ANALÝZA A KLASIFIKACE BIOMEDICÍNSKÝCH DAT. Institut biostatistiky a analýz

Transkript

1 ANALÝZA A KLASIFIKACE BIOMEDICÍNSKÝCH DAT prof. Ing. Jiří Holčík, CSc.

2 VII. VOLBA A VÝBĚR PŘÍZNAKŮ

3 ZAČÍNÁME kolik a jaké příznaky? málo příznaků možná chyba klasifikace; moc příznaků možná nepřiměřená pracnost, vysoké náklady; KOMPROMIS (potřebujeme kritérium)

4 ZAČÍNÁME KOMPROMIS (potřebujeme kritérium) přípustná míra spolehlivosti klasifikace (např. pravděpodobnost chybné klasifikace, odchylka obrazu vytvořeného z vybraných příznaků vůči určitému referenčnímu); určit ty příznakové proměnné, jejichž hodnoty nesou nejvíce informace z hlediska řešené úlohy, tj. ty proměnné, kterou jsou nejefektivnější pro vytvoření co nejoddělenějších klasifikačních tříd;

5 ZAČÍNÁME algoritmus pro určení příznakových veličin nesoucích nejvíce informace pro klasifikátor není dosud teoreticky formalizován - pouze dílčí suboptimální řešení spočívající: ve výběru nezbytného množství veličin z předem zvolené množiny; vyjádření původních veličin pomocí menšího počtu skrytých nezávislých veličin, které zpravidla nelze přímo měřit, ale mohou nebo také nemusí mít určitou věcnou interpretaci

6 VOLBA PŘÍZNAKŮ počáteční volba příznakových veličin je z velké části empirická, vychází ze zkušeností získaných při empirické klasifikaci člověkem a závisí, kromě rozboru podstaty problému i na technických (ekonomických) možnostech a schopnostech hodnoty veličin určit

7 ZÁSADY PRO VOLBU PŘÍZNAKŮ výběr veličin s minimálním rozptylem uvnitř tříd

8 ZÁSADY PRO VOLBU PŘÍZNAKŮ výběr veličin s maximální vzdáleností mezi třídami

9 ZÁSADY PRO VOLBU PŘÍZNAKŮ výběr vzájemně nekorelovaných veličin pokud jsou hodnoty jedné příznakové veličiny závislé na příznacích druhé veličiny, pak použití obou těchto veličin nepřináší žádnou další informaci pro správnou klasifikaci stačí jedna z nich, jedno která

10 ZÁSADY PRO VOLBU PŘÍZNAKŮ výběr veličin invariantních vůči deformacím volba elementů formálního popisu závisí na vlastnostech původních i předzpracovaných dat a může ovlivňovat způsob předzpracování

11 VÝBĚR PŘÍZNAKŮ formální popis objektu původně reprezentovaný m rozměrným vektorem se snažíme vyjádřit vektorem n rozměrným tak, aby množství diskriminační informace obsažené v původním vektoru bylo v co největší míře zachováno Z: Y m X n

12 VÝBĚR PŘÍZNAKŮ dva principiálně různé způsoby: selekce nalezení a odstranění těch příznakových funkcí, které přispívají k separabilitě klasifikačních tříd nejméně; extrakce transformace původních příznakových proměnných na menší počet jiných příznakových proměnných

13 VÝBĚR PŘÍZNAKŮ dva principiálně různé způsoby: selekce nalezení a odstranění těch příznakových funkcí, které přispívají k separabilitě klasifikačních tříd nejméně; extrakce transformace původních příznakových proměnných na menší počet jiných příznakových proměnných Abychom dokázali realizovat libovolný z obou způsobů výběru, je třeba definovat a splnit určité podmínky optimality.

14 VÝBĚR PŘÍZNAKŮ PODMÍNKY OPTIMALITY Nechť J je kriteriální funkce, jejíž pomocí vybíráme příznakové veličiny. V případě selekce vybíráme vektor x= T (x 1,,x n ) ze všech možných n-tic χ příznaků y i, i=1,2,,m. Optimalizaci selekce příznaků formálně zapíšeme jako Problémy k řešení: Z( y) = extr J( χ) stanovení kriteriální funkce; χ stanovení nového rozměru kriteriální funkce; stanovení optimalizačního postupu

15 VÝBĚR PŘÍZNAKŮ PODMÍNKY OPTIMALITY Nechť J je kriteriální funkce, jejíž pomocí vybíráme příznakové veličiny. V případě extrakce transformujeme příznakový prostor na základě výběru zobrazení Z z množiny všech možných zobrazení ζ prostoru Y m do X n, tj. Z( y) = extr J( ζ) Příznakový prostor je pomocí optimálního zobrazení Z dán vztahem x =Z(y) Problémy k řešení: stanovení kriteriální funkce; stanovení nového rozměru kriteriální funkce; zvolení požadavků na vlastnosti zobrazení; ζ stanovení optimalizačního postupu

16 SELEKCE PŘÍZNAKŮ PRAVDĚPODOBNOSTNÍ MÍRY pro bayesovské klasifikátory je-li χ = (χ 1, χ 2,, χ n ) možná n-tice příznaků, vybraných ze všech možných m hodnot y i, i=1,,m, n m, pak pravděpodobnost chybného rozhodnutí P eme je pro tento výběr rovna P eme = J(a*) = minj(a) = minlχ ( ωr )dχχ = a [ p( χ) p( χ ω). P( ω ] = min = ω ω = χ r r)dχ p( χ)dχ maxp( χ r). P( r) dχ r r χ χ 1 maxp( χ ωr). P( ωr χ r χ r = ) dχ

17 SELEKCE PŘÍZNAKŮ PRAVDĚPODOBNOSTNÍ MÍRY pro dichotomický bayesovský klasifikátor (R=2) je celková pravděpodobnost chybného rozhodnutí e = 1 p( χ ω ). P( ω ) p( χ ω ). P( ω ) d χ e χ pravděpodobnost chyby bude maximální, když integrál bude nulový obě váhované hustoty pravděpodobnosti budou stejné, pravděpodobnost chyby bude minimální, když se obě hustoty nebudou překrývat. Čím větší vzdálenost mezi klasifikačními třídami, tím menší pravděpodobnost chyby Integrál může být považován za vyjádření pravděpodobnostní vzdálenosti

18 SELEKCE PŘÍZNAKŮ PRAVDĚPODOBNOSTNÍ MÍRY zobecnění J( χ) [ p( χ ω). P( ω),i 1,2 ] = f i i = dχ χ J(χ) χ 0; J(χ) = 0, když jsou hustoty pravděpodobnosti totožné; J(χ) χ je maximální, když se hustoty nepřekrývají

19 SELEKCE PŘÍZNAKŮ PRAVDĚPODOBNOSTNÍ MÍRY

20 SELEKCE PŘÍZNAKŮ PRAVDĚPODOBNOSTNÍ MÍRY

21 SELEKCE PŘÍZNAKŮ PRAVDĚPODOBNOSTNÍ MÍRY pro více klasifikačních tříd tzv. bayesovská vzdálenost J R = ω 2 P( r χ).p( χ) dχ r 1 BA χ =

22 SELEKCE PŘÍZNAKŮ POMĚR ROZPTYLŮ rozptyl uvnitř třídy pomocí disperzní matice D( χ) kde R T = P( ω) ( χ µ ). ( χ µ ). p( χ ω)dχ, χ r = 1 r χ µ = ( χ ω) dχ r p r r r r

23 SELEKCE PŘÍZNAKŮ POMĚR ROZPTYLŮ rozptyl mezi třídami může být dán pokud R 1 R = B ( χ) P( ω µ r = 1s = r + 1 rs T r ).P( ωs). µ rs. rs, kde µ = µ µ R = µ 0 P( ωr).µ r = χ. p( χ) dχ lze r = 1 také psát R = T B( χ ) P( ωr ).( µ r µ 0 ). ( µ r µ 0 r= 1 r χ s ),

24 SELEKCE PŘÍZNAKŮ POMĚR ROZPTYLŮ vyjádření vztahu obou rozptylů J r1 (χ)=tr(d -1 (χ).b(χ)) J r2 (χ)=tr(b(χ)/tr(d(χ)) J r3 (χ)= D -1 (χ).b(χ) = B(χ) / D(χ) J r4 (χ) = ln(j r3 (χ))

25 NEPRAVDĚPODOBNOSTNÍ METRIKY Euklidovská metrika (s nejnázornější geometrickou interpretaci) ρ 1/ 2 n 2 E ( x1, x2) = (x1i x2i) i = 1 Hammingova metrika (Manhattan m.) ρ H ( x, x 1 2 ) n = x i=1 Minkovského metrika ρ 1/ m n m ( M x1, x2) = x1i x2i i= 1 ( 1i x 2i

28 NEPRAVDĚPODOBNOSTNÍ METRIKY Čebyševova metrika ρ C x, x ) = max { x x } ( 1 2 i Čebyševovu metriku lze vyjádřit jako limitu 1i 2i ρ x, x ) = lim ρ ( x, x ) C( 1 2 M 1 2 m Sokalova metrika ρ S ( x 1, x 2 ) ρ = 2 ρe( x1, x2 n ) 1/ 2

31 NEPRAVDĚPODOBNOSTNÍ METRIKY Volba podle toho jak potřebujeme posílit vliv proměnných, u nichž je pro dané obrazy x 1 a x 2 velký rozdíl.

32 NEPRAVDĚPODOBNOSTNÍ METRIKY nevýhody: fyzikální nesmyslnost vytvářet kombinaci veličin s různým fyzikálním rozměrem jsou-li příznakové veličiny zahrnovány do výsledné vzdálenosti se stejnými vahami, zvyšuje se vliv korelovaných veličin

33 NEPRAVDĚPODOBNOSTNÍ METRIKY možné odstranění (potlačení) nevýhod: vztažením k nějakému vyrovnávacímu faktoru, např. střední hodnotě, směrodatné odchylce, normě daného obrazu x=(x 1, x 2,,x n ) rozpětí i x = = maxx j n i=1= ij x 2 i, minx j ij, resp. standardizací podle vztahu xij xj uij =, i = 1,...,n; j = σ σ j 1,...,K

34 NEPRAVDĚPODOBNOSTNÍ METRIKY možné odstranění (potlačení) nevýhod: lze i subjektivně či na základě nějaké apriorní informace o úloze přiřadit každé příznakové proměnné váhový koeficient, např. váhovaná Minkovského metrika má tvar 1/ m n m ρ ( x, x ) a.x x WM 1 2 = i 1i 2i i= 1

35 NEPRAVDĚPODOBNOSTNÍ METRIKY možné odstranění (potlačení) nevýhod: váhování příznaků lze zapsat maticově u i = T C.x i, kde prvky transformační matice C jsou definovány jako c ii = a i, pro i = 1,, n c ij = 0, pro i j Za tohoto formalismu je Euklidova metrika definována vztahem ρ [ ] T T ( x x ). C. C.( x 1/ 2 E ( x1, x2) = x2)

36 NEPRAVDĚPODOBNOSTNÍ METRIKY možné odstranění (potlačení) nevýhod: pokud jsou složky transformovaného obrazu dány lineární kombinací více složek původního obrazu, není ani matice C, ani matice C. T C čistě diagonální. Použijeme-li místo matice C. T C inverzní kovarianční matice K -1, pak definiční vztah pro váhovanou Euklidovu metriku je definičním vztahem pro Mahalanobisovu metriku ρ [ ] 2 T 1 1/ 2 E ( u1, u2) = ρma( x1, x2) = ( x1 x2). K.( x1 x2)

37 NEPRAVDĚPODOBNOSTNÍ METRIKY možné odstranění (potlačení) nevýhod: pokud jsou složky transformovaného obrazu dány lineární kombinací více složek původního obrazu, není ani matice C, ani matice C. T C čistě diagonální. Použijeme-li místo matice C. T C inverzní kovarianční matice K -1, pak definiční vztah pro váhovanou Euklidovu metriku je definičním vztahem pro Mahalanobisovu metriku ρ [ ] 2 T 1 1/ 2 E ( u1, u2) = ρma( x1, x2) = ( x1 x2). K.( x1 x2) Kovarianční matice dvou (náhodných) vektorů x= T (x 1,,x m ) a y= T (y 1,,y n ) je dána vztahem T K(x,y)=E((x-Ex). T (y-ey)) = [cov(x i,y j )] m,n

38 KOEFICIENTY KORELACE

39 KOEFICIENTY KORELACE TO SNAD OPAKOVAT NEMUSÍME

40 KOEFICIENTY ASOCIACE

41 KOEFICIENTY ASOCIACE Koeficienty asociace jsou míry podobnosti mezi obrazy obsahujícími logické (binární, dichotomické) příznakové veličiny. Ke zjištění podobnosti je třeba sledovat shodu či neshodu hodnot odpovídajících si příznaků čtyři možné situace

42 KOEFICIENTY ASOCIACE a) u obou obrazů sledovaný jev nastal (oba odpovídající si příznaky mají hodnotu true) pozitivní shoda; b) u obrazu x i jev nastal (x ik = true), zatímco u obrazu x j nikoliv (x jk = false); c) u obrazu x i jev nenastal (x ik = false), zatímco u obrazu x j ano (x jk = true); d) u obou obrazů sledovaný jev nenastal (oba odpovídající si příznaky mají hodnotu false) negativní shoda;

43 KOEFICIENTY ASOCIACE

44 KOEFICIENTY ASOCIACE sledujeme, kolikrát pro všechny příznaky obrazů x i a x j nastaly případy shody a neshody A+D celkový počet shod příznaků; B+C celkový počet neshod příznaků; A+B+C+D =n tj. počet příznaků obou obrazů Na základě počtu zjištěných shod a neshod jsou definovány různé koeficienty asociace.

45 KOEFICIENTY ASOCIACE Jaccardův (Tanimotův) koeficient A s J( x i, x j) = A + B + C (není definován pro dvojice obrazů, které vykazují negativní shodu ve všech příznacích); Soklův- Michenerův koeficient A + D s SM( x i, x j) = A + B + C + D Diceův koeficient 2A 2A sd ( xi, xj ) = = 2A + B + C (A + B) + (A + C)

46 KOEFICIENTY ASOCIACE Russelův- Raoův koeficient A s RR ( x i, x j ) = A + B + C + D Asociační koeficienty zpravidla nabývají hodnot z intervalu 0,1. V případě R-R koeficientu je při srovnání dvou týchž obrazů hodnota s RR = 1 pouze když došlo u všech příznaků jen k pozitivní shodě.

47 KOEFICIENTY ASOCIACE Rogersův-Tanimotův koeficient A + D A + D s RT( x i, x j) = = A + D + 2.(B + C) (B + C) + (A + B + C + D) Hammanův koeficient A + D (B + C) sh ( xi, xj ) = A + B + C + D Na rozdíl od všech předcházejících nabývá Hammanův koeficient hodnot z intervalu -1,1, přičemž hodnoty -1 nabývá, pokud se příznaky neshodují ani jednou, 0 nabývá když je počet shod a neshod v rovnováze a +1 je v případě úplné shody mezi všemi příznaky.

48 KOEFICIENTY ASOCIACE Na základě četností A až D lze vytvářet také dříve uvedené míry: Pearsonův korelační koeficient A.D B.C sr( xi, xj) = (A + B).(C + D).(A + C).(B + kritérium shody χ 2 ) D) s χ ( x, x) = i j n.s 2 r ( x i, x j

49 KOEFICIENTY ASOCIACE Na základě četností A až D lze vytvářet také dříve uvedené míry: Hammingova vzdálenost ρ H ( xi, xj ) = B + C Euklidova vzdálenost ρe ( xi, xj) = B + C

50 KOEFICIENTY ASOCIACE Z koeficientů asociace, které vyjadřují míru podobnost lze odvodit koeficienty nepodobnosti d ( x, x) = 1 s ( x, x) X i j V případě Jaccardova a Dicova koeficientu nepodobnosti je dodefinována hodnota i pro případy úplné negativní shody tak, že d J (x i,x j ) = d D (x i,x j ) = 0 pro A = B = C = 0 x i j

51 KOEFICIENTY ASOCIACE NÁZEV ROZSAH VZTAH Cosine 0.0,1.0 Dice 0.0,1.0 Euclid 0.0,1.0 Forbes 0.0, Hamman -1.0,1.0 Jaccard 0.0,1.0 Kulczynski 0.0,1.0 Manhattan 1.0,0.0

52 KOEFICIENTY ASOCIACE NÁZEV ROZSAH VZTAH Sokal-Michener 0.0,1.0 Pearson -1.0,1.0 Rogers-Tanimoto 0.0,1.0 Russell-Rao 0.0,1.0 Simpson 0.0,1.0 Yule -1.0,1.0

53 PODOBNOST MEZI TŘÍDAMI podobnost jednoho obrazu s více obrazy jedné třídy (skupin, množin, shluků); podobnost obrazů dvou tříd (skupin, množin, shluků); zavedeme funkci, která ke každé dvojici skupin obrazů (C i,c j) přiřazuje číslo D(C i,c j), které podobně jako míry podobnosti či nepodobnosti (metriky) jednotlivých obrazů musí splňovat minimálně podmínky:

54 PODOBNOST MEZI TŘÍDAMI PODMÍNKY (S1) D(C i,c) j 0 (S2) D(C i,c j ) = D(C j,c i ) (S3) D(C i,c i ) = max i,j D(C i,c j ) (S3 ) (pro míry podobnosti) D(C i,c i ) = 0 pro všechna i (pro míry podobnosti)

55 METODA NEJBLIŽŠÍHO SOUSEDA je-li d libovolná míra nepodobnosti (vzdálenosti) dvou obrazů a C i ac j jsou libovolné skupiny množiny obrazů {x i }, i=1,,k, potom metoda nejbližšího souseda definuje mezi skupinami C i ac j vzdálenost Pozn.: D NN ( C i, C i ) = min d(x,x ) xp C i x C Při použití této metody se mohou vyskytovat v jednom shluku často i poměrně vzdálené obrazy. Tzn. metoda nejbližšího souseda může generovat shluky protáhlého tvaru. q j p q

56 METODA K NEJBLIŽŠÍCH SOUSEDŮ Je zobecněním metody nejbližšího souseda. Je definována vztahem D NNk ( C i, C i ) = min xp C x C k d(x tj. vzdálenost dvou shluků je definována součtem k nejkratších vzdáleností mezi obrazy dvou skupin obrazů. q i j p,x q ), Pozn.: Při shlukování metoda částečně potlačuje generování řetězcových struktur.

57 METODA NEJVZDÁLENĚJŠÍHO SOUSEDA opačný princip než nejbližší sousedi Pozn.: D ( C, C ) = FN i i max d(x xp C i x C Generování protáhlých struktur tato metoda potlačuje, naopak vede ke tvorbě nevelkých kompaktních shluků. je možné i zobecnění pro více nejbližších sousedů D FNk ( C i, C i ) = q max x C p i xq C j j k p d(x,x p q,x ) q ),

58 METODA CENTROIDNÍ vychází z geometrického modelu v euklidovském n rozměrném prostoru a určuje vzdálenost dvou tříd jako čtverec Euklidovy vzdálenosti těžišť obou tříd. je-li těžiště třídy definováno jako střední hodnota z obrazů patřících do této třídy, tj. pak x rk = {xrk1,xrk2,...,xrkn}, xrj = xrik, i = D C ( C i, C i ) = ρ 2 E ( x i K k= 1, x j ), 1,...,n,

59 METODA PRŮMĚRNÉ VAZBY vzdálenost dvou tříd C i ac j je průměrná vzdálenost mezi všemi obrazy tříd C i ac j. Obsahuje-li shluk C i P obrazů ac j Q obrazů, pak jejich vzdálenost je definována vztahem Pozn.: D GA P Q 1 ( C i, Ci) = d(xp,xq). PQ p= 1 q= 1 Metoda často vede k podobným výsledkům jako metoda nejvzdálenějšího souseda.

60 WARDOVA METODA vzdálenost mezi třídami (shluky) je definována přírůstkem součtu čtverců odchylek mezi těžištěm a obrazy shluku vytvořeného z obou uvažovaných shluků C i ac j oproti součtu čtverců odchylek mezi obrazy a těžišti v obou shlucích C i ac j.

61 WARDOVA METODA x x x jsou-li xi a j těžiště tříd C i ac j a těžiště sjednocené množiny, pak Wardova vzdálenost obou shluků je definována výrazem Pozn.: D W ( C i, C i ) x i i j n = x C C k = 1 (x n n 2 (x x ) ik k + xi Cik= 1 xi Cjk= 1 Metoda má tendenci vytvářet shluky zhruba stejné velikosti, tedy odstraňovat shluky malé, resp. velké. ik (x x ik k ) 2 x k ) 2.

62 WARDOVA METODA

63 ALGORITMY SELEKCE PŘÍZNAKŮ výběr optimální podmnožiny obsahující n (n m) příznakových proměnných kombinatorický problém (m!/(m-n)!n! možných řešení) hledáme jen kvazioptimální řešení

64 ALGORITMUS OHRANIČENÉHO VĚTVENÍ předpoklad: monotónnost kritéria selekce - označíme-li X j množinu obsahující j příznaků, pak monotónnost kritéria znamená, že podmnožiny X 1 X 2 X j X m splňuje selekční kritérium vztah J(X 1 ) J(X 1 ) J(X m )

65 ALGORITMUS OHRANIČENÉHO VĚTVENÍ uvažme případ selekce dvou příznaků z pěti

66 ALGORITMUS SEKVENČNÍ DOPŘEDNÉ SELEKCE algoritmus začíná s prázdnou množinou, do které se vloží proměnná s nejlepší hodnotou selekčního kritéria; v každém následujícím kroku se přidá ta proměnná, která s dříve vybranými veličinami dosáhla nejlepší hodnoty kritéria, tj. J({X k+1 })=max J({X k y j }), y j {Y-X k }

67 ALGORITMUS SEKVENČNÍ ZPĚTNÉ SELEKCE algoritmus začíná s množinou všech příznakových veličin; v každém následujícím kroku se eliminuje ta proměnná, která způsobuje nejmenší pokles kriteriální funkce, tj. po (k+1). kroku platí J({X m-k-1 })=max J({X m-k -y j }), y j {X m-k }

68 ALGORITMY SEKVENČNÍ SELEKCE SUBOPTIMALITA Suboptimalita nalezeného řešení sekvenčních algoritmů je způsobena: dopředná selekce - tím, že nelze vyloučit ty veličiny, které se staly nadbytečné po přiřazení dalších veličin; zpětná selekce neexistuje možnost opravy při neoptimálním vyloučení kterékoliv proměnné; Dopředný algoritmus je výpočetně jednodušší, protože pracuje maximálně v n-rozměrném prostoru, naopak zpětný algoritmus umožňuje průběžně sledovat množství ztracené informace.

69 ALGORITMUS PLUS P MÍNUS Q po přidání p veličin se q veličin odstraní; proces probíhá, dokud se nedosáhne požadovaného počtu příznaků; je-li p>q, pracuje algoritmus od prázdné množiny; je-li p<q, varianta zpětného algoritmu

70 ALGORITMUS MIN - MAX Heuristický algoritmus vybírající příznaky na základě výpočtu hodnot kriteriální funkce pouze v jedno- a dvourozměrném příznakovém prostoru. Předpokládejme, že bylo vybráno k příznakových veličin do množiny {X k } a zbývají veličiny z množiny {Y-X k }. Výběr veličiny y j {Y-X k } přináší novou informaci, kterou můžeme ocenit relativně k libovolné veličině x i X k podle vztahu J(y j,x i ) = J(y j,x i ) - J(x i )

71 ALGORITMUS MIN - MAX Informační přírůstek J musí být co největší, ale musí být dostatečný pro všechny veličiny již zahrnuté do množiny X k. Vybíráme tedy veličinu y k+1, pro kterou platí J(y k+1,x k ) = max j min i J(y j,x i ), x i X k