机器学习之经典算法（十一） 条件随机场

    一、条件随机场（CRF）简介：

    条件随机域（场）（conditionalrandom fields，简称 CRF，或CRFs），是一种判别式概率模型，是随机场的一种。条件随机场(CRF)由Lafferty等人于2001年提出，结合了最大熵模型和隐马尔可夫模型的特点，是一种无向图模型，近年来在分词、词性标注和命名实体识别等序列标注任务中取得了很好的效果。常用于标注或分析序列资料，如自然语言文字或是生物序列。如同马尔可夫随机场，条件随机场为具有无向的图模型，无向图中的顶点代表随机变量，顶点间的连线代表随机变量间的相依关系，在条件随机场中，随机变量 Y 的分布为条件机率，给定的观察值则为随机变量 X。原则上，条件随机场的图模型布局是可以任意给定的，一般常用的布局是链结式的架构，链结式架构不论在训练（training）、推论（inference）、或是解码（decoding）上，都存在效率较高的算法可供演算。

    CRF被用于中文分词和词性标注等词法分析工作，一般序列分类模型常常采用隐马尔可夫模型（HMM），像基于类的中文分词。但隐马尔可夫模型中存在两个假设：输出独立性假设和马尔可夫性假设。其中，输出独立性假设要求序列数据严格相互独立才能保证推导的正确性，而事实上大多数序列数据不能被表示成一系列独立事件。而条件随机场则使用一种概率图模型，具有表达长距离依赖性和交叠性特征的能力，能够较好地解决标注（分类）偏置等问题的优点，而且所有特征可以进行全局归一化，能够求得全局的最优解。

    缺点：

          模型复杂，算法时间长。

    二、条件随机场的应用举例：

    （1）定义一个参数解析器，并将C值作为输入参数。 C是一个超参数，该参数控制你想要的模

型的具体程度，而不会失去一般化的能力：

    def build_arg_parser():

        parser =argparse.ArgumentParser(description='Trains the CRF classifier')

        parser.add_argument("--c-value", dest="c_value",required=False, type=float,

        default=1.0,help="The C value that will be used for training")

    return parser

    args = build_arg_parser().parse_args()
    c_value = args.c_value

    （2）加载字母数据集。这个数据集包括分割的字母以及和其相关的特征向量。因为已经有了

特征向量，所以不需要分析图像。每个单词的首字母都已被去掉，所以剩下的字母都是小写字母。

加载数据和标签到其相应的变量：

    letters = load_letters()
    X, y, folds = letters['data'], letters['labels'], letters['folds']
    X, y = np.array(X), np.array(y)

    （3）将数据分割为训练集和测试集：

    X_train, X_test = X[folds == 1], X[folds != 1]

    y_train, y_test = y[folds == 1], y[folds != 1]

    （4）构建模型：

    clf＝FrankWolfeSSVM(model=ChainCRF(), C=c_value, max_iter=50)

    （5）模型器拟合数据, 评价CRF模型的性能：

    print("\nTraining the CRF model...")
    clf.train(X_train, y_train)
    score = clf.evaluate(X_test, y_test)
    print("\nAccuracy score =", str(round(score*100, 2)) + '%')

    （6）这些字母在编号的数组中被索引。

    alphabets = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz'

    output = ''

    for i in y_test[0]:

        output += alphabets[i]

    print("\nTrue label =", output)

    （7）预测数据, 输入一个随机测试向量，并用这个模型预测输出：

    predicted_output = clf.predict([X_test[0]])[0]

    print("Predicted output =", decoder(predicted_output))