[發(fā)明專利]基于可視化的交互式機(jī)器學(xué)習(xí)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010842552.2
• 申請日: 2020-08-20
• 公開（公告）號: CN112101522B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱敏;溫嘯林;劉尚松;熊梟梟
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號: G06N3/0985
• 分類號: G06N3/0985;G06N3/0499;G06N20/00
• 代理公司: 成都禾創(chuàng)知家知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51284
• 代理人: 裴娟

1.一種基于可視化的交互式機(jī)器學(xué)習(xí)方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：數(shù)據(jù)抽象

采集神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，將訓(xùn)練數(shù)據(jù)抽象為三個(gè)部分：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、隱態(tài)值數(shù)據(jù)和模型評估數(shù)據(jù)；

S2：可視化映射

通過視覺通道將經(jīng)步驟S1抽象出的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化映射，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采用圓形映射神經(jīng)元的形狀，用顏色編碼神經(jīng)元的功能類別；隱態(tài)值數(shù)據(jù)的可視化映射結(jié)合了熱力圖與平行坐標(biāo)；每次訓(xùn)練迭代后的模型評估數(shù)據(jù)使用時(shí)序混淆矩陣進(jìn)行可視化映射；

S3：可視化布局

將步驟S2定義好的映射規(guī)則進(jìn)行具體的可視化布局和繪制實(shí)現(xiàn)；對于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)視圖，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和布局公式迭代計(jì)算出每層網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元位置；對于隱態(tài)值分析視圖，根據(jù)訓(xùn)練樣本產(chǎn)生的隱態(tài)值數(shù)據(jù)，按布局公式計(jì)算出坐標(biāo)位置后繪制平行坐標(biāo)連線和熱力圖矩形，并引入縮放度和透明度來融合雙視圖；采用視圖重載的方式將平行坐標(biāo)與熱力圖時(shí)間軸可視化進(jìn)行融合，視圖分為：頂視圖和底視圖兩部分，基于平行坐標(biāo)的視圖和基于熱力圖的視圖在頂視圖和底視圖之間切換；對于時(shí)序混淆矩陣視圖，根據(jù)每次訓(xùn)練產(chǎn)生的隱態(tài)值數(shù)據(jù)和訓(xùn)練結(jié)果，由布局公式計(jì)算出坐標(biāo)位置，將屬于同一神經(jīng)元的y軸數(shù)值連接起來，并在相應(yīng)間隔區(qū)域填充與類別對應(yīng)的顏色；

S4：交互設(shè)計(jì)

通過渲染技術(shù)將以上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)視圖、隱態(tài)值分析視圖和時(shí)序混淆矩陣視圖渲染成交互式可視化視圖；隱態(tài)值分析視圖為主要視圖，通過時(shí)序混淆矩陣視圖的輔助能夠?qū)δＰ偷挠?xùn)練進(jìn)行評估，通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)視圖能夠快速驗(yàn)證猜想，并產(chǎn)生新的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行下一輪分析。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于可視化的交互式機(jī)器學(xué)習(xí)方法，其特征在于，在步驟S1中，數(shù)據(jù)抽象具體為：

抽象神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)總層數(shù)、各網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的功能類別、各層網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元數(shù)量；抽象神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱態(tài)值數(shù)據(jù)包括網(wǎng)絡(luò)層序號、神經(jīng)元序號、訓(xùn)練次數(shù)序號、某隱藏層各神經(jīng)元在每個(gè)訓(xùn)練樣本上產(chǎn)生的隱態(tài)值數(shù)據(jù)；抽象模型評估數(shù)據(jù)包括訓(xùn)練次數(shù)序號、分類器類別序號、類別總數(shù)、預(yù)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)混淆矩陣。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于可視化的交互式機(jī)器學(xué)習(xí)方法，其特征在于，在步驟S3中，可視化布局實(shí)現(xiàn)具體為：

S3a：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)視圖可視化布局實(shí)現(xiàn)

根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)抽象數(shù)據(jù)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可視化映射方法，計(jì)算可視化布局方式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)視圖可視化布局；

S3b：隱態(tài)值分析視圖可視化布局實(shí)現(xiàn)

根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱態(tài)值抽象數(shù)據(jù)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱態(tài)值數(shù)據(jù)可視化映射方法，計(jì)算可視化布局方式，實(shí)現(xiàn)隱態(tài)值分析視圖可視化布局；

S3c：時(shí)序混淆矩陣視圖可視化布局實(shí)現(xiàn)

根據(jù)每次訓(xùn)練迭代后的模型評估抽象數(shù)據(jù)，結(jié)合模型評估數(shù)據(jù)可視化映射方法，計(jì)算可視化布局方式，實(shí)現(xiàn)時(shí)序混淆矩陣視圖可視化布局。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于可視化的交互式機(jī)器學(xué)習(xí)方法，其特征在于，在步驟S3a中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)視圖可視化布局實(shí)現(xiàn)具體為：

S3a1：對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)S進(jìn)行定義；明確神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的網(wǎng)絡(luò)層序號、網(wǎng)絡(luò)總層數(shù)，分析輸入層、隱藏層、輸出層中各自包含的神經(jīng)元；

S3a2：根據(jù)神經(jīng)元所在位置，計(jì)算神經(jīng)元圓形顏色；

S3a3：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)、每層神經(jīng)元數(shù)量計(jì)算每層神經(jīng)元的起點(diǎn)位置坐標(biāo)；

S3a4：依次繪制每一層網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元，輸出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)視圖。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于可視化的交互式機(jī)器學(xué)習(xí)方法，其特征在于，在步驟S3b中，隱態(tài)值分析視圖可視化布局實(shí)現(xiàn)具體為：

S3b1：根據(jù)數(shù)據(jù)集規(guī)模和視圖大小，計(jì)算單個(gè)矩形的寬和高；

S3b2：讀取每個(gè)訓(xùn)練樣本產(chǎn)生的隱態(tài)值數(shù)據(jù)，計(jì)算該訓(xùn)練樣本所對應(yīng)的矩形繪制起點(diǎn)x軸值；

S3b3：根據(jù)神經(jīng)元序號依次計(jì)算其對應(yīng)的y軸位置；

S3b4：根據(jù)隱態(tài)值數(shù)值計(jì)算矩形對應(yīng)的顏色，進(jìn)行矩形熱力圖繪制；

S3b5：根據(jù)隱態(tài)值數(shù)據(jù)計(jì)算平行坐標(biāo)視圖層折線位置，x軸與熱力圖共享，代表每次訓(xùn)練迭代次數(shù)；

S3b6：根據(jù)每個(gè)神經(jīng)元隱態(tài)值依次計(jì)算其對應(yīng)的y軸位置，將屬于同個(gè)神經(jīng)元的值用直線連起來，繪制出平行坐標(biāo)折線。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于可視化的交互式機(jī)器學(xué)習(xí)方法，其特征在于，在步驟S3c中，時(shí)序混淆矩陣視圖可視化布局實(shí)現(xiàn)具體為：

S3c1：讀入數(shù)據(jù)集，根據(jù)每次訓(xùn)練產(chǎn)生的隱態(tài)值數(shù)據(jù)計(jì)算該次訓(xùn)練對應(yīng)的x軸位置；

S3c2：根據(jù)每次訓(xùn)練的結(jié)果統(tǒng)計(jì)出真陽性樣本、假陽性樣本、真陰性樣本、假陰性樣本的數(shù)值，計(jì)算每次訓(xùn)練的y軸位置；

S3c3：將屬于同一神經(jīng)元的y軸數(shù)值連接起來，并在相應(yīng)間隔區(qū)域填充與類別對應(yīng)的顏色。