learning vector quantization lvq

FEBRERO DE 2003 M en C. José Luis Calderón O. 1

AntecedentesEl método Vector Quantization (VQ) fue originalmente desarrollado por Linde (1980) y Gray (1984). Y como una herramienta para compresión de datos por Gersho y Gray,1992

Vector Quantization VQ

Es una técnica usada para reducir la dimensionalidad de datos.

Los datos originales es un conjunto de vectores de dimensión n.

Los vectores son mapeados en un conjunto mas pequeño de valores codebook.

Vector Quantization VQLos valores codebook son usados para almacenaje o transmisión (Se pierde alguna información contenida).

Los valores codebook son re-transladados a valores cercanos de los datos originales (no serán exactos)

Antecedentes

El algoritmo de LVQ fue adaptado por T. Kohonen en 1986 y Kohonen et al en 1988 para reconocimiento de patrones.

Características de LVQ

La red LVQ se considera como un clasificador supervisado.

El clasificador LVQ divide el espacio de entrada en regiones disjuntas

Todas las regiones de clasificación que se crean están cercanas al “optimo”.

LVQ es una técnica de aprendizaje supervisado que usa la información de clases para mover los vectores de Voronoi W ligeramente.

Mejora la calidad de clasificador de regiones de decisión.

Para clasificar un vector de entrada Pi, este debe ser comparado con todos los vectores prototipos W.

Cada región se representa por un vector prototipo W.

El vector de entrada se clasifica en la misma clase que el prototipo mas cercano

La métrica de la distancia Euclídea se usa para seleccionar el vector Wij mas cercano al de entrada Pi.

Al seleccionar aleatoriamente un vector de entrada Pi del espacio de entrada.

Si la clase etiqueta a Pi de acuerdo al vector de Voronoi W, el vector W se mueve en la dirección Pi.

Si la clase etiqueta a Pi en desacuerdo a W, el vector W se aleja de la dirección Pi.

Características LVQ

Se refuerza el “cluster” representativo (una neurona) cuando este clasifica la entrada en la clase deseada.Reforzamiento positivo: Impulsa los

pesos de la neurona hacia la entrada.Reforzamiento negativo: Aleja los

pesos del vector de entrada

Arquitectura

Arquitectura LVQCombina el aprendizaje competitivo con

SupervisadoNo supervisado (2a. Capa) ocultaSupervisado (3a. Capa)

El aprendizaje competitivo logra “clusters”

Asigna una clase (o valor de salida) a cada “cluster”

Arquitectura

la segunda capa (oculta) es una capa competitiva que aprende a clasificar los vectores de entrada de la misma forma que las capas competitivas.

La tercera capa transforma las clases de la capa competitiva en clasificaciones objetivo (T1, T2, etc) definidas por el usuario.

Consiste de tres capas :

Arquitectura

La entrada a la red no se calcula usando el producto punto de los vectores prototipo con la entrada; sino que en vez de ello, la entrada a la red es el negativo de la distancia euclídea entre los vectores prototipo Wij y la entrada Pi.

xxx Txpw ii

Arquitectura Las primeras son conocidas como

subclases (capa oculta)

Las segundas son conocidas como clases objetivo ambas capas (Competitiva y lineal) tiene una neurona por clase (capa de salida).

Arquitectura

Entonces la capa competitiva (oculta) puede aprender de S1 subclases y la capa lineal (salida) puede formar S2 clases objetivo con la restricción siguiente:

S1 < S2

Arquitectura de LVQ

Arquitectura LVQ

El clasificador LVQ consiste de: Una capa de entradaUna capa competitiva (oculta), la

cual aprende a clasificar vectores de entrada en subclases.

Arquitectura LVQ

Una capa de salida lineal, la cual transforma las clases de la capa competitiva en clasificaciones objetivo definidas por el usuario (capa de salida).

Unicamente la neurona ganadora de la capa lineal tiene salida “1”, mientras que las otras tienen salida “0”.

Arquitectura LVQ

Los vectores de peso de las neuronas de la capa oculta son los prototipos, un numero el cual es usualmente fijado antes de comenzar el entrenamiento.

El numero de neuronas ocultas depende de la complejidad de la relación entra-salida y efectos significativos de los resultados de pruebas al clasificador.

SubclasesPara la red LVQ la neurona ganadora en la 2a capa indica subclases al cual el vector de entrada pertenece.

Puede haber un numero diferente de neuronas (subclases) que constituyen una clase.

SubclasesLa 3a, capa de la red LVQ combina subclases en una sola clase.

Las columnas de W2 representan subclases y las filas representan clases

00112W

W2 tiene un solo 1 en cada columna, los otros elementos son ajustados a cero.

La fila en la que el uno ocurre indica la clase a la cual la subclase apropiada pertenece esta

wk i2 1= subclass i is a part of class k

W21 0 1 1 0 00 1 0 0 0 0

0 0 0 0 1 1

Una red competitiva de una sola capa puede crear regiones de clasificación convexas. La segunda capa de la red LVQ puede combinar las regiones convexas para crear categorías mas complejas.

Algoritmo de

aprendizaje de LVQ

Aprendizaje LVQ

LVQ combina el aprendizaje competitivo con la supervisión. Esto requiere de un conjunto entrenamiento de ejemplos del comportamiento de la red.

Si el patrón de entrada es clasificado correctamente,entonces se mueve el peso ganador hacia el vector de entrada de acuerdo al regla de Kohonen.

p1 t1 p2 t2 pQ tQ

Aprendizaje en LVQ

Si el patrón de entrada es clasificado incorrectamente entonces se mueve el peso ganador fuera del vector de entrada.

tk 1= =

1 tk 0= =

)1()()1()( *** qWqpqWqW iT

La Razón de Aprendizaje

Es deseable que decrezca monótonamente respecto al numero de

iteraciones n. 0 < <=1

Por ejemplo =0.1 , disminuir linealmente respecto a n.

Después de varias iteraciones, los vectores de Voronoi típicamente convergen.

Aplicaciones

Compresión de datos

Clasificación de patrones

Reconocimiento de rostros

Reconocimiento de Rostros LVQ

Ejercicios

Ejemplo 1 LVQEntrene una red LVQ1 con los

siguientes parámetros.

A) Efectue 4 iteraciones en el siguiente orden: P4, P3, P2, y P1.

00112W 5.0

543.011W

969.012W

997.013W

456.014W

B) Grafique los pesos y iniciales y los finales después de la 1a. Epoca. No olvide graficar los patrones de entrada.

Dibuje la red neuronal resultante.

Escriba el código en Matlab/ NNT para resolver el problema

Ejemplo 2 LVQEntrene una red LVQ1 con los

siguientes parámetros (XOR).

A) Efectue 4 iteraciones en el siguiente orden: P1, P2, P3, y P4.

00112W 5.0

25.011W

75.012W

5.014W

B) Grafique los pesos y iniciales y los finales después de la 1a. Epoca. No olvide graficar los patrones de entrada.

Dibuje la red neuronal resultante.

Escriba el código en Matlab/ NNT para resolver el problema

Después de una iteración

Regiones de Decisión Finales

Limitaciones de LVQ1

A) Neuronas MuertasWi no se actualiza nunca

B) Wi no alcanza la regió n de clasificación de Pi.

Solución: Usar algoritmo LVQ2

Variantes de LVQ

Existen diferentes variantes al algoritmo básico de LVQ (LVQ1, LVQ2 y LVQ3).

Las diferentes variantes de LVQ descritas en [Kohonen, 1995,McDermott, 1990,Makino et al., 1992] las cuales tienen propiedades ligeramente diferentes.

Por ejemplo LVQ2 [Kohonen et al., 1996b], la cual es eficiente para sintonia fina de las fronteras de decisión entre las clases en competencia.

LVQ3 [Kohonen et al., 1996b] la cual agrega un termino de estabilidad a LVQ2 para mejorar su comportamiento a largo plazo.

Simulación en

Matlab / NNT

Funciones de LVQ

initlvq para inicializar

simulvq para simular

trainlvq para entrenar la red

plotvec para graficar los vectores de entrada.

Initlvq:

Regresa los pesos W1 para la capa competitiva con S1 neuronas y los pesos W2 para una capa de S2 neuronas lineales donde S2 es el numero de filas T.Cada columna de T debe tener todos “0s” excepto por un solo “1”.

Sintaxis de initlvqSintaxis de initlvq

[W1,W2] = initlvq (P,S1,T);

donde:

P es el vector de entradas

T es el vector objetivo

S1 es el numero de neuronas en la capa oculta.

trainlvqEsta función regresa matrices de pesos nuevos para una red LVQ de capas competitivas y lineales (W1,W2) y después de entrenar los pesos originales en los vectores de entrada P y los vectores objetivo asociados T usando parámetros de entrenamiento tp.

Tp(1) actualización de display = 25

Tp(2) No. Max. de presentaciones = 100

Tp(3) Razón de aprendizaje = 25Nota: NaN, se utiliza para los valores que tiene por omisión

Sintaxis trainlvqSintaxis trainlvq

[W1,W2] = trainlvq(W1,W2,P,T,tp); donde:

W1 es el peso de la capa competitiva

W2 es el peso de la capa lineal

T es el vector de valores objetivo

tp son parámetros de entrenamiento

simulvqLa función anterior toma un

matriz de vectores de entrada P, la matriz de vectores W y un vector de umbral b de una capa lineal y regresa la salidas de la capa.

Sintaxis de Sintaxis de simulvqsimulvq

a = simulvq (P, W1,W2);donde:

W1 es el peso de la capa competitiva

W2 es el peso de la capa lineal

P es el vector de entradas.

Función Función simulvqsimulvq

Ejemplo:

P= [-1 2 3 2 ...;

2 -1 1 -3 ...];

T= [0 0 0 1 ...;

1 1 1 0 ...];

[W,b]= initlvq (p,7,T);

a= simulvq ([1; -1], W1, W2);

learnlvqLa función anterior regresa la actualización de la matriz de pesos para la capa competitiva oculta de una red LVQ

En LVQ la neurona ganadora de la capa competitiva es actualizada con la regla instar si esta neurona tiene un objetivo 1. De otra forma los cambios sugeridos por la regla instar son restados de los pesos de la neurona ganadora.

Sintaxis learnlvqSintaxis learnlvq dW = learnlvq (W,P,a,T,lr);

W = W +dWdonde: W es la matriz de pesos original de la capa

competitiva

a es el vector de salida de la capa competitiva.

T es el vector de valores objetivos

lr es la razón de aprendizaje

Código para el Ejemplo 1

P=[0 0 1 1;

0 1 0 1];

T=[1 0 0 1;

0 1 1 0];

[W1,W2]= initlvq(P,4,T);

[W1,W2]= trainlvq(W1,W2,P,T,[10 100 0.5]);

a = simulvq(P, W1,W2);

Resumen de LVQ

Resumen

LVQ es un método para el entrenamiento de de capas competitivas de una manera supervisada.

Una capa competitiva automáticamente aprenderá a clasificar automáticamente vectores de entrada. Sin embargo, las clases que la capa competitiva encuentra dependen únicamente de los vectores de entrada.

Resumen

Si dos vectores de entrada son muy similares, la capa competitiva probablemente los colocara en la misma clase.

No existe mecanismo en el diseño de una capa competitiva para dictar si cualquiera de los vectores de entrada están la misma clase o no.

Resumen

La redes LVQ aprenden a clasificar vectores de entrada en clases seleccionadas por el usuario

Bibliografía

Referencias:

T. Kohonen, Self-Organization and Associative Memory, 2nd. Edition, Berlin. Springer- Verlag, 1987.

Dudas ???

Hasta la próxima !!!

APENDICE

Learning of the LVQ Net

Training the LVQ Network

Step 1: Initialization:

Initialize the weight vectors.

The weight vectors may be initialized randomly.

Also initialize the learning rate

Step 2: For each vector in the training set follow steps 2a and 2b.

LVQ Training

Step 2a

Training LVQ

Step 3: Adjust the learning rate:

The learning rate is reduced as a function of iteration.

Step 4: Check for termination: Exit if termination conditions are met.

Otherwise go to step 2.

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