HSSVM用法说明文档


Update history:＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

1. 自该版本起，版本号规范化为hssvm1.0.1;
2. 删去以前版本中从ant运行参数搜索及run-all功能，相关配置文件一并删除，即:ant search-param
   ant run-all 两命令不再有效； 原ant打jar包功能保留。
3. 改由命令svm search conf, svm runall conf代替，在Linux下运行（windows下可用cygwin）



Usage：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

0. 概述
    该工具包主要用于解决SVM(支持向量机)多分类问题。利用该工具包，可以对特定格式的样本
    数据、使用SVM超球模型（Hyper-sphere）完成数据的训练与预测。目前本工具包仅支持C_SVC
    (C-Support Vector Classification)，具体功能如下：
    
    1）可进行样本数据格式的转化，主要是index:value格式向value格式转换，及value格式向index:value
       格式转换；

    2）可对非index:value格式的样本数据进行归一化处理；

    3）可进行参数寻优操作，以使后续训练预测操作达到满意的精度要求；

    4）可根据输入参数及训练样本文件进行训练，建立超球SVM模型； 

    5）可根据已建立的超球训练模型，进行数据的分类预测；

    6）可通过命令进行归一化、参数寻优、训练、预测、結果报告等一站式操作。参数
       配置可xml文件里完成； 

    7）各关键操作可统计执行时间（如训练、预测、参数寻优、运行所有等时间）；
    
    8）可进行数据检测是否满足程序处理要求

    9）带缓存机制，可进行大数据量的训练与预测（如样本数据中某最大类样本量超过3000以上）。


1. 安装与配置
    在使用该程序之前，需要安装Java环境(建议jdk、JRE1.6及以上版本）及配置相关环境变量。
  
      1.1 Linux平台     
        1）可从 http://java.sun.com/javase/downloads/widget/jdk6.jsp 下载Linux版本
            jdk的.bin包；
        2）将bin包解压，将解压后的整个目录拷到某用户目录（如下载jdk-6u17-linux-i586.bin包，
            一般jdk内包含了jre，解压然后拷贝整个目录（如拷贝jdk1.6.0_17 到  /usr/java/ 目录）.
           同时将程序包解压（如解压到/home/john/hssvm1.0.1）. 
        3）环境变量设置：
           在用户home目录下编辑.bashrc文件，键入： gedit .bashrc 
           在该文件最后加入下面语句：

                export JAVA_HOME=/usr/java/jdk1.6.0_17
                export HSSVM_HOME=/home/john/hssvm1.0.1
                export CLASSPATH=.:$JAVA_HOME/lib
                export PATH=$PATH:$JAVA_HOME/bin:$HSSVM_HOME/

           其中jdk1.6.0_17为所拷贝到/usr/java/目录下的jdk根目录,HSSVM_HOME配置为程序包解压后的根目录。
        4）保存.bashrc文件后登出系统，重新进入
        5）打开终端键入： java -version  , 回车后有正确版本信息出来，说明Java配置完成。
        
        若修改代码，建议安装Ant，以便编译代码及打包(一般使用可无需安装Ant)
        6）在http://ant.apache.org 下载Linux版本Ant二进制发布包，如apache-ant-1.＊-bin.tar.gz
        7）同Java配置一样，将ant包解压后拷贝到某用户目录（如/usr/java/apache-ant-1.7.1），
            然后在.bashrc中加入如下变量：

            export ANT_HOME=/usr/java/apache-ant-1.7.1
            export PATH=$PATH:$JAVA_HOME/bin:$HSSVM_HOME:$ANT_HOME/bin

        8）保存文件，登出，重新进入系统，在终端键入： ant   回车后出现：
            Buildfile: build.xml does not exist!
            Build failed
           说明Ant工具已可以使用。
  
    1.1 Windows平台
        0) 在Windows下使用该程序需安装cygwin,下载地址:http://www.cygwin.com/。cygwin安装及用法
           说明请参考相关文档。 
        1）可从 http://java.sun.com/javase/downloads/widget/jdk6.jsp 下载windows版本
           jdk，并安装（安装jdk后一般会默认安装jre，如安装到 E:\java\jdk1.6）
        2）将程序包解压到某目录（如E:\program\hssvm1.0.1）
        3）配置环境变量
            右键单击“我的电脑”属性，进入“高级”， “环境变量”， “新建用户变量”，加入如下变量及值：
            
               变量名                  值            
            JAVA_HOME           E:\java\jdk1.6
            HSSVM_HOME          E:\program\hssvm1.0.1
            PATH                %JAVA_HOME%\bin;%HSSVM_HOME%\
            CLASSPATH           .;%JAVA_HOME%\lib

        4）以上完成后，点“确定”并关闭属性窗口。打开命令行窗口，键入：java -version ，应能看到
            正确的Java环境版本号，

        5) 若要修改代码，建议安装Ant。
           从http://ant.apache.org 下载 Windows版本二进制发布包（如apache-ant-1.＊-bin.zip）
           解压后可放于与jdk相同目录（如E:\java\apache-ant-1.7.1），在环境变量中加入：
                    
                    ANT_HOME=E:\java\apache-ant-1.7.1
                    PATH=%JAVA_HOME%\bin;%HSSVM_HOME%\;%ANT_HOME%\bin
                             
           然后键入ant，出现
                Buildfile: build.xml does not exist!
                Build failed
            则说明Ant已可正常使用。


2. 工具包操作说明
    
    2.0 使用准备

     1) 对所有操作命令，当后面不带任何参数及选项执行时，将会出现命令用法说明。或命令后加 ？ 可达到同样效果。
     2) 将hssvm1.0.1.zip包解压到相关工作目录（如/home/work/hssvm1.0），打开终端(windows平台下打开cygwin)
        切换到数据目录，如 cd /home/work/hssvm1.0.1/data,以下后续各操作都将在该目录下进行。
     3) 键入svm回车，查看可用命令。
          svm checkdata     检查样本数据的格式是否正确
          svm train         数据训练
          svm predict       数据预测
          svm scale         归一化数据
          svm convert       数据格式转换(从index:value到标准格式的互相转换)
          svm search        运行参数寻优
          svm runall        运行所有操作(包括归一化、参数寻优、训练、预测等)
            

    2.1 数据训练(Trainer)======================

    1）用法: svm train [options] train_file [model_file]
    Options:
       -m factor: which determines storing how many rows of kernel matrix in cache.
               It's available only if processing large amount samples(default 0.05)
       -k kernel_type : set type of kernel function (default RBF)
            1 -- polynomial(Unsupported temporaryly) 
            2 -- RBF(radial basis function) 
       -e epsilon : set tolerance of termination criterion (default 0.001)
       -C cost : set the penalty factor C (default 1)
       -g gamma : set gamma in kernel function (default 1)    
    
    2）参数及选项说明
    -m 该选项所设定值仅当多分类问题中某类样本量大于约2500时起作用.样本量大于2500条时，缓存（cache）
       中存储 NxN 核矩阵的行数为：rows = n*factor (n为某类样本量，即样本个数).当样本量小于
       约2500时，采用“上三角矩阵”存储核矩阵（预先存储核矩阵为了加快计算速度）
    -k 核函数类型。当前工具包中仅支持RBF-径向基核函数（此为超球模型中优先选用的核函数）
    -e 训练过程中用SMO算法求解二次规划的终止精度，该值越小，求解耗费时间将越多。

    train_file 
        为“非index:value格式”训练样本文件。文件格式请查看hssvm1.0\data\目录下数据文件示例。
        若您有“index:value格式”数据文件，则需要先将其用 DataTransfer 命令进行转换（命令用法
        见后续介绍）； 一般，为达到更好的预测精度，需对训练数据进行归一化处理（后续介绍）。

    model_file
        训练后建立的超球模型将存入该文件里。该文件名可选，默认文件名为 train_file.model

    3）用法示例
        svm train -C 1.0 -g 2.5  winetrain  wine.model   
            --注意：-C 应为大写,其他参数均为默认。训练过程中，为提高最终预测精度，参数C，gamma
              的选择是关键。所以，实际训练前应考虑进行参数寻优操作（见后续介绍）

        svm train -m 0.1 -C 1.0 -g 4 adult_5000 adult.model
            --若adult_5000为大样本量文件（该样本里存在某类样本量大于约2500个），则此时选项-m将起作
               用。若假设此时其中某类样本有3000，则所建立的缓存将存储 3000*0.1=300 行的核
               矩阵数据。程序运行时存储这些数据需要内存约7.2M


    2.2 数据预测(Predictor)======================

    1）用法：svm predict test_file  model_file [output_file]

    2）参数及选项说明
    test_file
        同样，为得到更好预测精度，应考虑test_file与train_file一起进行归一化处理。
    
    model_file
        为训练过程中生成的模型文件

    output_file
        可选参数。默认文件名为 test_file.out

    3）用法示例：
        svm predict winetest winetrain.model wine.out    
    

    2.3 参数寻优(ParamOptimizer)======================

    1）用法：svm search  [options] train_file 
    Options: 
       -m factor: which determines storing how many rows of kernel matrix in cache.
               It's available only if processing large amount samples(default 0.05)
       -k kernel_type : set type of kernel function (default RBF)
            1 -- polynomial(Unsupported temporaryly) 
            2 -- RBF(radial basis function) 
       -e epsilon : set tolerance of termination criterion (default 0.001)
       -v way: the way of cross-validation(default k-fold cross)
            0 -- Random
            1 -- k-fold cross
            2 -- k-fold cross and random
       -t stype: determines how to choose optimal gamma-C pair (default Minimal C)
            0 -- Minimal C
            1 -- Minimal gamma
            2 -- Both C and gamma are minimal
       -f  fold: the fold number in cross-validation(default 5)
       -C  lower upper step :  set the scope of C(default [1.0 5.0]  step=1.0)
       -g  lower upper step :  set the scope of gamma(default [1.0 5.0]  step=1.0)
       -w  : write parameters searching result to file(no this option, not write)

    2）参数及选项说明
    train_file
        参数寻优过程中，该参数是必需的。通过特定算法，将该数据文件分割训练和预测两部分，由此找到
        合适的gamma-C参数对，作为后面真正训练预测的依据。

    -v 交叉验证方式选择，默认k－重交叉验证方式。目前程序支持三种方式：
       0.随机验证----对训练数据进行分类后，在每一类中选择(1/折数)的样本数，然后将各类所选择的样
         本数合起来作为预测数据，剩余作为训练数据； 
       1.k-重交叉验证----同样在训练数据分好类后，将每一类的样本都分成折数份（如5份），从每一类中
         选择第一个1/5并合起来作为预测数据，剩余作为训练数据。下一次选择每类的第二个1／5合起来作
         为预测数据， 以此循环，直到各类中的每一份数据都作为预测数据一次。
         此方式比前一种需多出折数次的循环，故需更多寻优时间。但得到的参数結果也更稳定，精度也较高。
       2.k-重交叉随机验证----此方式综合以上两种，所花时间与k-重交叉验证同。在样本数最大的一类中
         顺序选取一折（如1/5），而在其他类中随机选取一折，合起来作为预测数据。 

    -t 在寻优結果中，一般选取精度最高結果作为后续训练预测，因存在许多同样精度值的不同gamma-C对，所
       以需考虑使用何种策略来决定哪些参数对为最优，目前支持以下三种策略：
        0.最小C 
        1.最小gamma
        2.C、gamma均最小   

    -f 交叉验证折数，与-v选项配合使用。该值不建议小于3

    -C 寻优中的C的范围，由［上界，下界］及步长组成。 上下界间距越大及步长越小，耗费时间越多，但找到
       更优参数对的可能性更大。

    -g 类似C的范围选取。
    -w 寻优过程将产生“各种不同参数对”进行训练预测的結果，加上该选项，这些結果将被写入文件，可用于
       其他工具绘制等高线。 注，该选项后无需参数值。

    3）用法示例
        svm search -v 0 -t 2 -f 3 -C 0.5 5 0.5 -g 0.5 5 0.5 -w winetrain
        svm search  winetrain
            
      因该命令参数较多，而除train_file外，其他选项都有默认值。若要修改选项，推荐以：
        svm search conf  
      方式运行，后续将作介绍。
        
        

    2.4 归一化处理(Normalizer)======================

    1）用法: svm scale [option] train_file  test_file 
         option: -s lower upper (default[-1.0 1.0]）

    2）选项及参数说明
       正式训练预测时，一般要求对训练样本文件和预测样本文件同时进行归一化，因而此时参数train_file,
       test_file都需要提供。但若只需对某单个样本文件进行（如参数寻优过程中只处理训练样本文件），
       此时可不提供test_file参数。

       -s lower upper:  归一化上下界

    3）用法示例
        svm scale -s 0.1 0.9 winetrain winetest 

        svm scale winetrain 


    2.5 数据格式转换(DataTransfer)======================

    1）用法: svm convert [option] src_file [dest_file] 
        -i : convert non-index format data to index format data(if no this option,
             convert the index format to non-index format)

    2）选项及参数说明
      index格式数据，形如： 
        -1 1:2.5  2:1.3  3:2.0       
        +1 1:2.5  2:1.3  3:3.0 

      non-index格式数据，形如：    
        -1  2.5  1.3  2.0       
        +1  2.5  1.3  3.0 

       本工具包只处理non-index格式数据，所以，若您的数据为index格式，则需要用此“数据格式转换”
      命令将其转成non-index格式，以便程序处理。

    -i 执行命令时，若无此选项，则程序将默认src_file为index格式数据文件，转换后将变成non-index
       格式文件，默认文件名为src_file.n。若加上此选项，则反之，将src_file由non-index格式转成
       index格式（该功能可为其他工具包提供处理数据）          

    3）用法示例
        svm convert winetrain.index  ----結果文件为winetrain.index.n， non-index格式
        svm convert -i winetrain     ----結果文件为winetrain.i，index格式


3. 批量处理及参数配置 
       
    3.0 运行参数寻优或runall时，通过hssvm-config.xml配置参数，为推荐方式。
 
    上述各操作（归一化、参数寻优、训练、预测等）逐一进行可能要经历一番繁琐复杂的过程，且当有的命令
    存在较多参数时，参数的输入、挑选、格式的正确与否等都会让操作变得复杂、易于出错。基于此，本程序提
    供了通过文件进行参数配置，可使所有操作较方便地一步完成。

    找到工作目录下的hssvm-config.xml文件，在该文件里配置了所有程序运行所需的参数。更改后保存该
    文件，运行search或runall即可。

   3.1 命令使用
    svm search conf

    svm runall conf    
    
    注： conf为一特定标识，表示通过hssvm-config.xml文件读取配置参数。若键入命令时无此一标识，
    则各参数仍然从命令行读取。


4. 其他
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    xjbean@qq.com