深度学习入门---PCA,白化

引言

主成分分析(PCA)是一种能够极大提升无监督特征学习速度的数据降维算法。更重要的是,理解PCA算法,对实现白化算法有很大的帮助,很多算法都先用白化算法作预处理步骤。
假设你使用图像来训练算法,因为图像中相邻的像素高度相关,输入数据是有一定冗余的。具体来说,假如我们正在训练的16x16灰度值图像,记为一个256维向量 xR256 ,其中特征值 xj 对应每个像素的亮度值。由于相邻像素间的相关性,PCA算法可以将输入向量转换为一个维数低很多的近似向量,而且误差非常小。

假设我们拥有数据 {x(1),x(2),,x(m)} ,维度 n=2 ,即 x(i)R2 。假设我们想把数据从2维降到1维。(在实际应用中,我们也许需要把数据从256维降到50维;在这里使用低维数据,主要是为了更好地可视化算法的行为)。下图是我们的数据集:
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这些数据已经进行了预处理,使得每个特征 x1 x2 具有相同的均值(零)和方差。
为方便展示,根据 x1 值的大小,我们将每个点分别涂上了三种颜色之一,但该颜色并不用于算法而仅用于图解。
PCA算法将寻找一个低维空间来投影我们的数据。从下图中可以看出, u1 是数据变化的主方向,而 u2 是次方向

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也就是说,数据在 u1 方向上的变化要比在 u2 方向上大。为更形式化地找出方向 u1 u2 ,我们首先计算出矩阵 Σ ,如下所示:
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实际上在代码实现时,上面的 x(i) 对应是全部数据集,样本按列摆放。

假设 x 的均值为零,那么 Σ 就是x的协方差矩阵。(符号 Σ ,读”Sigma”,是协方差矩阵的标准符号。虽然看起来与求和符号 ni=1i 比较像,但它们其实是两个不同的概念。)

可以证明,数据变化的主方向 u1 就是协方差矩阵 Σ 的主特征向量,而 u2 是次特征向量。

求得协方差矩阵后,我们需要求出其对应的特征向量组成的矩阵U,按列摆放。

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此处, u1 是主特征向量(对应最大的特征值), u2 是次特征向量。以此类推,另记 λ1,λ2,,λn 为相应的特征值。
在本例中,向量 u1u2 构成了一个新基,可以用来表示数据。令 xR2 为训练样本,那么 uT1x 就是样本点 x 在维度 u1 上的投影的长度(幅值)。同样的, uT2x x 投影到 u2 维度上的幅值。

旋转数据

至此,我们可以把 x (u1,u2) 基表达为:

xrot=UTx=[uT1xuT2x]

(下标“rot”来源于单词“rotation”,意指这是原数据经过旋转(也可以说成映射)后得到的结果)

对数据集中的每个样本 i 分别进行旋转: x(i)rot=UTx(i) for every i ,然后把变换后的数据 xrot 显示在坐标图上,可得:
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这就是把训练数据集旋转到 u1u2 基后的结果。一般而言,运算 UTx 表示旋转到基 u1,u2,...,un 之上的训练数据。矩阵 U 有正交性,即满足 UTU=UUT=I ,所以若想将旋转后的向量 xrot 还原为原始数据 x ,将其左乘矩阵 U 即可: x=Uxrot , 验算一下: Uxrot=UUTx=x.

数据降维

数据的主方向就是旋转数据的第一维 xrot,1 。因此,若想把这数据降到一维,可令:
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更一般的,假如想把数据 xRnk 维表示 x~Rkk<n ,只需选取 xrot 的前 k 个成分,分别对应前 k 个数据变化的主方向。

PCA的另外一种解释是: xrot 是一个 n 维向量,其中前几个成分可能比较大(例如,上例中大部分样本第一个成分 x(i)rot,1=uT1x(i) 的取值相对较大),而后面成分可能会比较小(例如,上例中大部分样本的 x(i)rot,2=uT2x(i) 较小)。

PCA算法做的其实就是丢弃 xrot 中后面(取值较小)的成分,就是将这些成分的值近似为零。具体的说,设 x~xrot 的近似表示,那么将 xrot 除了前 k 个成分外,其余全赋值为零,就得到:

x~=xrot,1xrot,k00xrot,1xrot,kxrot,k+1xrot,n=xrot

在本例中,可得 x~ 的点图如下(取 n=2,k=1 ):

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然而,由于上面 x~nk 项均为零,没必要把这些零项保留下来。所以,我们仅用前 k 个(非零)成分来定义 k 维向量 x~

这也解释了我们为什么会以 u1,u2,,un 为基来表示数据:要决定保留哪些成分变得很简单,只需取前 k 个成分即可。这时也可以说,我们“保留了前 k 个PCA(主)成分”。

还原近似数据

现在,我们得到了原始数据 xRn 的低维“压缩”表征量 x~Rk , 反过来,如果给定 x~ ,我们应如何还原原始数据 x 呢?查看以往章节以往章节可知,要转换回来,只需 x=Uxrot 即可。进一步,我们把 x~ 看作将 xrot 的最后 nk 个元素被置0所得的近似表示,因此如果给定 x~Rk ,可以通过在其末尾添加 nk0 来得到对 xrotRn 的近似,最后,左乘 U 便可近似还原出原数据 x 。具体来说,计算如下:

x^=Ux~1x~k00=i=1kuix~i.

上面的等式基于先前对 \textstyle U 的定义。在实现时,我们实际上并不先给 x~ 填0然后再左乘 U ,因为这意味着大量的乘0运算。我们可用 x~Rk 来与 U 的前 k 列相乘,即上式中最右项,来达到同样的目的。将该算法应用于本例中的数据集,可得如下关于重构数据 x^ 的点图:

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由图可见,我们得到的是对原始数据集的一维近似重构。
在训练自动编码器或其它无监督特征学习算法时,算法运行时间将依赖于输入数据的维数。若用 x~Rk 取代 x 作为输入数据,那么算法就可使用低维数据进行训练,运行速度将显著加快。对于很多数据集来说,低维表征量 x~ 是原数据集的极佳近似,因此在这些场合使用PCA是很合适的,它引入的近似误差的很小,却可显著地提高你算法的运行速度。

选择主成分个数

我们该如何选择 k ,即保留多少个PCA主成分?在上面这个简单的二维实验中,保留第一个成分看起来是自然的选择。对于高维数据来说,做这个决定就没那么简单:如果 k 过大,数据压缩率不高,在极限情况 k=n 时,等于是在使用原始数据(只是旋转投射到了不同的基);相反地,如果 k 过小,那数据的近似误差太太。
决定 k 值时,我们通常会考虑不同 k 值可保留的方差百分比。具体来说,如果 k=n ,那么我们得到的是对数据的完美近似,也就是保留了100%的方差,即原始数据的所有变化都被保留下来;相反,如果 k=0 ,那等于是使用零向量来逼近输入数据,也就是只有0%的方差被保留下来。
一般而言,设 λ1,λ2,,λn 表示 Σ 的特征值(按由大到小顺序排列),使得 λj 为对应于特征向量 uj 的特征值。那么如果我们保留前 k 个成分,则保留的方差百分比可计算为:

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在上面简单的二维实验中, λ1=7.29λ2=0.69 因此,如果保留 k=1 个主成分,等于我们保留了 7.29/(7.29+0.69)=0.913 ,即91.3%的方差。
对保留方差的百分比进行更正式的定义已超出了本教程的范围,但很容易证明, λj=mi=1x2rot,j 。因此,如果 λj0xrot,j 也就基本上接近于0,所以用0来近似它并不会产生多大损失。这也解释了为什么要保留前面的主成分(对应的 λj 值较大)而不是末尾的那些。 这些前面的主成分 xrot,j 变化性更大,取值也更大,如果将其设为0势必引入较大的近似误差。
以处理图像数据为例,一个惯常的经验法则是选择 \textstyle k 以保留99%的方差,换句话说,我们选取满足以下条件的最小 k 值:

kj=1λjnj=1λj0.99.

对其它应用,如不介意引入稍大的误差,有时也保留90-98%的方差范围。若向他人介绍PCA算法详情,告诉他们你选择的 k 保留了95%的方差,比告诉他们你保留了前120个(或任意某个数字)主成分更好理解。

对图像数据应用PCA算法

为使PCA算法能有效工作,通常我们希望所有的特征 x1,x2,,xn 都有相似的取值范围(并且均值接近于0)。如果你曾在其它应用中使用过PCA算法,你可能知道有必要单独对每个特征做预处理,即通过估算每个特征 xj 的均值和方差,而后将其取值范围规整化为零均值和单位方差。但是,对于大部分图像类型,我们却不需要进行这样的预处理。假定我们将在自然图像上训练算法,此时特征 xj 代表的是像素 j 的值。所谓“自然图像”,不严格的说,是指人或动物在他们一生中所见的那种图像。
注:通常我们选取含草木等内容的户外场景图片,然后从中随机截取小图像块(如16x16像素)来训练算法。在实践中我们发现,大多数特征学习算法对训练图片的确切类型并不敏感,所以大多数用普通照相机拍摄的图片,只要不是特别的模糊或带有非常奇怪的人工痕迹,都可以使用。
在自然图像上进行训练时,对每一个像素单独估计均值和方差意义不大,因为(理论上)图像任一部分的统计性质都应该和其它部分相同,图像的这种特性被称作平稳性(stationarity)。
具体而言,为使PCA算法正常工作,我们通常需要满足以下要求:(1)特征的均值大致为0;(2)不同特征的方差值彼此相似。对于自然图片,即使不进行方差归一化操作,条件(2)也自然满足,故而我们不再进行任何方差归一化操作(对音频数据,如声谱,或文本数据,如词袋向量,我们通常也不进行方差归一化)。实际上,PCA算法对输入数据具有缩放不变性,无论输入数据的值被如何放大(或缩小),返回的特征向量都不改变。更正式的说:如果将每个特征向量 x 都乘以某个正数(即所有特征量被放大或缩小相同的倍数),PCA的输出特征向量都将不会发生变化。
既然我们不做方差归一化,唯一还需进行的规整化操作就是均值规整化,其目的是保证所有特征的均值都在0附近。根据应用,在大多数情况下,我们并不关注所输入图像的整体明亮程度。比如在对象识别任务中,图像的整体明亮程度并不会影响图像中存在的是什么物体。更为正式地说,我们对图像块的平均亮度值不感兴趣,所以可以减去这个值来进行均值规整化。
具体的步骤是,如果 x(i)Rn 代表16x16的图像块的亮度(灰度)值( n=256 ),可用如下算法来对每幅图像进行零均值化操作:
μ(i):=1nnj=1x(i)j
x(i)j:=x(i)jμ(i),forallj

请注意:1)对每个输入图像块 x(i) 都要单独执行上面两个步骤,2)这里的 μ(i) 是指图像块 x(i) 的平均亮度值。尤其需要注意的是,这和为每个像素 xj 单独估算均值是两个完全不同的概念。
如果你处理的图像并非自然图像(比如,手写文字,或者白背景正中摆放单独物体),其他规整化操作就值得考虑了,而哪种做法最合适也取决于具体应用场合。但对自然图像而言,对每幅图像进行上述的零均值规整化,是默认而合理的处理。

PCA白化

我们已经了解了如何使用PCA降低数据维度。在一些算法中还需要一个与之相关的预处理步骤,这个预处理过程称为白化(一些文献中也叫sphering)。举例来说,假设训练数据是图像,由于图像中相邻像素之间具有很强的相关性,所以用于训练时输入是冗余的。白化的目的就是降低输入的冗余性;更正式的说,我们希望通过白化过程使得学习算法的输入具有如下性质:(i)特征之间相关性较低;(ii)所有特征具有相同的方差。

如何消除输入特征之间的相关性? 在前文计算 x(i)rot=UTx(i) 时实际上已经消除了输入特征 x(i) 之间的相关性。得到的新特征 xrot 的分布如下图所示:
这里写图片描述
这个数据的协方差矩阵如下:

[7.29000.69].

(注: 严格地讲, 这部分许多关于“协方差”的陈述仅当数据均值为0时成立。下文的论述都隐式地假定这一条件成立。不过即使数据均值不为0,下文的说法仍然成立,所以你无需担心这个。)

xrot 协方差矩阵对角元素的值为 λ1 λ2 绝非偶然。并且非对角元素值为0; 因此, xrot,1xrot,2 是不相关的, 满足我们对白化结果的第一个要求 (特征间相关性降低)。
为了使每个输入特征具有单位方差,我们可以直接使用 1/λi 作为缩放因子来缩放每个特征 xrot,i 。具体地,我们定义白化后的数据 xPCAwhiteRn 如下:

xPCAwhite,i=xrot,iλi.

绘制出 xPCAwhite ,我们得到:
这里写图片描述

这些数据现在的协方差矩阵为单位矩阵 I 。我们说, xPCAwhite 是数据经过PCA白化后的版本: xPCAwhite 中不同的特征之间不相关并且具有单位方差。
白化与降维相结合。 如果你想要得到经过白化后的数据,并且比初始输入维数更低,可以仅保留 xPCAwhite 中前 k 个成分。当我们把PCA白化和正则化结合起来时(在稍后讨论), xPCAwhite 中最后的少量成分将总是接近于0,因而舍弃这些成分不会带来很大的问题。

ZCA白化

最后要说明的是,使数据的协方差矩阵变为单位矩阵 I 的方式并不唯一。具体地,如果 R 是任意正交矩阵,即满足 RRT=RTR=I (说它正交不太严格, R 可以是旋转或反射矩阵), 那么 RxPCAwhite 仍然具有单位协方差。在ZCA白化中,令 R=U 。我们定义ZCA白化的结果为:

xZCAwhite=UxPCAwhite

绘制 xZCAwhite ,得到:

深度学习入门---PCA,白化_第1张图片

可以证明,对所有可能的 R ,这种旋转使得 xZCAwhite 尽可能地接近原始输入数据 x
当使用 ZCA白化时(不同于 PCA白化),我们通常保留数据的全部 n 个维度,不尝试去降低它的维数。

正则化

实践中需要实现PCA白化或ZCA白化时,有时一些特征值 λi 在数值上接近于0,这样在缩放步骤时我们除以 λi 将导致除以一个接近0的值;这可能使数据上溢 (赋为大数值)或造成数值不稳定。因而在实践中,我们使用少量的正则化实现这个缩放过程,即在取平方根和倒数之前给特征值加上一个很小的常数 \textstyle \epsilon:

xPCAwhite,i=xrot,iλi+ϵ.

x 在区间 [1,1] 上时, 一般取值为 ϵ105
对图像来说, 这里加上 ϵ ,对输入图像也有一些平滑(或低通滤波)的作用。这样处理还能消除在图像的像素信息获取过程中产生的噪声,改善学习到的特征(细节超出了本文的范围)。

ZCA 白化是一种数据预处理方法,它将数据从 x 映射到 xZCAwhite 。 事实证明这也是一种生物眼睛(视网膜)处理图像的粗糙模型。具体而言,当你的眼睛感知图像时,由于一幅图像中相邻的部分在亮度上十分相关,大多数临近的“像素”在眼中被感知为相近的值。因此,如果人眼需要分别传输每个像素值(通过视觉神经)到大脑中,会非常不划算。取而代之的是,视网膜进行一个与ZCA中相似的去相关操作 (这是由视网膜上的ON-型和OFF-型光感受器细胞将光信号转变为神经信号完成的)。由此得到对输入图像的更低冗余的表示,并将它传输到大脑。

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