列上重复1次
    # print("distance1.shape")
    # print(distance1.shape)
    distance2 = distance1**2 #每个元素平方
    distance3 = distance2.sum(axis=1)#矩阵每行相加
    distances4 = distance3**0.5#欧氏距离计算结束
    # print(distances4[53843])
    # print(distances4[38620])
    # print(distances4[16186])
    sortedDistIndicies = distances4.argsort() #返回从小到大排序的索引
    classCount=np.zeros((10), np.int32)#10是代表10个类别
    for i in range(k): #统计前k个数据类的数量
        voteIlabel = labels[sortedDistIndicies[i]]
        classCount[voteIlabel] += 1
    max = 0
    id = 0
    print(classCount.shape[0])
    # print(classCount.shape[1])

    for i in range(classCount.shape[0]):
        if classCount[i] >= max:
            max = classCount[i]
            id = i
    print(id)

    # sortedClassCount = sorted(classCount.iteritems(), key=operator.itemgetter(1), reverse=True)#从大到小按类别数目排序
    return id

def test_KNN():
    # 文件获取
    #mnist数据集
    # train_image = "F:mnist\train-images-idx3-ubyte"
    # test_image = "F:mnist\t10k-images-idx3-ubyte"
    # train_label = "F:mnist\train-labels-idx1-ubyte"
    # test_label = "F:mnist\t10k-labels-idx1-ubyte"
    #fashion mnist数据集
    train_image = "train-images-idx3-ubyte"
    test_image = "t10k-images-idx3-ubyte"
    train_label = "train-labels-idx1-ubyte"
    test_label = "t10k-labels-idx1-ubyte"
    # 读取数据
    train_x = read_image(train_image)  # train_dataSet
    test_x = read_image(test_image)  # test_dataSet
    train_y = read_label(train_label)  # train_label
    test_y = read_label(test_label)  # test_label

    # print(train_x.shape)
    # print(test_x.shape)
    # print(train_y.shape)
    # print(test_y.shape)
    # plt.imshow(train_x[0])
    # plt.show()

    testRatio = 1  # 取数据集的前0.1为测试数据,这个参数比重可以改变
    train_row = train_x.shape[0]  # 数据集的行数，即数据集的总的样本数
    test_row=test_x.shape[0]
    testNum = int(test_row * testRatio)
    errorCount = 0  # 判断错误的个数
    for i in range(testNum):
        result = KNN(test_x[i], train_x, train_y, 30)
        # print(‘返回的结果是: %s, 真实结果是: %s‘ % (result, train_y[i]))

        print(result, test_y[i])
        if result != test_y[i]:
            errorCount += 1.0# 如果mnist验证集的标签和本身标签不一样，则出错
    error_rate = errorCount / float(testNum)  # 计算出错率
    acc = 1.0 - error_rate
    print(errorCount)
    print("
the total number of errors is: %d" % errorCount)
    print("
the total error rate is: %f" % (error_rate))
    print("
the total accuracy rate is: %f" % (acc))

if __name__ == "__main__":
    test_KNN()#test(）函数中调用了读取数据集的函数，并调用分类函数对数据集进行分类，最后对分类情况进行计算

结果分析：

 

输入：mnist数据集或者fashion mnist数据集

输出：出错率和准确率

Mnist数据集：

取k=30，验证集是50个的时候，准确率是1；

取k=30，验证集是500个的时候，准确率是0.98；

取k=30，验证集是10000个的时候，准确率是0.84。

Fashion Mnist数据集

K=30，验证集是10000的时候，一共的出错个数是1666，准确率是0.8334。

本文中的数据集采用KNN算法得到了较高的准确率，但是本文中考虑特征属性值对类别判断的重要性一样，改进算法时应该考虑特征属性值对类别判断的重要性不同，两样本间属性的相关距离可以用来度量属性值对类别的重要性，相关距离熵越小，两样本的相似程度越大，类可信度越大；此外本文中应该对不同取值的k进行分别的试验，得到使准确率较高的k，同时在实验多个k的时候，可以采用多线程进行跑实验，缩短时间。