机器学习框架ML.NET学习笔记【2】入门之二元分类

一、准备样本

接上一篇文章提到的问题：根据一个人的身高、体重来判断一个人的身材是否很好。但我手上没有样本数据，只能伪造一批数据了，伪造的数据比较标准，用来学习还是蛮合适的。

下面是我用来伪造数据的代码：

           string Filename = "./figure_full.csv";
            StreamWriter sw = new StreamWriter(Filename, false);
            sw.WriteLine("Height,Weight,Result");

            Random random = new Random();
            float height, weight;
            Result result;

            for (int i = 0; i < 2000; i++)
            {
                height = random.Next(150, 195);
                weight = random.Next(70, 200);

                if (height > 170 && weight < 120)
                    result = Result.Good;
                else
                    result = Result.Bad;
               
                sw.WriteLine($"{height},{weight},{(int)result}");
            }


   enum Result
    {
        Bad=0,
        Good=1
    }

制造成功后的数据如下：

 用记事本打开：

二、源码

数据准备好了，我们就用准备好的数据进行学习了，先贴出全部代码，然后再逐一解释：

namespace BinaryClassification_Figure
{
    class Program
    {
        static readonly string DataPath = Path.Combine(Environment.CurrentDirectory, "Data", "figure_full.csv");
        static readonly string ModelPath = Path.Combine(Environment.CurrentDirectory, "Data", "FastTree_Model.zip");

        static void Main(string[] args)
        {
            TrainAndSave();
            LoadAndPrediction();

            Console.WriteLine("Press any to exit!");
            Console.ReadKey();
        }

        static void TrainAndSave()
        {
            MLContext mlContext = new MLContext();           

            //准备数据
            var fulldata = mlContext.Data.LoadFromTextFile<FigureData>(path: DataPath, hasHeader: true, separatorChar: ',');           
            var trainTestData = mlContext.Data.TrainTestSplit(fulldata,testFraction:0.2);
            var trainData = trainTestData.TrainSet;
            var testData = trainTestData.TestSet;

            //训练 
            IEstimator<ITransformer> dataProcessPipeline = mlContext.Transforms.Concatenate("Features", new[] { "Height", "Weight" })
                .Append(mlContext.Transforms.NormalizeMeanVariance(inputColumnName: "Features", outputColumnName: "FeaturesNormalizedByMeanVar"));
            IEstimator<ITransformer> trainer = mlContext.BinaryClassification.Trainers.FastTree(labelColumnName: "Result", featureColumnName: "FeaturesNormalizedByMeanVar");
            IEstimator<ITransformer> trainingPipeline = dataProcessPipeline.Append(trainer); 
            ITransformer model = trainingPipeline.Fit(trainData);

            //评估
            var predictions = model.Transform(testData);
            var metrics = mlContext.BinaryClassification.Evaluate(data: predictions, labelColumnName: "Result", scoreColumnName: "Score");
            PrintBinaryClassificationMetrics(trainer.ToString(), metrics);

            //保存模型
            mlContext.Model.Save(model, trainData.Schema, ModelPath);
            Console.WriteLine($"Model file saved to :{ModelPath}");
        }      

        static void LoadAndPrediction()
        {
            var mlContext = new MLContext();
            ITransformer model = mlContext.Model.Load(ModelPath, out var inputSchema);
            var predictionEngine = mlContext.Model.CreatePredictionEngine<FigureData, FigureDatePredicted>(model);

            FigureData test = new FigureData();
            test.Weight = 115;
            test.Height = 171;

            var prediction = predictionEngine.Predict(test);
            Console.WriteLine($"Predict Result :{prediction.PredictedLabel}");
        }      
    }

    public class FigureData
    {
        [LoadColumn(0)]
        public float Height { get; set; }

        [LoadColumn(1)]
        public float Weight { get; set; }

        [LoadColumn(2)]
        public bool Result { get; set; }       
    }

    public class FigureDatePredicted : FigureData
    {
        public bool PredictedLabel;
    }
}

三、对代码的解释

1、读取样本数据

        string DataPath = Path.Combine(Environment.CurrentDirectory, "Data", "figure_full.csv");
        MLContext mlContext = new MLContext();          

            //准备数据
            var fulldata = mlContext.Data.LoadFromTextFile<FigureData>(path: DataPath, hasHeader: true, separatorChar: ',');           
            var trainTestData = mlContext.Data.TrainTestSplit(fulldata,testFraction:0.2);
            var trainData = trainTestData.TrainSet;
            var testData = trainTestData.TestSet;    

 LoadFromTextFile<FigureData>(path: DataPath, hasHeader: true, separatorChar: ',')用来读取数据到DataView

FigureData类是和样本数据对应的实体类，LoadColumn特性指示该属性对应该条数据中的第几个数据。

    public class FigureData
    {
        [LoadColumn(0)]
        public float Height { get; set; }

        [LoadColumn(1)]
        public float Weight { get; set; }

        [LoadColumn(2)]
        public bool Result { get; set; }       
    }

 path:文件路径

hasHeader:文本文件是否包含标题

separatorChar:用来分割数据的字符，我们用的是逗号，常用的还有跳格符‘ ’

TrainTestSplit(fulldata,testFraction:0.2)用来随机分割数据，分成学习数据和评估用的数据，通常情况，如果数据较多，测试数据取20%左右比较合适，如果数据量较少，测试数据取10%左右比较合适。

如果不通过分割，准备两个数据文件,一个用来训练、一个用来评估，效果是一样的。

2、训练 

            //训练 
            IEstimator<ITransformer> dataProcessPipeline = mlContext.Transforms.Concatenate("Features", new[] { "Height", "Weight" })
                .Append(mlContext.Transforms.NormalizeMeanVariance(inputColumnName: "Features", outputColumnName: "FeaturesNormalizedByMeanVar"));
            IEstimator<ITransformer> trainer = mlContext.BinaryClassification.Trainers.FastTree(labelColumnName: "Result", featureColumnName: "FeaturesNormalizedByMeanVar");
            IEstimator<ITransformer> trainingPipeline = dataProcessPipeline.Append(trainer); 
            ITransformer model = trainingPipeline.Fit(trainData);

  IDataView这个数据集就类似一个表格，它的列（Column）是可以动态增加的，一开始我们通过LoadFromTextFile获得的数据集包括：Height、Weight、Result这几个列，在进行训练之前，我们还要对这个数据集进行处理，形成符合我们要求的数据集。

Concatenate这个方法是把多个列，组合成一个列，因为二元分类的机器学习算法只接收一个特征列，所以要把多个特征列（Height、Weight）组合成一个特征列Features（组合的结果应该是个float数组）。

NormalizeMeanVariance是对列进行归一化处理，这里输入列为：Features，输出列为：FeaturesNormalizedByMeanVar，归一化的含义见本文最后一节介绍。

数据集就绪以后，就要选择学习算法，针对二元分类，我们选择了快速决策树算法FastTree，我们需要告诉这个算法特征值放在哪个列里面（FeaturesNormalizedByMeanVar），标签值放在哪个列里面（Result）。

链接数据处理管道和算法形成学习管道，将数据集中的数据逐一通过学习管道进行学习，形成机器学习模型。

有了这个模型我们就可以通过它进行实际应用了。但我们一般不会现在就使用这个模型，我们需要先评估一下这个模型，然后把模型保存下来。以后应用时再通过文件读取出模型，然后进行应用，这样就不用等待学习的时间了，通常学习的时间都比较长。

3、评估 

            //评估
            var predictions = model.Transform(testData);
            var metrics = mlContext.BinaryClassification.Evaluate(data: predictions, labelColumnName: "Result");
            PrintBinaryClassificationMetrics(trainer.ToString(), metrics);

  评估的过程就是对测试数据集进行批量转换（Transform），转换过的数据集会多出一个“PredictedLabel”的列，这个就是模型评估的结果，逐条将这个结果和实际结果（Result）进行比较，就最终形成了效果评估数据。

我们可以打印这个评估结果，查看其成功率，一般成功率大于97%就是比较好的模型了。由于我们伪造的数据比较整齐，所以我们这次评估的成功率为100%。

注意：评估过程不会提升现有的模型能力，只是对现有模型的一种检测。

4、保存模型 

//保存模型
           string ModelPath = Path.Combine(Environment.CurrentDirectory, "Data", "FastTree_Model.zip");
            mlContext.Model.Save(model, trainData.Schema, ModelPath);
            Console.WriteLine($"Model file saved to :{ModelPath}");

 这个没啥好解释的。

5、读取模型并创建预测引擎 

           //读取模型
            var mlContext = new MLContext();
            ITransformer model = mlContext.Model.Load(ModelPath, out var inputSchema);

            //创建预测引擎
            var predictionEngine = mlContext.Model.CreatePredictionEngine<FigureData, FigureDatePredicted>(model);

 创建预测引擎的功能和Transform是类似的，不过Transform是处理批量记录，这里只处理一条数据，而且这里的输入输出是实体对象，定义如下:

   public class FigureData
    {
        [LoadColumn(0)]
        public float Height { get; set; }

        [LoadColumn(1)]
        public float Weight { get; set; }

        [LoadColumn(2)]
        public bool Result { get; set; }       
    }

    public class FigureDatePredicted : FigureData
    {
        public bool PredictedLabel;
    }

 由于预测结果里放在“PredictedLabel”字段中，所以FigureDatePredicted类必须要包含PredictedLabel属性，目前FigureDatePredicted 类是从FigureData类继承的，由于我们只用到PredictedLabel属性，所以不继承也没有关系，如果继承的话，后面要调试的话会方便一点。

6、应用 

            FigureData test = new FigureData
            {
                Weight = 115,
                Height = 171
            };

            var prediction = predictionEngine.Predict(test);
            Console.WriteLine($"Predict Result :{prediction.PredictedLabel}");

 这部分代码就比较简单，test是我们要预测的对象，预测后打印出预测结果。

四、附：数据归一化

 机器学习的算法中一般会有很多的乘法运算，当运算的数字过大时，很容易在多次运算后溢出，为了防止这种情况，就要对数据进行归一化处理。归一化的目标就是把参与运算的特征数变为（0，1）或（-1，1）之间的浮点数，常见的处理方式有：min-max标准化、Log函数转换、对数函数转换等。

我们这次采用的是平均方差归一化方法。

五、资源

源码下载地址：https://github.com/seabluescn/Study_ML.NET

工程名称：BinaryClassification_Figure

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