]> rtime.felk.cvut.cz Git - opencv.git/blob - opencv/doc/MachineLearning.tex
another warning fixed
[opencv.git] / opencv / doc / MachineLearning.tex
1 The Machine Learning Library (MLL) is a set of classes and functions for statistical classification, regression and clustering of data.
2
3 Most of the classification and regression algorithms are implemented as C++ classes. As the algorithms have different seta of features (like the ability to handle missing measurements, or categorical input variables etc.), there is a little common ground between the classes. This common ground is defined by the class `CvStatModel` that all the other ML classes are derived from.
4
5 \ifCpp
6
7 \section{Statistical Models}
8
9 \cvclass{CvStatModel}
10 Base class for the statistical models in ML.
11
12 \begin{lstlisting}
13 class CvStatModel
14 {
15 public:
16     /* CvStatModel(); */
17     /* CvStatModel( const CvMat* train_data ... ); */
18
19     virtual ~CvStatModel();
20
21     virtual void clear()=0;
22
23     /* virtual bool train( const CvMat* train_data, [int tflag,] ..., const 
24         CvMat* responses, ...,
25      [const CvMat* var_idx,] ..., [const CvMat* sample_idx,] ...
26      [const CvMat* var_type,] ..., [const CvMat* missing_mask,] 
27         <misc_training_alg_params> ... )=0;
28       */
29
30     /* virtual float predict( const CvMat* sample ... ) const=0; */
31
32     virtual void save( const char* filename, const char* name=0 )=0;
33     virtual void load( const char* filename, const char* name=0 )=0;
34
35     virtual void write( CvFileStorage* storage, const char* name )=0;
36     virtual void read( CvFileStorage* storage, CvFileNode* node )=0;
37 };
38 \end{lstlisting}
39
40 In this declaration some methods are commented off. Actually, these are methods for which there is no unified API (with the exception of the default constructor), however, there are many similarities in the syntax and semantics that are briefly described below in this section, as if they are a part of the base class.
41
42
43 \cvfunc{CvStatModel::CvStatModel}
44 Default constructor.
45
46 \cvdefCpp{
47 CvStatModel::CvStatModel();
48 }
49
50 Each statistical model class in ML has a default constructor without parameters. This constructor is useful for 2-stage model construction, when the default constructor is followed by \texttt{train()} or \texttt{load()}.
51
52
53 \cvfunc{CvStatModel::CvStatModel(...)}
54 Training constructor.
55
56 \cvdefCpp{
57 CvStatModel::CvStatModel( const CvMat* train\_data ... ); 
58 }
59
60 Most ML classes provide single-step construct and train constructors. This constructor is equivalent to the default constructor, followed by the \texttt{train()} method with the parameters that are passed to the constructor.
61
62
63 \cvfunc{CvStatModel::~CvStatModel}
64 Virtual destructor.
65
66 \cvdefCpp{
67 CvStatModel::~CvStatModel();
68 }
69
70 The destructor of the base class is declared as virtual, so it is safe to write the following code:
71
72 \begin{lstlisting}
73 CvStatModel* model;
74 if( use\_svm )
75     model = new CvSVM(... /* SVM params */);
76 else
77     model = new CvDTree(... /* Decision tree params */);
78 ...
79 delete model;
80 \end{lstlisting}
81
82 Normally, the destructor of each derived class does nothing, but in this instance it calls the overridden method \texttt{clear()} that deallocates all the memory.
83
84
85 \cvfunc{CvStatModel::clear}
86 Deallocates memory and resets the model state.
87
88 \cvdefCpp{
89 void CvStatModel::clear();
90 }
91
92 The method \texttt{clear} does the same job as the destructor; it deallocates all the memory occupied by the class members. But the object itself is not destructed, and can be reused further. This method is called from the destructor, from the \texttt{train} methods of the derived classes, from the methods \texttt{load()}, \texttt{read()} or even explicitly by the user.
93
94
95 \cvfunc{CvStatModel::save}
96 Saves the model to a file.
97
98 \cvdefCpp{
99 void CvStatModel::save( const char* filename, const char* name=0 );
100 }
101
102 The method \texttt{save} stores the complete model state to the specified XML or YAML file with the specified name or default name (that depends on the particular class). \texttt{Data persistence} functionality from CxCore is used.
103
104
105 \cvfunc{CvStatModel::load}
106 Loads the model from a file.
107
108 \cvdefCpp{
109 void CvStatModel::load( const char* filename, const char* name=0 );
110 }
111
112 The method \texttt{load} loads the complete model state with the specified name (or default model-dependent name) from the specified XML or YAML file. The previous model state is cleared by \texttt{clear()}.
113
114 Note that the method is virtual, so any model can be loaded using this virtual method. However, unlike the C types of OpenCV that can be loaded using the generic \\cross{cvLoad}, here the model type must be known, because an empty model must be constructed beforehand. This limitation will be removed in the later ML versions.
115
116
117 \cvfunc{CvStatModel::write}
118 Writes the model to file storage.
119
120 \cvdefCpp{
121 void CvStatModel::write( CvFileStorage* storage, const char* name );
122 }
123
124 The method \texttt{write} stores the complete model state to the file storage with the specified name or default name (that depends on the particular class). The method is called by \texttt{save()}.
125
126
127 \cvfunc{CvStatModel::read}
128 Reads the model from file storage.
129
130 \cvdefCpp{
131 void CvStatMode::read( CvFileStorage* storage, CvFileNode* node );
132 }
133
134 The method \texttt{read} restores the complete model state from the specified node of the file storage. The node must be located by the user using the function \cross{GetFileNodeByName}.
135
136 The previous model state is cleared by \texttt{clear()}.
137
138
139 \cvfunc{CvStatModel::train}
140 Trains the model.
141
142 \cvdefCpp{bool CvStatMode::train( const CvMat* train\_data, [int tflag,] ..., const CvMat* responses, ..., \par
143     [const CvMat* var\_idx,] ..., [const CvMat* sample\_idx,] ... \par
144     [const CvMat* var\_type,] ..., [const CvMat* missing\_mask,] <misc\_training\_alg\_params> ... );}
145
146 The method trains the statistical model using a set of input feature vectors and the corresponding output values (responses). Both input and output vectors/values are passed as matrices. By default the input feature vectors are stored as \texttt{train\_data} rows, i.e. all the components (features) of a training vector are stored continuously. However, some algorithms can handle the transposed representation, when all values of each particular feature (component/input variable) over the whole input set are stored continuously. If both layouts are supported, the method includes \texttt{tflag} parameter that specifies the orientation:
147 \begin{itemize}
148  \item \texttt{tflag=CV\_ROW\_SAMPLE} means that the feature vectors are stored as rows,
149  \item \texttt{tflag=CV\_COL\_SAMPLE} means that the feature vectors are stored as columns.
150 \end{itemize}
151 The \texttt{train\_data} must have a \texttt{CV\_32FC1} (32-bit floating-point, single-channel) format. Responses are usually stored in the 1d vector (a row or a column) of \texttt{CV\_32SC1} (only in the classification problem) or \texttt{CV\_32FC1} format, one value per input vector (although some algorithms, like various flavors of neural nets, take vector responses).
152
153 For classification problems the responses are discrete class labels; for regression problems the responses are values of the function to be approximated. Some algorithms can deal only with classification problems, some - only with regression problems, and some can deal with both problems. In the latter case the type of output variable is either passed as separate parameter, or as a last element of \texttt{var\_type} vector:
154 \begin{itemize}
155  \item \texttt{CV\_VAR\_CATEGORICAL} means that the output values are discrete class labels,
156  \item \texttt{CV\_VAR\_ORDERED(=CV\_VAR\_NUMERICAL)} means that the output values are ordered, i.e. 2 different values can be compared as numbers, and this is a regression problem
157 \end{itemize}
158 The types of input variables can be also specified using \texttt{var\_type}. Most algorithms can handle only ordered input variables.
159
160 Many models in the ML may be trained on a selected feature subset, and/or on a selected sample subset of the training set. To make it easier for the user, the method \texttt{train} usually includes \texttt{var\_idx} and \texttt{sample\_idx} parameters. The former identifies variables (features) of interest, and the latter identifies samples of interest. Both vectors are either integer (\texttt{CV\_32SC1}) vectors, i.e. lists of 0-based indices, or 8-bit (\texttt{CV\_8UC1}) masks of active variables/samples. The user may pass \texttt{NULL} pointers instead of either of the arguments, meaning that all of the variables/samples are used for training.
161
162 Additionally some algorithms can handle missing measurements, that is when certain features of certain training samples have unknown values (for example, they forgot to measure a temperature of patient A on Monday). The parameter \texttt{missing\_mask}, an 8-bit matrix the same size as \texttt{train\_data}, is used to mark the missed values (non-zero elements of the mask).
163
164 Usually, the previous model state is cleared by \texttt{clear()} before running the training procedure. However, some algorithms may optionally update the model state with the new training data, instead of resetting it.
165
166
167 \cvfunc{CvStatModel::predict}
168 Predicts the response for the sample.
169
170 \cvdefCpp{
171 float CvStatMode::predict( const CvMat* sample[, <prediction\_params>] ) const;
172 }
173
174 The method is used to predict the response for a new sample. In the case of classification the method returns the class label, in the case of regression - the output function value. The input sample must have as many components as the \texttt{train\_data} passed to \texttt{train} contains. If the \texttt{var\_idx} parameter is passed to \texttt{train}, it is remembered and then is used to extract only the necessary components from the input sample in the method \texttt{predict}.
175
176 The suffix "const" means that prediction does not affect the internal model state, so the method can be safely called from within different threads.
177
178 \section{Normal Bayes Classifier}
179
180 This is a simple classification model assuming that feature vectors from each class are normally distributed (though, not necessarily independently distributed), so the whole data distribution function is assumed to be a Gaussian mixture, one component per  class. Using the training data the algorithm estimates mean vectors and covariance matrices for every class, and then it uses them for prediction.
181
182 \textbf{[Fukunaga90] K. Fukunaga. Introduction to Statistical Pattern Recognition. second ed., New York: Academic Press, 1990.}
183
184
185 \cvclass{CvNormalBayesClassifier}
186
187 Bayes classifier for normally distributed data.
188
189 \begin{lstlisting}
190 class CvNormalBayesClassifier : public CvStatModel
191 {
192 public:
193     CvNormalBayesClassifier();
194     virtual ~CvNormalBayesClassifier();
195
196     CvNormalBayesClassifier( const CvMat* _train_data, const CvMat* _responses,
197         const CvMat* _var_idx=0, const CvMat* _sample_idx=0 );
198
199     virtual bool train( const CvMat* _train_data, const CvMat* _responses,
200         const CvMat* _var_idx = 0, const CvMat* _sample_idx=0, bool update=false );
201
202     virtual float predict( const CvMat* _samples, CvMat* results=0 ) const;
203     virtual void clear();
204
205     virtual void save( const char* filename, const char* name=0 );
206     virtual void load( const char* filename, const char* name=0 );
207
208     virtual void write( CvFileStorage* storage, const char* name );
209     virtual void read( CvFileStorage* storage, CvFileNode* node );
210 protected:
211     ...
212 };
213 \end{lstlisting}
214
215
216
217 \cvfunc{CvNormalBayesClassifier::train}
218 Trains the model.
219
220 \cvdefCpp{
221 bool CvNormalBayesClassifier::train( \par const CvMat* \_train\_data, \par const CvMat* \_responses,
222                \par const CvMat* \_var\_idx =0, \par const CvMat* \_sample\_idx=0, \par bool update=false );
223 }
224
225 The method trains the Normal Bayes classifier. It follows the conventions of the generic \texttt{train} "method" with the following limitations: only CV\_ROW\_SAMPLE data layout is supported; the input variables are all ordered; the output variable is categorical (i.e. elements of \texttt{\_responses} must be integer numbers, though the vector may have \texttt{CV\_32FC1} type), and missing measurements are not supported.
226
227 In addition, there is an \texttt{update} flag that identifies whether the model should be trained from scratch (\texttt{update=false}) or should be updated using the new training data (\texttt{update=true}).
228
229 \cvfunc{CvNormalBayesClassifier::predict}
230 Predicts the response for sample(s)
231
232 \cvdefCpp{
233 float CvNormalBayesClassifier::predict( \par const CvMat* samples, \par CvMat* results=0 ) const;
234 }
235
236 The method \texttt{predict} estimates the most probable classes for the input vectors. The input vectors (one or more) are stored as rows of the matrix \texttt{samples}. In the case of multiple input vectors, there should be one output vector \texttt{results}. The predicted class for a single input vector is returned by the method.
237
238 \section{K Nearest Neighbors}
239
240 The algorithm caches all of the training samples, and predicts the response for a new sample by analyzing a certain number (\textbf{K}) of the nearest neighbors of the sample (using voting, calculating weighted sum etc.) The method is sometimes referred to as "learning by example", because for prediction it looks for the feature vector with a known response that is closest to the given vector.
241
242
243 \cvclass{CvKNearest}
244 K Nearest Neighbors model.
245
246 \begin{lstlisting}
247 class CvKNearest : public CvStatModel
248 {
249 public:
250
251     CvKNearest();
252     virtual ~CvKNearest();
253
254     CvKNearest( const CvMat* _train_data, const CvMat* _responses,
255                 const CvMat* _sample_idx=0, bool _is_regression=false, int max_k=32 );
256
257     virtual bool train( const CvMat* _train_data, const CvMat* _responses,
258                         const CvMat* _sample_idx=0, bool is_regression=false,
259                         int _max_k=32, bool _update_base=false );
260
261     virtual float find_nearest( const CvMat* _samples, int k, CvMat* results,
262         const float** neighbors=0, CvMat* neighbor_responses=0, CvMat* dist=0 ) const;
263
264     virtual void clear();
265     int get_max_k() const;
266     int get_var_count() const;
267     int get_sample_count() const;
268     bool is_regression() const;
269
270 protected:
271     ...
272 };
273 \end{lstlisting}
274
275
276
277 \cvfunc{CvKNearest::train}
278 Trains the model.
279
280 \cvdefCpp{
281 bool CvKNearest::train( \par const CvMat* \_train\_data, \par const CvMat* \_responses,
282                         \par const CvMat* \_sample\_idx=0, \par bool is\_regression=false,
283                         \par int \_max\_k=32, \par bool \_update\_base=false );
284
285 }
286
287 The method trains the K-Nearest model. It follows the conventions of generic \texttt{train} "method" with the following limitations: only CV\_ROW\_SAMPLE data layout is supported, the input variables are all ordered, the output variables can be either categorical (\texttt{is\_regression=false}) or ordered (\texttt{is\_regression=true}), variable subsets (\texttt{var\_idx}) and missing measurements are not supported.
288
289 The parameter \texttt{\_max\_k} specifies the number of maximum neighbors that may be passed to the method \texttt{find\_nearest}.
290
291 The parameter \texttt{\_update\_base} specifies whether the model is trained from scratch \newline (\texttt{\_update\_base=false}), or it is updated using the new training data (\texttt{\_update\_base=true}). In the latter case the parameter \texttt{\_max\_k} must not be larger than the original value.
292
293
294 \cvfunc{CvKNearest::find\_nearest}
295
296 Finds the neighbors for the input vectors.
297
298 \cvdefCpp{
299
300 float CvKNearest::find\_nearest( \par const CvMat* \_samples, \par int k, CvMat* results=0,
301         \par const float** neighbors=0, \par CvMat* neighbor\_responses=0, \par CvMat* dist=0 ) const;
302
303 }
304
305 For each input vector (which are the rows of the matrix
306 \texttt{\_samples}) the method finds the $ \texttt{k} \le
307 \texttt{get\_max\_k()} $ nearest neighbor.  In the case of regression,
308 the predicted result will be a mean value of the particular vector's
309 neighbor responses. In the case of classification the class is determined
310 by voting.
311
312 For custom classification/regression prediction, the method can optionally return pointers to the neighbor vectors themselves (\texttt{neighbors}, an array of \texttt{k*\_samples->rows} pointers), their corresponding output values (\texttt{neighbor\_responses}, a vector of \texttt{k*\_samples->rows} elements) and the distances from the input vectors to the neighbors (\texttt{dist}, also a vector of \texttt{k*\_samples->rows} elements).
313
314 For each input vector the neighbors are sorted by their distances to the vector.
315
316 If only a single input vector is passed, all output matrices are optional and the predicted value is returned by the method.
317
318 % Example. Classification of 2D samples from a Gaussian mixture with the k-nearest classifier
319
320 \begin{lstlisting}
321 #include "ml.h"
322 #include "highgui.h"
323
324 int main( int argc, char** argv )
325 {
326     const int K = 10;
327     int i, j, k, accuracy;
328     float response;
329     int train_sample_count = 100;
330     CvRNG rng_state = cvRNG(-1);
331     CvMat* trainData = cvCreateMat( train_sample_count, 2, CV_32FC1 );
332     CvMat* trainClasses = cvCreateMat( train_sample_count, 1, CV_32FC1 );
333     IplImage* img = cvCreateImage( cvSize( 500, 500 ), 8, 3 );
334     float _sample[2];
335     CvMat sample = cvMat( 1, 2, CV_32FC1, _sample );
336     cvZero( img );
337
338     CvMat trainData1, trainData2, trainClasses1, trainClasses2;
339
340     // form the training samples
341     cvGetRows( trainData, &trainData1, 0, train_sample_count/2 );
342     cvRandArr( &rng_state, &trainData1, CV_RAND_NORMAL, cvScalar(200,200), cvScalar(50,50) );
343
344     cvGetRows( trainData, &trainData2, train_sample_count/2, train_sample_count );
345     cvRandArr( &rng_state, &trainData2, CV_RAND_NORMAL, cvScalar(300,300), cvScalar(50,50) );
346
347     cvGetRows( trainClasses, &trainClasses1, 0, train_sample_count/2 );
348     cvSet( &trainClasses1, cvScalar(1) );
349
350     cvGetRows( trainClasses, &trainClasses2, train_sample_count/2, train_sample_count );
351     cvSet( &trainClasses2, cvScalar(2) );
352
353     // learn classifier
354     CvKNearest knn( trainData, trainClasses, 0, false, K );
355     CvMat* nearests = cvCreateMat( 1, K, CV_32FC1);
356
357     for( i = 0; i < img->height; i++ )
358     {
359         for( j = 0; j < img->width; j++ )
360         {
361             sample.data.fl[0] = (float)j;
362             sample.data.fl[1] = (float)i;
363
364             // estimates the response and get the neighbors' labels
365             response = knn.find_nearest(&sample,K,0,0,nearests,0);
366
367             // compute the number of neighbors representing the majority
368             for( k = 0, accuracy = 0; k < K; k++ )
369             {
370                 if( nearests->data.fl[k] == response)
371                     accuracy++;
372             }
373             // highlight the pixel depending on the accuracy (or confidence)
374             cvSet2D( img, i, j, response == 1 ?
375                 (accuracy > 5 ? CV_RGB(180,0,0) : CV_RGB(180,120,0)) :
376                 (accuracy > 5 ? CV_RGB(0,180,0) : CV_RGB(120,120,0)) );
377         }
378     }
379
380     // display the original training samples
381     for( i = 0; i < train_sample_count/2; i++ )
382     {
383         CvPoint pt;
384         pt.x = cvRound(trainData1.data.fl[i*2]);
385         pt.y = cvRound(trainData1.data.fl[i*2+1]);
386         cvCircle( img, pt, 2, CV_RGB(255,0,0), CV_FILLED );
387         pt.x = cvRound(trainData2.data.fl[i*2]);
388         pt.y = cvRound(trainData2.data.fl[i*2+1]);
389         cvCircle( img, pt, 2, CV_RGB(0,255,0), CV_FILLED );
390     }
391
392     cvNamedWindow( "classifier result", 1 );
393     cvShowImage( "classifier result", img );
394     cvWaitKey(0);
395
396     cvReleaseMat( &trainClasses );
397     cvReleaseMat( &trainData );
398     return 0;
399 }
400 \end{lstlisting}
401
402
403 \section{Support Vector Machines}
404
405 Originally, support vector machines (SVM) was a technique for building an optimal (in some sense) binary (2-class) classifier. Then the technique has been extended to regression and clustering problems. SVM is a partial case of kernel-based methods, it maps feature vectors into higher-dimensional space using some kernel function, and then it builds an optimal linear discriminating function in this space (or an optimal hyper-plane that fits into the training data, ...). in the case of SVM the kernel is not defined explicitly. Instead, a distance between any 2 points in the hyper-space needs to be defined.
406
407 The solution is optimal in a sense that the margin between the separating hyper-plane and the nearest feature vectors from the both classes (in the case of 2-class classifier) is maximal. The feature vectors that are the closest to the hyper-plane are called "support vectors", meaning that the position of other vectors does not affect the hyper-plane (the decision function).
408
409 There are a lot of good references on SVM. Here are only a few ones to start with.
410 \begin{itemize}
411 \item \textbf{[Burges98] C. Burges. "A tutorial on support vector machines for pattern recognition", Knowledge Discovery and Data Mining 2(2), 1998.} (available online at \url{http://citeseer.ist.psu.edu/burges98tutorial.html}).
412 \item \textbf{LIBSVM - A Library for Support Vector Machines. By Chih-Chung Chang and Chih-Jen Lin} (\url{http://www.csie.ntu.edu.tw/~cjlin/libsvm/})
413 \end{itemize}
414
415 \cvclass{CvSVM}
416 Support Vector Machines.
417
418 \begin{lstlisting}
419 class CvSVM : public CvStatModel
420 {
421 public:
422     // SVM type
423     enum { C_SVC=100, NU_SVC=101, ONE_CLASS=102, EPS_SVR=103, NU_SVR=104 };
424
425     // SVM kernel type
426     enum { LINEAR=0, POLY=1, RBF=2, SIGMOID=3 };
427
428     // SVM params type
429     enum { C=0, GAMMA=1, P=2, NU=3, COEF=4, DEGREE=5 };
430
431     CvSVM();
432     virtual ~CvSVM();
433
434     CvSVM( const CvMat* _train_data, const CvMat* _responses,
435            const CvMat* _var_idx=0, const CvMat* _sample_idx=0,
436            CvSVMParams _params=CvSVMParams() );
437
438     virtual bool train( const CvMat* _train_data, const CvMat* _responses,
439                         const CvMat* _var_idx=0, const CvMat* _sample_idx=0,
440                         CvSVMParams _params=CvSVMParams() );
441
442     virtual bool train_auto( const CvMat* _train_data, const CvMat* _responses,
443         const CvMat* _var_idx, const CvMat* _sample_idx, CvSVMParams _params,
444         int k_fold = 10,
445         CvParamGrid C_grid      = get_default_grid(CvSVM::C),
446         CvParamGrid gamma_grid  = get_default_grid(CvSVM::GAMMA),
447         CvParamGrid p_grid      = get_default_grid(CvSVM::P),
448         CvParamGrid nu_grid     = get_default_grid(CvSVM::NU),
449         CvParamGrid coef_grid   = get_default_grid(CvSVM::COEF),
450         CvParamGrid degree_grid = get_default_grid(CvSVM::DEGREE) );
451
452     virtual float predict( const CvMat* _sample ) const;
453     virtual int get_support_vector_count() const;
454     virtual const float* get_support_vector(int i) const;
455     virtual CvSVMParams get_params() const { return params; };
456     virtual void clear();
457
458     static CvParamGrid get_default_grid( int param_id );
459
460     virtual void save( const char* filename, const char* name=0 );
461     virtual void load( const char* filename, const char* name=0 );
462
463     virtual void write( CvFileStorage* storage, const char* name );
464     virtual void read( CvFileStorage* storage, CvFileNode* node );
465     int get_var_count() const { return var_idx ? var_idx->cols : var_all; }
466
467 protected:
468     ...
469 };
470 \end{lstlisting}
471
472
473 \cvclass{CvSVMParams}
474 SVM training parameters.
475
476 \begin{lstlisting}
477 struct CvSVMParams
478 {
479     CvSVMParams();
480     CvSVMParams( int _svm_type, int _kernel_type,
481                  double _degree, double _gamma, double _coef0,
482                  double _C, double _nu, double _p,
483                  CvMat* _class_weights, CvTermCriteria _term_crit );
484
485     int         svm_type;
486     int         kernel_type;
487     double      degree; // for poly
488     double      gamma;  // for poly/rbf/sigmoid
489     double      coef0;  // for poly/sigmoid
490
491     double      C;  // for CV_SVM_C_SVC, CV_SVM_EPS_SVR and CV_SVM_NU_SVR
492     double      nu; // for CV_SVM_NU_SVC, CV_SVM_ONE_CLASS, and CV_SVM_NU_SVR
493     double      p; // for CV_SVM_EPS_SVR
494     CvMat*      class_weights; // for CV_SVM_C_SVC
495     CvTermCriteria term_crit; // termination criteria
496 };
497
498 \end{lstlisting}
499
500 %\begin{description}
501 %\cvarg{svm\_type}{Type of SVM, one of the following types:
502 %\begin{description}
503 %\cvarg{CvSVM::C\_SVC}{n-class classification ($n>=2$), allows imperfect separation of classes with penalty multiplier \texttt{C} for outliers.}
504 %\cvarg{CvSVM::NU\_SVC}{n-class classification with possible imperfect separation. Parameter \texttt{nu} (in the range 0..1, the larger the value, the smoother the decision boundary) is used instead of \texttt{C}.}
505 %\cvarg{CvSVM::ONE\_CLASS}{one-class SVM. All of the training data is from the same class, SVM builds a boundary that separates the class from the rest of the feature space.}
506 %\cvarg{CvSVM::EPS\_SVR}{regression. The distance between feature vectors from the training set and the fitting hyper-plane must be less than \texttt{p}. For outliers the penalty multiplier \texttt{C} is used.}
507 %\cvarg{CvSVM::NU\_SVR}{regression; \texttt{nu} is used instead of \texttt{p}.}
508 %\end{description}}
509 %\cvarg{kernel\_type}{The kernel type, one of the following types:
510 %\begin{description}
511 %\cvarg{CvSVM::LINEAR}{no mapping is done, linear discrimination (or regression) is done in the original feature space. It is the fastest option $d(x,y) = x•y == (x,y)$.}
512 %\cvarg{CvSVM::POLY}{polynomial kernel: $d(x,y) = (gamma*(x•y)+coef0)^{degree}$.}
513 %\cvarg{CvSVM::RBF}{radial-basis-function kernel; a good choice in most cases: $d(x,y) = exp(-gamma*|x-y|^2)$}
514 %\cvarg{CvSVM::SIGMOID}{sigmoid function is used as a kernel: $d(x,y) = tanh(gamma*(x•y)+coef0)'$}
515 %\end{description}}
516 %\cvarg{degree, gamma, coef0}{Parameters of the kernel, see the formulas above.}
517 %\cvarg{C, nu, p}{Parameters in the generalized SVM optimization problem.}
518 %\cvarg{class\_weights}{Optional weights, assigned to particular classes. They are multiplied by \texttt{C} and thus affect the misclassification penalty for different classes. The larger weight, the larger penalty on misclassification of data from the corresponding class.}
519 %\cvarg{term\_crit}{Termination procedure for the iterative SVM training procedure (which solves a partial case of constrained quadratic optimization problem)}
520 %\end{description}
521
522 The structure must be initialized and passed to the training method of \cross{CvSVM}.
523
524
525 \cvfunc{CvSVM::train}
526 Trains SVM.
527
528 \cvdefCpp{
529 bool CvSVM::train( \par const CvMat* \_train\_data, \par const CvMat* \_responses,
530                    \par const CvMat* \_var\_idx=0, \par const CvMat* \_sample\_idx=0,
531                    \par CvSVMParams \_params=CvSVMParams() );
532
533 }
534
535 The method trains the SVM model. It follows the conventions of the generic \texttt{train} "method" with the following limitations: only the CV\_ROW\_SAMPLE data layout is supported, the input variables are all ordered, the output variables can be either categorical (\texttt{\_params.svm\_type=CvSVM::C\_SVC} or \texttt{\_params.svm\_type=CvSVM::NU\_SVC}), or ordered (\texttt{\_params.svm\_type=CvSVM::EPS\_SVR} or \texttt{\_params.svm\_type=CvSVM::NU\_SVR}), or not required at all (\texttt{\_params.svm\_type=CvSVM::ONE\_CLASS}), missing measurements are not supported.
536
537 All the other parameters are gathered in \cross{CvSVMParams} structure.
538
539
540 \cvfunc{CvSVM::train\_auto} % XXX not in manual
541 Trains SVM with optimal parameters.
542
543 \cvdefCpp{
544 train\_auto( \par const CvMat* \_train\_data, \par const CvMat* \_responses,
545         \par const CvMat* \_var\_idx, \par const CvMat* \_sample\_idx,
546         \par CvSVMParams params, \par int k\_fold = 10,
547         \par CvParamGrid C\_grid      = get\_default\_grid(CvSVM::C),
548         \par CvParamGrid gamma\_grid  = get\_default\_grid(CvSVM::GAMMA),
549         \par CvParamGrid p\_grid      = get\_default\_grid(CvSVM::P),
550         \par CvParamGrid nu\_grid     = get\_default\_grid(CvSVM::NU),
551         \par CvParamGrid coef\_grid   = get\_default\_grid(CvSVM::COEF),
552         \par CvParamGrid degree\_grid = get\_default\_grid(CvSVM::DEGREE) );
553 }
554
555 \begin{description}
556 \cvarg{k\_fold}{Cross-validation parameter. The training set is divided into \texttt{k\_fold} subsets, one subset being used to train the model, the others forming the test set. So, the SVM algorithm is executed \texttt{k\_fold} times.}
557 \end{description}
558
559 The method trains the SVM model automatically by choosing the optimal
560 parameters \texttt{C}, \texttt{gamma}, \texttt{p}, \texttt{nu},
561 \texttt{coef0}, \texttt{degree} from \cross{CvSVMParams}. By optimal
562 one means that the cross-validation estimate of the test set error
563 is minimal. The parameters are iterated by a logarithmic grid, for
564 example, the parameter \texttt{gamma} takes the values in the set
565 ( $min$, $min*step$, $min*{step}^2$, ... $min*{step}^n$ )
566 where $min$ is \texttt{gamma\_grid.min\_val}, $step$ is
567 \texttt{gamma\_grid.step}, and $n$ is the maximal index such, that
568
569 \[ \texttt{gamma\_grid.min\_val}*\texttt{gamma\_grid.step}^n < \texttt{gamma\_grid.max\_val} \]
570 So \texttt{step} must always be greater than 1.
571
572 If there is no need in optimization in some parameter, the according grid step should be set to any value less or equal to 1. For example, to avoid optimization in \texttt{gamma} one should set \texttt{gamma\_grid.step = 0}, \texttt{gamma\_grid.min\_val}, \texttt{gamma\_grid.max\_val} being arbitrary numbers. In this case, the value \texttt{params.gamma} will be taken for \texttt{gamma}.
573
574 And, finally, if the optimization in some parameter is required, but
575 there is no idea of the corresponding grid, one may call the function
576 \texttt{CvSVM::get\_default\_grid}. In
577 order to generate a grid, say, for \texttt{gamma}, call
578 \texttt{CvSVM::get\_default\_grid(CvSVM::GAMMA)}.
579
580 This function works for the case of classification 
581 (\texttt{params.svm\_type=CvSVM::C\_SVC} or \texttt{params.svm\_type=CvSVM::NU\_SVC}) 
582 as well as for the regression 
583 (\texttt{params.svm\_type=CvSVM::EPS\_SVR} or \texttt{params.svm\_type=CvSVM::NU\_SVR}). If 
584 \texttt{params.svm\_type=CvSVM::ONE\_CLASS}, no optimization is made and the usual SVM with specified in \texttt{params} parameters is executed.
585
586 \cvfunc{CvSVM::get\_default\_grid} % XXX not in manual
587 Generates a grid for the SVM parameters.
588
589 \cvdefCpp{
590 CvParamGrid CvSVM::get\_default\_grid( int param\_id );
591 }
592
593 \begin{description}
594 \cvarg{param\_id}{Must be one of the following:
595 \begin{description}
596 \cvarg{CvSVM::C}{}
597 \cvarg{CvSVM::GAMMA}{}
598 \cvarg{CvSVM::P}{}
599 \cvarg{CvSVM::NU}{}
600 \cvarg{CvSVM::COEF}{}
601 \cvarg{CvSVM::DEGREE}{}. 
602 \end{description}
603 The grid will be generated for the parameter with this ID.}
604 \end{description}
605
606 The function generates a grid for the specified parameter of the SVM algorithm. The grid may be passed to the function \texttt{CvSVM::train\_auto}.
607
608
609 \cvfunc{CvSVM::get\_params} % XXX not in manual
610 Returns the current SVM parameters.
611
612 \cvdefCpp{
613 CvSVMParams CvSVM::get\_params() const;
614 }
615
616 This function may be used to get the optimal parameters that were obtained while automatically training \texttt{CvSVM::train\_auto}.
617
618
619 \cvfunc{CvSVM::get\_support\_vector*}
620 Retrieves the number of support vectors and the particular vector.
621
622 \cvdefCpp{
623 int CvSVM::get\_support\_vector\_count() const;
624 \newline
625 const float* CvSVM::get\_support\_vector(int i) const;
626
627 }
628
629 The methods can be used to retrieve the set of support vectors.
630
631 \section{Decision Trees}
632
633
634 The ML classes discussed in this section implement Classification And Regression Tree algorithms, which are described in \href{#paper_Breiman84}{[Breiman84]}.
635
636 The class \cross{CvDTree} represents a single decision tree that may be used alone, or as a base class in tree ensembles (see \cross{Boosting} and \cross{Random Trees}).
637
638 A decision tree is a binary tree (i.e. tree where each non-leaf node has exactly 2 child nodes). It can be used either for classification, when each tree leaf is marked with some class label (multiple leafs may have the same label), or for regression, when each tree leaf is also assigned a constant (so the approximation function is piecewise constant).
639
640 \subsection{Predicting with Decision Trees}
641
642 To reach a leaf node, and to obtain a response for the input feature
643 vector, the prediction procedure starts with the root node. From each
644 non-leaf node the procedure goes to the left (i.e. selects the left
645 child node as the next observed node), or to the right based on the
646 value of a certain variable, whose index is stored in the observed
647 node. The variable can be either ordered or categorical. In the first
648 case, the variable value is compared with the certain threshold (which
649 is also stored in the node); if the value is less than the threshold,
650 the procedure goes to the left, otherwise, to the right (for example,
651 if the weight is less than 1 kilogram, the procedure goes to the left,
652 else to the right). And in the second case the discrete variable value is
653 tested to see if it belongs to a certain subset of values (also stored
654 in the node) from a limited set of values the variable could take; if
655 yes, the procedure goes to the left, else - to the right (for example,
656 if the color is green or red, go to the left, else to the right). That
657 is, in each node, a pair of entities (variable\_index, decision\_rule
658 (threshold/subset)) is used. This pair is called a split (split on
659 the variable variable\_index). Once a leaf node is reached, the value
660 assigned to this node is used as the output of prediction procedure.
661
662 Sometimes, certain features of the input vector are missed (for example, in the darkness it is difficult to determine the object color), and the prediction procedure may get stuck in the certain node (in the mentioned example if the node is split by color). To avoid such situations, decision trees use so-called surrogate splits. That is, in addition to the best "primary" split, every tree node may also be split on one or more other variables with nearly the same results.
663
664 \subsection{Training Decision Trees}
665
666 The tree is built recursively, starting from the root node. All of the training data (feature vectors and the responses) is used to split the root node. In each node the optimum decision rule (i.e. the best "primary" split) is found based on some criteria (in ML \texttt{gini} "purity" criteria is used for classification, and sum of squared errors is used for regression). Then, if necessary, the surrogate splits are found that resemble the results of the primary split on the training data; all of the data is divided using the primary and the surrogate splits (just like it is done in the prediction procedure) between the left and the right child node. Then the procedure recursively splits both left and right nodes. At each node the recursive procedure may stop (i.e. stop splitting the node further) in one of the following cases:
667 \begin{itemize}
668 \item{depth of the tree branch being constructed has reached the specified maximum value.}
669 \item{number of training samples in the node is less than the specified threshold, when it is not statistically representative to split the node further.}
670 \item{all the samples in the node belong to the same class (or, in the case of regression, the variation is too small).}
671 \item{the best split found does not give any noticeable improvement compared to a random choice.}
672 \end{itemize}
673 When the tree is built, it may be pruned using a cross-validation procedure, if necessary. That is, some branches of the tree that may lead to the model overfitting are cut off. Normally this procedure is only applied to standalone decision trees, while tree ensembles usually build small enough trees and use their own protection schemes against overfitting.
674
675 \subsection{Variable importance}
676
677 Besides the obvious use of decision trees - prediction, the tree can be also used for various data analysis. One of the key properties of the constructed decision tree algorithms is that it is possible to compute importance (relative decisive power) of each variable. For example, in a spam filter that uses a set of words occurred in the message as a feature vector, the variable importance rating can be used to determine the most "spam-indicating" words and thus help to keep the dictionary size reasonable.
678
679 Importance of each variable is computed over all the splits on this variable in the tree, primary and surrogate ones. Thus, to compute variable importance correctly, the surrogate splits must be enabled in the training parameters, even if there is no missing data.
680
681 \textbf{[Breiman84] Breiman, L., Friedman, J. Olshen, R. and Stone, C. (1984), "Classification and Regression Trees", Wadsworth.}
682
683
684 \cvclass{CvDTreeSplit}
685 Decision tree node split.
686
687 \begin{lstlisting}
688 struct CvDTreeSplit
689 {
690     int var_idx;
691     int inversed;
692     float quality;
693     CvDTreeSplit* next;
694     union
695     {
696         int subset[2];
697         struct
698         {
699             float c;
700             int split_point;
701         }
702         ord;
703     };
704 };
705 \end{lstlisting}
706
707 %\begin{description}
708 %\cvarg{var\_idx}{Index of the variable used in the split.}
709 %\cvarg{inversed}{When it equals 1, the inverse split rule is used (i.e. left and right branches are exchanged in the expressions below).}
710 %\cvarg{quality}{The split quality, a positive number. It is used to choose the best primary split, then to choose and sort the surrogate splits. After the tree is constructed, it is also used to compute variable importance.}
711 %\cvarg{next}{Pointer to the next split in the node split list.}
712 %\cvarg{subset}{Bit array indicating the value subset in the case of split on a categorical variable.
713 %
714 %The rule is:\texttt{if var\_value in subset then next\_node<-left else next\_node<-right}.}
715 %\cvarg{c}{The threshold value in the case of a split on an ordered variable.
716 %
717 %The rule is:\texttt{if var\_value in subset then next\_node<-left else next\_node<-right}.}
718 %\cvarg{split\_point}{Used internally by the training algorithm.}
719 %\end{description}
720
721
722 \cvclass{CvDTreeNode}
723 Decision tree node.
724
725 \begin{lstlisting}
726 struct CvDTreeNode
727 {
728     int class_idx;
729     int Tn;
730     double value;
731
732     CvDTreeNode* parent;
733     CvDTreeNode* left;
734     CvDTreeNode* right;
735
736     CvDTreeSplit* split;
737
738     int sample_count;
739     int depth;
740     ...
741 };
742 \end{lstlisting}
743
744 %\begin{description}
745 %\cvarg{value}{The value assigned to the tree node. It is either a class label, or the estimated function value.}
746 %\cvarg{class\_idx}{The assigned to the node normalized class index (to 0 to class\_count-1 range), it is used internally in classification trees and tree ensembles.}
747 %\cvarg{Tn}{The tree index in an ordered sequence of trees. The indices are used during and after the pruning procedure. The root node has the maximum value \texttt{Tn} of the whole tree, child nodes have \texttt{Tn} less than or equal to the parent's \texttt{Tn}, and the nodes with 
748 %$ \texttt{Tn} \le \texttt{CvDTree::pruned\_tree\_idx} $ are not taken into consideration at the prediction stage (the corresponding branches are considered as cut-off), even if they have not been physically deleted from the tree at the pruning stage.}
749 %\cvarg{parent, left, right}{Pointers to the parent node, left and right child nodes.}\cvarg{split}{Pointer to the first (primary) split.}
750 %\cvarg{sample\_count}{The number of samples that fall into the node at the training stage. It is used to resolve the difficult cases - when the variable for the primary split is missing, and all the variables for the other surrogate splits are missing too,the sample is directed to the left if \texttt{left->sample\_count$>$right->sample\_count} and to the right otherwise.}
751 %\cvarg{depth}{The node depth, the root node depth is 0, the child nodes depth is the parent's depth + 1.}
752 %\end{description}
753
754 Other numerous fields of \texttt{CvDTreeNode} are used internally at the training stage.
755
756
757 \cvclass{CvDTreeParams}
758 Decision tree training parameters.
759
760 \begin{lstlisting}
761 struct CvDTreeParams
762 {
763     int max_categories;
764     int max_depth;
765     int min_sample_count;
766     int cv_folds;
767     bool use_surrogates;
768     bool use_1se_rule;
769     bool truncate_pruned_tree;
770     float regression_accuracy;
771     const float* priors;
772
773     CvDTreeParams() : max_categories(10), max_depth(INT_MAX), min_sample_count(10),
774         cv_folds(10), use_surrogates(true), use_1se_rule(true),
775         truncate_pruned_tree(true), regression_accuracy(0.01f), priors(0)
776     {}
777
778     CvDTreeParams( int _max_depth, int _min_sample_count,
779                    float _regression_accuracy, bool _use_surrogates,
780                    int _max_categories, int _cv_folds,
781                    bool _use_1se_rule, bool _truncate_pruned_tree,
782                    const float* _priors );
783 };
784 \end{lstlisting}
785
786 %\begin{description}
787 %\cvarg{max\_depth}{This parameter specifies the maximum possible depth of the tree. That is the training algorithms attempts to split a node while its depth is less than \texttt{max\_depth}. The actual depth may be smaller if the other termination criteria are met (see the outline of the training procedure in the beginning of the section), and/or if the tree is pruned.}
788 %\cvarg{min\_sample\_count}{A node is not split if the number of samples directed to the node is less than the parameter value.}
789 %\cvarg{regression\_accuracy}{Another stop criteria - only for regression trees. As soon as the estimated node value differs from the node training samples responses by less than the parameter value, the node is not split further.}
790 %\cvarg{use\_surrogates}{If \texttt{true}, surrogate splits are built. Surrogate splits are needed to handle missing measurements and for variable importance estimation.}
791 %\cvarg{max\_categories}{If a discrete variable, on which the training procedure tries to make a split, takes more than \texttt{max\_categories} values, the precise best subset estimation may take a very long time (as the algorithm is exponential). Instead, many decision trees engines (including ML) try to find sub-optimal split in this case by clustering all the samples into \texttt{max\_categories} clusters (i.e. some categories are merged together).
792 %
793 %Note that this technique is used only in \texttt{N($>$2)}-class classification problems. in the case of regression and 2-class classification the optimal split can be found efficiently without employing clustering, thus the parameter is not used in these cases.}
794 %\cvarg{cv\_folds}{If this parameter is $>$1, the tree is pruned using \texttt{cv\_folds}-fold cross validation.}
795 %\cvarg{use\_1se\_rule}{If \texttt{true}, the tree is truncated a bit more by the pruning procedure. That leads to compact, and more resistant to the training data noise, but a bit less accurate decision tree.}
796 %\cvarg{truncate\_pruned\_tree}{If \texttt{true}, the cut off nodes (with
797 % $ \texttt{Tn} \le \texttt{CvDTree::pruned\_tree\_idx} $ ) are physically
798 % removed from the tree. Otherwise they are kept, and by decreasing
799
800 % \texttt{CvDTree::pruned\_tree\_idx} (e.g. setting it to -1) it is still possible to get the results from the original un-pruned (or pruned less aggressively) tree.}
801 %\cvarg{priors}{The array of a priori class probabilities, sorted by the class label value. The parameter can be used to tune the decision tree preferences toward a certain class. For example, if users want to detect some rare anomaly occurrence, the training base will likely contain many more normal cases than anomalies, so a very good classification performance will be achieved just by considering every case as normal. To avoid this, the priors can be specified, where the anomaly probability is artificially increased (up to 0.5 or even greater), so the weight of the misclassified anomalies becomes much bigger, and the tree is adjusted properly.
802
803 %
804 %A note about memory management: the field \texttt{priors} is a pointer to the array of floats. The array should be allocated by the user, and released just after the \texttt{CvDTreeParams} structure is passed to \cross{CvDTreeTrainData} or \cross{CvDTree} constructors/methods (as the methods make a copy of the array).}
805 %\end{description}
806
807 The structure contains all the decision tree training parameters. There is a default constructor that initializes all the parameters with the default values tuned for standalone classification tree. Any of the parameters can be overridden then, or the structure may be fully initialized using the advanced variant of the constructor.
808
809
810 \cvclass{CvDTreeTrainData}
811 Decision tree training data and shared data for tree ensembles.
812
813 \begin{lstlisting}
814 struct CvDTreeTrainData
815 {
816     CvDTreeTrainData();
817     CvDTreeTrainData( const CvMat* _train_data, int _tflag,
818                       const CvMat* _responses, const CvMat* _var_idx=0,
819                       const CvMat* _sample_idx=0, const CvMat* _var_type=0,
820                       const CvMat* _missing_mask=0,
821                       const CvDTreeParams& _params=CvDTreeParams(),
822                       bool _shared=false, bool _add_labels=false );
823     virtual ~CvDTreeTrainData();
824
825     virtual void set_data( const CvMat* _train_data, int _tflag,
826                           const CvMat* _responses, const CvMat* _var_idx=0,
827                           const CvMat* _sample_idx=0, const CvMat* _var_type=0,
828                           const CvMat* _missing_mask=0,
829                           const CvDTreeParams& _params=CvDTreeParams(),
830                           bool _shared=false, bool _add_labels=false,
831                           bool _update_data=false );
832
833     virtual void get_vectors( const CvMat* _subsample_idx,
834          float* values, uchar* missing, float* responses, 
835          bool get_class_idx=false );
836
837     virtual CvDTreeNode* subsample_data( const CvMat* _subsample_idx );
838
839     virtual void write_params( CvFileStorage* fs );
840     virtual void read_params( CvFileStorage* fs, CvFileNode* node );
841
842     // release all the data
843     virtual void clear();
844
845     int get_num_classes() const;
846     int get_var_type(int vi) const;
847     int get_work_var_count() const;
848
849     virtual int* get_class_labels( CvDTreeNode* n );
850     virtual float* get_ord_responses( CvDTreeNode* n );
851     virtual int* get_labels( CvDTreeNode* n );
852     virtual int* get_cat_var_data( CvDTreeNode* n, int vi );
853     virtual CvPair32s32f* get_ord_var_data( CvDTreeNode* n, int vi );
854     virtual int get_child_buf_idx( CvDTreeNode* n );
855
856     ////////////////////////////////////
857
858     virtual bool set_params( const CvDTreeParams& params );
859     virtual CvDTreeNode* new_node( CvDTreeNode* parent, int count,
860                                    int storage_idx, int offset );
861
862     virtual CvDTreeSplit* new_split_ord( int vi, float cmp_val,
863                 int split_point, int inversed, float quality );
864     virtual CvDTreeSplit* new_split_cat( int vi, float quality );
865     virtual void free_node_data( CvDTreeNode* node );
866     virtual void free_train_data();
867     virtual void free_node( CvDTreeNode* node );
868
869     int sample_count, var_all, var_count, max_c_count;
870     int ord_var_count, cat_var_count;
871     bool have_labels, have_priors;
872     bool is_classifier;
873
874     int buf_count, buf_size;
875     bool shared;
876
877     CvMat* cat_count;
878     CvMat* cat_ofs;
879     CvMat* cat_map;
880
881     CvMat* counts;
882     CvMat* buf;
883     CvMat* direction;
884     CvMat* split_buf;
885
886     CvMat* var_idx;
887     CvMat* var_type; // i-th element =
888                      //   k<0  - ordered
889                      //   k>=0 - categorical, see k-th element of cat_* arrays
890     CvMat* priors;
891
892     CvDTreeParams params;
893
894     CvMemStorage* tree_storage;
895     CvMemStorage* temp_storage;
896
897     CvDTreeNode* data_root;
898
899     CvSet* node_heap;
900     CvSet* split_heap;
901     CvSet* cv_heap;
902     CvSet* nv_heap;
903
904     CvRNG rng;
905 };
906 \end{lstlisting}
907
908
909 This structure is mostly used internally for storing both standalone trees and tree ensembles efficiently. Basically, it contains 3 types of information:
910 \begin{enumerate}
911 \item{The training parameters, an instance of \cross{CvDTreeParams}.}
912 \item{The training data, preprocessed in order to find the best splits more efficiently. For tree ensembles this preprocessed data is reused by all the trees. Additionally, the training data characteristics that are shared by all trees in the ensemble are stored here: variable types, the number of classes, class label compression map etc.}
913 \item{Buffers, memory storages for tree nodes, splits and other elements of the trees constructed.}
914 \end{enumerate}
915 There are 2 ways of using this structure. In simple cases (e.g. a standalone tree, or the ready-to-use "black box" tree ensemble from ML, like \cross{Random Trees} or \cross{Boosting}) there is no need to care or even to know about the structure - just construct the needed statistical model, train it and use it. The \texttt{CvDTreeTrainData} structure will be constructed and used internally. However, for custom tree algorithms, or another sophisticated cases, the structure may be constructed and used explicitly. The scheme is the following:
916 \begin{itemize}
917 \item The structure is initialized using the default constructor, followed by \texttt{set\_data} (or it is built using the full form of constructor). The parameter \texttt{\_shared} must be set to \texttt{true}.
918 \item One or more trees are trained using this data, see the special form of the method \texttt{CvDTree::train}.
919 \item Finally, the structure can be released only after all the trees using it are released.
920 \end{itemize}
921
922
923 \cvclass{CvDTree}
924 Decision tree.
925
926 \begin{lstlisting}
927 class CvDTree : public CvStatModel
928 {
929 public:
930     CvDTree();
931     virtual ~CvDTree();
932
933     virtual bool train( const CvMat* _train_data, int _tflag,
934                         const CvMat* _responses, const CvMat* _var_idx=0,
935                         const CvMat* _sample_idx=0, const CvMat* _var_type=0,
936                         const CvMat* _missing_mask=0,
937                         CvDTreeParams params=CvDTreeParams() );
938
939     virtual bool train( CvDTreeTrainData* _train_data, 
940                         const CvMat* _subsample_idx );
941
942     virtual CvDTreeNode* predict( const CvMat* _sample, 
943                                   const CvMat* _missing_data_mask=0,
944                                   bool raw_mode=false ) const;
945     virtual const CvMat* get_var_importance();
946     virtual void clear();
947
948     virtual void read( CvFileStorage* fs, CvFileNode* node );
949     virtual void write( CvFileStorage* fs, const char* name );
950
951     // special read & write methods for trees in the tree ensembles
952     virtual void read( CvFileStorage* fs, CvFileNode* node,
953                        CvDTreeTrainData* data );
954     virtual void write( CvFileStorage* fs );
955
956     const CvDTreeNode* get_root() const;
957     int get_pruned_tree_idx() const;
958     CvDTreeTrainData* get_data();
959
960 protected:
961
962     virtual bool do_train( const CvMat* _subsample_idx );
963
964     virtual void try_split_node( CvDTreeNode* n );
965     virtual void split_node_data( CvDTreeNode* n );
966     virtual CvDTreeSplit* find_best_split( CvDTreeNode* n );
967     virtual CvDTreeSplit* find_split_ord_class( CvDTreeNode* n, int vi );
968     virtual CvDTreeSplit* find_split_cat_class( CvDTreeNode* n, int vi );
969     virtual CvDTreeSplit* find_split_ord_reg( CvDTreeNode* n, int vi );
970     virtual CvDTreeSplit* find_split_cat_reg( CvDTreeNode* n, int vi );
971     virtual CvDTreeSplit* find_surrogate_split_ord( CvDTreeNode* n, int vi );
972     virtual CvDTreeSplit* find_surrogate_split_cat( CvDTreeNode* n, int vi );
973     virtual double calc_node_dir( CvDTreeNode* node );
974     virtual void complete_node_dir( CvDTreeNode* node );
975     virtual void cluster_categories( const int* vectors, int vector_count,
976         int var_count, int* sums, int k, int* cluster_labels );
977
978     virtual void calc_node_value( CvDTreeNode* node );
979
980     virtual void prune_cv();
981     virtual double update_tree_rnc( int T, int fold );
982     virtual int cut_tree( int T, int fold, double min_alpha );
983     virtual void free_prune_data(bool cut_tree);
984     virtual void free_tree();
985
986     virtual void write_node( CvFileStorage* fs, CvDTreeNode* node );
987     virtual void write_split( CvFileStorage* fs, CvDTreeSplit* split );
988     virtual CvDTreeNode* read_node( CvFileStorage* fs, 
989                                     CvFileNode* node, 
990                                     CvDTreeNode* parent );
991     virtual CvDTreeSplit* read_split( CvFileStorage* fs, CvFileNode* node );
992     virtual void write_tree_nodes( CvFileStorage* fs );
993     virtual void read_tree_nodes( CvFileStorage* fs, CvFileNode* node );
994
995     CvDTreeNode* root;
996
997     int pruned_tree_idx;
998     CvMat* var_importance;
999
1000     CvDTreeTrainData* data;
1001 };
1002 \end{lstlisting}
1003
1004
1005 \cvfunc{CvDTree::train}
1006
1007 Trains a decision tree.
1008
1009 \cvdefCpp{
1010 bool CvDTree::train( \par const CvMat* \_train\_data, \par int \_tflag,
1011                      \par const CvMat* \_responses, \par const CvMat* \_var\_idx=0,
1012                      \par const CvMat* \_sample\_idx=0, \par const CvMat* \_var\_type=0,
1013                      \par const CvMat* \_missing\_mask=0,
1014                      \par CvDTreeParams params=CvDTreeParams() );
1015 \newline
1016 \newline
1017 bool CvDTree::train( CvDTreeTrainData* \_train\_data, const CvMat* \_subsample\_idx );
1018 }
1019
1020 There are 2 \texttt{train} methods in \texttt{CvDTree}.
1021
1022 The first method follows the generic \texttt{CvStatModel::train} conventions,  it is the most complete form. Both data layouts (\texttt{\_tflag=CV\_ROW\_SAMPLE} and \texttt{\_tflag=CV\_COL\_SAMPLE}) are supported, as well as sample and variable subsets, missing measurements, arbitrary combinations of input and output variable types etc. The last parameter contains all of the necessary training parameters, see the \cross{CvDTreeParams} description.
1023
1024 The second method \texttt{train} is mostly used for building tree ensembles. It takes the pre-constructed \cross{CvDTreeTrainData} instance and the optional subset of training set. The indices in \texttt{\_subsample\_idx} are counted relatively to the \texttt{\_sample\_idx}, passed to \texttt{CvDTreeTrainData} constructor. For example, if \texttt{\_sample\_idx=[1, 5, 7, 100]}, then \texttt{\_subsample\_idx=[0,3]} means that the samples \texttt{[1, 100]} of the original training set are used.
1025
1026
1027 \cvfunc{CvDTree::predict}
1028 Returns the leaf node of the decision tree corresponding to the input vector.
1029
1030 \cvdefCpp{
1031 CvDTreeNode* CvDTree::predict( \par const CvMat* \_sample, \par const CvMat* \_missing\_data\_mask=0,
1032                                \par bool raw\_mode=false ) const;
1033
1034 }
1035
1036 The method takes the feature vector and the optional missing measurement mask on input, traverses the decision tree and returns the reached leaf node on output. The prediction result, either the class label or the estimated function value, may be retrieved as the \texttt{value} field of the \cross{CvDTreeNode} structure, for example: dtree-$>$predict(sample,mask)-$>$value.
1037
1038 The last parameter is normally set to \texttt{false}, implying a regular
1039 input. If it is \texttt{true}, the method assumes that all the values of
1040 the discrete input variables have been already normalized to $0$
1041 to $num\_of\_categories_i-1$ ranges. (as the decision tree uses such
1042 normalized representation internally). It is useful for faster prediction
1043 with tree ensembles. For ordered input variables the flag is not used.
1044
1045 Example: Building A Tree for Classifying Mushrooms.  See the
1046 \texttt{mushroom.cpp} sample that demonstrates how to build and use the
1047 decision tree.
1048
1049 \section{Boosting} % XXX make sure the math is right
1050
1051 A common machine learning task is supervised learning. In supervised learning, the goal is to learn the functional relationship $F: y = F(x)$ between the input $x$ and the output $y$. Predicting the qualitative output is called classification, while predicting the quantitative output is called regression.
1052
1053 Boosting is a powerful learning concept, which provide a solution to the supervised classification learning task. It combines the performance of many "weak" classifiers to produce a powerful 'committee' \cross{HTF01}. A weak classifier is only required to be better than chance, and thus can be very simple and computationally inexpensive. Many of them smartly combined, however, results in a strong classifier, which often outperforms most 'monolithic' strong classifiers such as SVMs and Neural Networks.
1054
1055 Decision trees are the most popular weak classifiers used in boosting schemes. Often the simplest decision trees with only a single split node per tree (called stumps) are sufficient.
1056
1057 The boosted model is based on $N$ training examples ${(x_i,y_i)}1N$ with $x_i \in{R^K}$ and $y_i \in{-1, +1}$. $x_i$ is a $K$-component vector. Each component encodes a feature relevant for the learning task at hand. The desired two-class output is encoded as -1 and +1.
1058
1059 Different variants of boosting are known such as Discrete Adaboost, Real AdaBoost, LogitBoost, and Gentle AdaBoost \cross{FHT98}. All of them are very similar in their overall structure. Therefore, we will look only at the standard two-class Discrete AdaBoost algorithm as shown in the box below. Each sample is initially assigned the same weight (step 2). Next a weak classifier $f_{m(x)}$ is trained on the weighted training data (step 3a). Its weighted training error and scaling factor $c_m$ is computed (step 3b). The weights are increased for training samples, which have been misclassified (step 3c). All weights are then normalized, and the process of finding the next weak classifier continues for another $M$-1 times. The final classifier $F(x)$ is the sign of the weighted sum over the individual weak classifiers (step 4).
1060
1061 \begin{itemize}
1062 \item Given $N$ examples ${(x_i,y_i)}1N$ with $x_i \in{R^K}, y_i \in{-1, +1}$.
1063 \item Start with weights $w_i = 1/N, i = 1,...,N$.
1064 \item Repeat for $m$ = $1,2,...,M$:
1065 \begin{itemize}
1066 \item Fit the classifier $f_m(x) \in{-1,1}$, using weights $w_i$ on the training data.
1067 \item Compute $err_m = E_w [1_{(y =\neq f_m(x))}], c_m = log((1 - err_m)/err_m)$.
1068 \item Set $w_i \Leftarrow w_i exp[c_m 1_{(y_i \neq f_m(x_i))}], i = 1,2,...,N,$ and renormalize so that $\Sigma i w_i = 1$.
1069 \item Output the classifier sign$[\Sigma m = 1M c_m f_m(x)]$.
1070 \end{itemize}
1071 \end{itemize}
1072
1073 Two-class Discrete AdaBoost Algorithm: Training (steps 1 to 3) and Evaluation (step 4)
1074 \newline
1075 \newline
1076 \textbf{NOTE:} As well as the classical boosting methods, the current implementation supports 2-class classifiers only. For M$>$2 classes there is the \textbf{AdaBoost.MH} algorithm, described in \cross{FHT98}, that reduces the problem to the 2-class problem, yet with a much larger training set.
1077
1078 In order to reduce computation time for boosted models without substantially losing accuracy, the influence trimming technique may be employed. As the training algorithm proceeds and the number of trees in the ensemble is increased, a larger number of the training samples are classified correctly and with increasing confidence, thereby those samples receive smaller weights on the subsequent iterations. Examples with very low relative weight have small impact on training of the weak classifier. Thus such examples may be excluded during the weak classifier training without having much effect on the induced classifier. This process is controlled with the weight\_trim\_rate parameter. Only examples with the summary fraction weight\_trim\_rate of the total weight mass are used in the weak classifier training. Note that the weights for \textbf{all} training examples are recomputed at each training iteration. Examples deleted at a particular iteration may be used again for learning some of the weak classifiers further \cross{FHT98}.
1079
1080 \textbf{[HTF01] Hastie, T., Tibshirani, R., Friedman, J. H. The Elements of Statistical Learning: Data Mining, Inference, and Prediction. Springer Series in Statistics. 2001.}
1081
1082 \textbf{[FHT98] Friedman, J. H., Hastie, T. and Tibshirani, R. Additive Logistic Regression: a Statistical View of Boosting. Technical Report, Dept. of Statistics, Stanford University, 1998.}
1083
1084
1085 \cvclass{CvBoostParams}
1086 Boosting training parameters.
1087
1088 \begin{lstlisting}
1089 struct CvBoostParams : public CvDTreeParams
1090 {
1091     int boost_type;
1092     int weak_count;
1093     int split_criteria;
1094     double weight_trim_rate;
1095
1096     CvBoostParams();
1097     CvBoostParams( int boost_type, int weak_count, double weight_trim_rate,
1098                    int max_depth, bool use_surrogates, const float* priors );
1099 };
1100 \end{lstlisting}
1101
1102 %\begin{description}
1103 %\cvarg{boost\_type}{Boosting type, one of the following:
1104 %\begin{description}
1105 %\cvarg{CvBoost::DISCRETE}{Discrete AdaBoost}
1106 %\cvarg{CvBoost::REAL}{Real AdaBoost}
1107 %\cvarg{CvBoost::LOGIT}{LogitBoost}
1108 %\cvarg{CvBoost::GENTLE}{Gentle AdaBoost}
1109 %\end{description}
1110 %Gentle AdaBoost and Real AdaBoost are often the preferable choices.}
1111 %\cvarg{weak\_count}{The number of weak classifiers to build.}
1112 %\cvarg{split\_criteria}{Splitting criteria, used to choose optimal splits during a weak tree construction:
1113 %\begin{description}
1114 %\cvarg{CvBoost::DEFAULT}{Use the default criteria for the particular boosting method, see below.}
1115 %\cvarg{CvBoost::GINI}{Use the Gini index. This is the default option for Real AdaBoost; may be also used for Discrete AdaBoost.}
1116 %\cvarg{CvBoost::MISCLASS}{Use the misclassification rate. This is the default option for Discrete AdaBoost; may be also used for Real AdaBoost.}
1117 %\cvarg{CvBoost::SQERR}{Use the least squares criteria. This is the default and the only option for LogitBoost and Gentle AdaBoost.}
1118 %\end{description}
1119 %test.}
1120 %\cvarg{weight\_trim\_rate}{The weight trimming ratio, between 0 and 1. See the discussion of it above. If the parameter is $ \le 0 $ or $ >1 $, the trimming is not used and all of the samples are used at each iteration. The default value is 0.95.}
1121 %\end{description}
1122
1123 The structure is derived from \cross{CvDTreeParams}, but not all of the decision tree parameters are supported. In particular, cross-validation is not supported.
1124
1125
1126 \cvclass{CvBoostTree}
1127 Weak tree classifier.
1128
1129 \begin{lstlisting}
1130 class CvBoostTree: public CvDTree
1131 {
1132 public:
1133     CvBoostTree();
1134     virtual ~CvBoostTree();
1135
1136     virtual bool train( CvDTreeTrainData* _train_data,
1137                         const CvMat* subsample_idx, CvBoost* ensemble );
1138     virtual void scale( double s );
1139     virtual void read( CvFileStorage* fs, CvFileNode* node,
1140                        CvBoost* ensemble, CvDTreeTrainData* _data );
1141     virtual void clear();
1142
1143 protected:
1144     ...
1145     CvBoost* ensemble;
1146 };
1147 \end{lstlisting}
1148
1149
1150 The weak classifier, a component of the boosted tree classifier \cross{CvBoost}, is a derivative of \cross{CvDTree}. Normally, there is no need to use the weak classifiers directly, however they can be accessed as elements of the sequence \texttt{CvBoost::weak}, retrieved by \texttt{CvBoost::get\_weak\_predictors}.
1151
1152 Note, that in the case of LogitBoost and Gentle AdaBoost each weak predictor is a regression tree, rather than a classification tree. Even in the case of Discrete AdaBoost and Real AdaBoost the \texttt{CvBoostTree::predict} return value (\texttt{CvDTreeNode::value}) is not the output class label; a negative value "votes" for class \#0, a positive - for class \#1. And the votes are weighted. The weight of each individual tree may be increased or decreased using the method \texttt{CvBoostTree::scale}.
1153
1154
1155 \cvclass{CvBoost}
1156 Boosted tree classifier.
1157
1158 \begin{lstlisting}
1159 class CvBoost : public CvStatModel
1160 {
1161 public:
1162     // Boosting type
1163     enum { DISCRETE=0, REAL=1, LOGIT=2, GENTLE=3 };
1164
1165     // Splitting criteria
1166     enum { DEFAULT=0, GINI=1, MISCLASS=3, SQERR=4 };
1167
1168     CvBoost();
1169     virtual ~CvBoost();
1170
1171     CvBoost( const CvMat* _train_data, int _tflag,
1172              const CvMat* _responses, const CvMat* _var_idx=0,
1173              const CvMat* _sample_idx=0, const CvMat* _var_type=0,
1174              const CvMat* _missing_mask=0,
1175              CvBoostParams params=CvBoostParams() );
1176
1177     virtual bool train( const CvMat* _train_data, int _tflag,
1178              const CvMat* _responses, const CvMat* _var_idx=0,
1179              const CvMat* _sample_idx=0, const CvMat* _var_type=0,
1180              const CvMat* _missing_mask=0,
1181              CvBoostParams params=CvBoostParams(),
1182              bool update=false );
1183
1184     virtual float predict( const CvMat* _sample, const CvMat* _missing=0,
1185                            CvMat* weak_responses=0, CvSlice slice=CV_WHOLE_SEQ,
1186                            bool raw_mode=false ) const;
1187
1188     virtual void prune( CvSlice slice );
1189
1190     virtual void clear();
1191
1192     virtual void write( CvFileStorage* storage, const char* name );
1193     virtual void read( CvFileStorage* storage, CvFileNode* node );
1194
1195     CvSeq* get_weak_predictors();
1196     const CvBoostParams& get_params() const;
1197     ...
1198
1199 protected:
1200     virtual bool set_params( const CvBoostParams& _params );
1201     virtual void update_weights( CvBoostTree* tree );
1202     virtual void trim_weights();
1203     virtual void write_params( CvFileStorage* fs );
1204     virtual void read_params( CvFileStorage* fs, CvFileNode* node );
1205
1206     CvDTreeTrainData* data;
1207     CvBoostParams params;
1208     CvSeq* weak;
1209     ...
1210 };
1211 \end{lstlisting}
1212
1213 \cvfunc{CvBoost::train}
1214 Trains a boosted tree classifier.
1215
1216 \cvdefCpp{
1217 bool CvBoost::train( \par const CvMat* \_train\_data, \par int \_tflag,
1218              \par const CvMat* \_responses, \par const CvMat* \_var\_idx=0,
1219              \par const CvMat* \_sample\_idx=0, \par const CvMat* \_var\_type=0,
1220              \par const CvMat* \_missing\_mask=0,
1221              \par CvBoostParams params=CvBoostParams(),
1222              \par bool update=false );
1223 }
1224
1225 The train method follows the common template; the last parameter \texttt{update} specifies whether the classifier needs to be updated (i.e. the new weak tree classifiers added to the existing ensemble), or the classifier needs to be rebuilt from scratch. The responses must be categorical, i.e. boosted trees can not be built for regression, and there should be 2 classes.
1226
1227
1228 \cvfunc{CvBoost::predict}
1229 Predicts a response for the input sample.
1230
1231 \cvdefCpp{
1232 float CvBoost::predict( \par const CvMat* sample, \par const CvMat* missing=0,
1233                         \par CvMat* weak\_responses=0, \par CvSlice slice=CV\_WHOLE\_SEQ,
1234                         \par bool raw\_mode=false ) const;
1235 }
1236
1237 %\begin{description}
1238 %\cvarg{sample}{The input sample.}
1239 %\cvarg{missing}{The optional mask of missing measurements. To handle missing measurements, the weak classifiers must include surrogate splits (see \texttt{CvDTreeParams::use\_surrogates}).}
1240 %\cvarg{weak\_responses}{The optional output parameter, a floating-point vector of responses from each individual weak classifier. The number of elements in the vector must be equal to the \texttt{slice} length.}
1241 %\cvarg{slice}{The continuous subset of the sequence of weak classifiers to be used for prediction. By default, all the weak classifiers are used.}
1242 %\cvarg{raw\_mode}{It has the same meaning as in \texttt{CvDTree::predict}. Normally, it should be set to false.}
1243 %\end{description}
1244
1245 The method \texttt{CvBoost::predict} runs the sample through the trees in the ensemble and returns the output class label based on the weighted voting.
1246
1247
1248 \cvfunc{CvBoost::prune}
1249 Removes the specified weak classifiers.
1250
1251 \cvdefCpp{
1252 void CvBoost::prune( CvSlice slice );
1253 }
1254
1255 The method removes the specified weak classifiers from the sequence. Note that this method should not be confused with the pruning of individual decision trees, which is currently not supported.
1256
1257
1258 \cvfunc{CvBoost::get\_weak\_predictors}
1259 Returns the sequence of weak tree classifiers.
1260
1261 \cvdefCpp{
1262 CvSeq* CvBoost::get\_weak\_predictors();
1263 }
1264
1265 The method returns the sequence of weak classifiers. Each element of the sequence is a pointer to a \texttt{CvBoostTree} class (or, probably, to some of its derivatives).
1266
1267 \section{Random Trees}
1268
1269
1270 Random trees have been introduced by Leo Breiman and Adele Cutler: \url{http://www.stat.berkeley.edu/users/breiman/RandomForests/}. The algorithm can deal with both classification and regression problems. Random trees is a collection (ensemble) of tree predictors that is called \textbf{forest} further in this section (the term has been also introduced by L. Breiman). The classification works as follows: the random trees classifier takes the input feature vector, classifies it with every tree in the forest, and outputs the class label that recieved the majority of "votes". In the case of regression the classifier response is the average of the responses over all the trees in the forest.
1271
1272 All the trees are trained with the same parameters, but on the different training sets, which are generated from the original training set using the bootstrap procedure: for each training set we randomly select the same number of vectors as in the original set (\texttt{=N}). The vectors are chosen with replacement. That is, some vectors will occur more than once and some will be absent. At each node of each tree trained not all the variables are used to find the best split, rather than a random subset of them. With each node a new subset is generated, however its size is fixed for all the nodes and all the trees. It is a training parameter, set to $\sqrt{number\_of\_variables}$ by default. None of the trees that are built are pruned.
1273
1274 In random trees there is no need for any accuracy estimation procedures, such as cross-validation or bootstrap, or a separate test set to get an estimate of the training error. The error is estimated internally during the training. When the training set for the current tree is drawn by sampling with replacement, some vectors are left out (so-called \emph{oob (out-of-bag) data}). The size of oob data is about \texttt{N/3}. The classification error is estimated by using this oob-data as following:
1275 \begin{itemize}
1276 \item Get a prediction for each vector, which is oob relatively to the i-th tree, using the very i-th tree.
1277 \item After all the trees have been trained, for each vector that has ever been oob, find the class-"winner" for it (i.e. the class that has got the majority of votes in the trees, where the vector was oob) and compare it to the ground-truth response.
1278 \item Then the classification error estimate is computed as ratio of number of misclassified oob vectors to all the vectors in the original data. In the case of regression the oob-error is computed as the squared error for oob vectors difference divided by the total number of vectors.
1279 \end{itemize}
1280
1281 \textbf{References:}
1282 \begin{itemize}
1283 \item Machine Learning, Wald I, July 2002.
1284     \url{http://stat-www.berkeley.edu/users/breiman/wald2002-1.pdf}
1285 \item Looking Inside the Black Box, Wald II, July 2002.
1286     \url{http://stat-www.berkeley.edu/users/breiman/wald2002-2.pdf}
1287 \item Software for the Masses, Wald III, July 2002.
1288     \url{http://stat-www.berkeley.edu/users/breiman/wald2002-3.pdf}
1289 \item And other articles from the web site \url{http://www.stat.berkeley.edu/users/breiman/RandomForests/cc_home.htm}.
1290 \end{itemize}
1291
1292 \cvclass{CvRTParams}
1293 Training Parameters of Random Trees.
1294
1295 \begin{lstlisting}
1296 struct CvRTParams : public CvDTreeParams
1297 {
1298     bool calc_var_importance;
1299     int nactive_vars;
1300     CvTermCriteria term_crit;
1301
1302     CvRTParams() : CvDTreeParams( 5, 10, 0, false, 10, 0, false, false, 0 ),
1303         calc_var_importance(false), nactive_vars(0)
1304     {
1305         term_crit = cvTermCriteria( CV_TERMCRIT_ITER+CV_TERMCRIT_EPS, 50, 0.1 );
1306     }
1307
1308     CvRTParams( int _max_depth, int _min_sample_count,
1309                 float _regression_accuracy, bool _use_surrogates,
1310                 int _max_categories, const float* _priors,
1311                 bool _calc_var_importance,
1312                 int _nactive_vars, int max_tree_count,
1313                 float forest_accuracy, int termcrit_type );
1314 };
1315 \end{lstlisting}
1316
1317 %\begin{description}
1318 %\cvarg{calc\_var\_importance}{If it is set, then variable importance is computed by the training procedure. To retrieve the computed variable importance array, call the method \newline \texttt{CvRTrees::get\_var\_importance().}}
1319 %\cvarg{nactive\_vars}{The number of variables that are randomly selected at each tree node and that are used to find the best split(s).}
1320 %\cvarg{term\_crit}{Termination criteria for growing the forest: \texttt{term\_crit.max\_iter} is the maximum number of trees in the forest (see also \texttt{max\_tree\_count} parameter of the constructor, by default it is set to 50).
1321 %
1322 %\texttt{term\_crit.epsilon} is the sufficient accuracy (\cross{OOB error}).}
1323 %\end{description}
1324
1325 The set of training parameters for the forest is the superset of the training parameters for a single tree. However, Random trees do not need all the functionality/features of decision trees, most noticeably, the trees are not pruned, so the cross-validation parameters are not used.
1326
1327
1328 \cvclass{CvRTrees}
1329 Random Trees.
1330
1331 \begin{lstlisting}
1332 class CvRTrees : public CvStatModel
1333 {
1334 public:
1335     CvRTrees();
1336     virtual ~CvRTrees();
1337     virtual bool train( const CvMat* _train_data, int _tflag,
1338                         const CvMat* _responses, const CvMat* _var_idx=0,
1339                         const CvMat* _sample_idx=0, const CvMat* _var_type=0,
1340                         const CvMat* _missing_mask=0,
1341                         CvRTParams params=CvRTParams() );
1342     virtual float predict( const CvMat* sample, const CvMat* missing = 0 ) 
1343                                                                 const;
1344     virtual void clear();
1345
1346     virtual const CvMat* get_var_importance();
1347     virtual float get_proximity( const CvMat* sample_1, const CvMat* sample_2 ) 
1348                                                                         const;
1349
1350     virtual void read( CvFileStorage* fs, CvFileNode* node );
1351     virtual void write( CvFileStorage* fs, const char* name );
1352
1353     CvMat* get_active_var_mask();
1354     CvRNG* get_rng();
1355
1356     int get_tree_count() const;
1357     CvForestTree* get_tree(int i) const;
1358
1359 protected:
1360
1361     bool grow_forest( const CvTermCriteria term_crit );
1362
1363     // array of the trees of the forest
1364     CvForestTree** trees;
1365     CvDTreeTrainData* data;
1366     int ntrees;
1367     int nclasses;
1368     ...
1369 };
1370 \end{lstlisting}
1371
1372
1373 \cvfunc{CvRTrees::train}
1374 Trains the Random Trees model.
1375
1376 \cvdefCpp{
1377 bool CvRTrees::train( \par const CvMat* train\_data, \par int tflag,
1378                     \par const CvMat* responses, \par const CvMat* comp\_idx=0,
1379                     \par const CvMat* sample\_idx=0, \par const CvMat* var\_type=0,
1380                     \par const CvMat* missing\_mask=0,
1381                     \par CvRTParams params=CvRTParams() );
1382 }
1383
1384 The method \texttt{CvRTrees::train} is very similar to the first form of \texttt{CvDTree::train}() and follows the generic method \texttt{CvStatModel::train} conventions. All of the specific to the algorithm training parameters are passed as a \cross{CvRTParams} instance. The estimate of the training error (\texttt{oob-error}) is stored in the protected class member \texttt{oob\_error}.
1385
1386
1387 \cvfunc{CvRTrees::predict}
1388 Predicts the output for the input sample.
1389
1390 \cvdefCpp{
1391 double CvRTrees::predict( \par const CvMat* sample, \par const CvMat* missing=0 ) const;
1392 }
1393
1394 The input parameters of the prediction method are the same as in \texttt{CvDTree::predict}, but the return value type is different. This method returns the cumulative result from all the trees in the forest (the class that receives the majority of voices, or the mean of the regression function estimates).
1395
1396
1397 \cvfunc{CvRTrees::get\_var\_importance}
1398 Retrieves the variable importance array.
1399
1400 \cvdefCpp{
1401 const CvMat* CvRTrees::get\_var\_importance() const;
1402 }
1403
1404 The method returns the variable importance vector, computed at the training stage when \texttt{\cross{CvRTParams}::calc\_var\_importance} is set. If the training flag is not set, then the \texttt{NULL} pointer is returned. This is unlike decision trees, where variable importance can be computed anytime after the training.
1405
1406
1407 \cvfunc{CvRTrees::get\_proximity}
1408 Retrieves the proximity measure between two training samples.
1409
1410 \cvdefCpp{
1411 float CvRTrees::get\_proximity( \par const CvMat* sample\_1, \par const CvMat* sample\_2 ) const;
1412 }
1413
1414 The method returns proximity measure between any two samples (the ratio of the those trees in the ensemble, in which the samples fall into the same leaf node, to the total number of the trees).
1415
1416
1417 Example: Prediction of mushroom goodness using random trees classifier
1418
1419 \begin{lstlisting}
1420 #include <float.h>
1421 #include <stdio.h>
1422 #include <ctype.h>
1423 #include "ml.h"
1424
1425 int main( void )
1426 {
1427     CvStatModel*    cls = NULL;
1428     CvFileStorage*  storage = cvOpenFileStorage( "Mushroom.xml", 
1429                                                   NULL,CV_STORAGE_READ );
1430     CvMat*          data = (CvMat*)cvReadByName(storage, NULL, "sample", 0 );
1431     CvMat           train_data, test_data;
1432     CvMat           response;
1433     CvMat*          missed = NULL;
1434     CvMat*          comp_idx = NULL;
1435     CvMat*          sample_idx = NULL;
1436     CvMat*          type_mask = NULL;
1437     int             resp_col = 0;
1438     int             i,j;
1439     CvRTreesParams  params;
1440     CvTreeClassifierTrainParams cart_params;
1441     const int       ntrain_samples = 1000;
1442     const int       ntest_samples  = 1000;
1443     const int       nvars = 23;
1444
1445     if(data == NULL || data->cols != nvars)
1446     {
1447         puts("Error in source data");
1448         return -1;
1449     }
1450
1451     cvGetSubRect( data, &train_data, cvRect(0, 0, nvars, ntrain_samples) );
1452     cvGetSubRect( data, &test_data, cvRect(0, ntrain_samples, nvars,
1453         ntrain_samples + ntest_samples) );
1454
1455     resp_col = 0;
1456     cvGetCol( &train_data, &response, resp_col);
1457
1458     /* create missed variable matrix */
1459     missed = cvCreateMat(train_data.rows, train_data.cols, CV_8UC1);
1460     for( i = 0; i < train_data.rows; i++ )
1461         for( j = 0; j < train_data.cols; j++ )
1462             CV_MAT_ELEM(*missed,uchar,i,j)  
1463           = (uchar)(CV_MAT_ELEM(train_data,float,i,j) < 0);
1464
1465     /* create comp_idx vector */
1466     comp_idx = cvCreateMat(1, train_data.cols-1, CV_32SC1);
1467     for( i = 0; i < train_data.cols; i++ )
1468     {
1469         if(i<resp_col)CV_MAT_ELEM(*comp_idx,int,0,i) = i;
1470         if(i>resp_col)CV_MAT_ELEM(*comp_idx,int,0,i-1) = i;
1471     }
1472
1473     /* create sample_idx vector */
1474     sample_idx = cvCreateMat(1, train_data.rows, CV_32SC1);
1475     for( j = i = 0; i < train_data.rows; i++ )
1476     {
1477         if(CV_MAT_ELEM(response,float,i,0) < 0) continue;
1478         CV_MAT_ELEM(*sample_idx,int,0,j) = i;
1479         j++;
1480     }
1481     sample_idx->cols = j;
1482
1483     /* create type mask */
1484     type_mask = cvCreateMat(1, train_data.cols+1, CV_8UC1);
1485     cvSet( type_mask, cvRealScalar(CV_VAR_CATEGORICAL), 0);
1486
1487     // initialize training parameters
1488     cvSetDefaultParamTreeClassifier((CvStatModelParams*)&cart_params);
1489     cart_params.wrong_feature_as_unknown = 1;
1490     params.tree_params = &cart_params;
1491     params.term_crit.max_iter = 50;
1492     params.term_crit.epsilon = 0.1;
1493     params.term_crit.type = CV_TERMCRIT_ITER|CV_TERMCRIT_EPS;
1494
1495     puts("Random forest results");
1496     cls = cvCreateRTreesClassifier( &train_data, 
1497                                     CV_ROW_SAMPLE, 
1498                                     &response,
1499                                     (CvStatModelParams*)& 
1500                                     params, 
1501                                     comp_idx, 
1502                                     sample_idx, 
1503                                     type_mask, 
1504                                     missed );
1505     if( cls )
1506     {
1507         CvMat sample = cvMat( 1, nvars, CV_32FC1, test_data.data.fl );
1508         CvMat test_resp;
1509         int wrong = 0, total = 0;
1510         cvGetCol( &test_data, &test_resp, resp_col);
1511         for( i = 0; i < ntest_samples; i++, sample.data.fl += nvars )
1512         {
1513             if( CV_MAT_ELEM(test_resp,float,i,0) >= 0 )
1514             {
1515                 float resp = cls->predict( cls, &sample, NULL );
1516                 wrong += (fabs(resp-response.data.fl[i]) > 1e-3 ) ? 1 : 0;
1517                 total++;
1518             }
1519         }
1520         printf( "Test set error = %.2f\n", wrong*100.f/(float)total );
1521     }
1522     else
1523        puts("Error forest creation");
1524
1525     cvReleaseMat(&missed);
1526     cvReleaseMat(&sample_idx);
1527     cvReleaseMat(&comp_idx);
1528     cvReleaseMat(&type_mask);
1529     cvReleaseMat(&data);
1530     cvReleaseStatModel(&cls);
1531     cvReleaseFileStorage(&storage);
1532     return 0;
1533 }
1534 \end{lstlisting}
1535
1536 \section{Expectation-Maximization}
1537
1538 The EM (Expectation-Maximization) algorithm estimates the parameters of the multivariate probability density function in the form of a Gaussian mixture distribution with a specified number of mixtures.
1539
1540 Consider the set of the feature vectors $x_1, x_2,...,x_{N}$ : N vectors from a d-dimensional Euclidean space drawn from a Gaussian mixture:
1541
1542 \[
1543 p(x;a_k,S_k,\pi_k) = \sum_{k=1}^{m}\pi_kp_k(x), \quad \pi_k \geq 0, \quad \sum_{k=1}^{m}\pi_k=1,
1544 \]
1545
1546 \[
1547 p_k(x)=\varphi(x;a_k,S_k)=\frac{1}{(2\pi)^{d/2}\mid{S_k}\mid^{1/2}}exp\left\{-\frac{1}{2}(x-a_k)^TS_k^{-1}(x-a_k)\right\},
1548 \]
1549
1550 where $m$ is the number of mixtures, $p_k$ is the normal distribution
1551 density with the mean $a_k$ and covariance matrix $S_k$, $\pi_k$
1552 is the weight of the k-th mixture. Given the number of mixtures
1553 $M$ and the samples $x_i$, $i=1..N$ the algorithm finds the
1554 maximum-likelihood estimates (MLE) of the all the mixture parameters,
1555 i.e. $a_k$, $S_k$ and $\pi_k$ :
1556
1557 \[
1558 L(x,\theta)=logp(x,\theta)=\sum_{i=1}^{N}log\left(\sum_{k=1}^{m}\pi_kp_k(x)\right)\to\max_{\theta\in\Theta},
1559 \]
1560
1561 \[
1562 \Theta=\left\{(a_k,S_k,\pi_k): a_k \in \mathbbm{R} ^d,S_k=S_k^T>0,S_k \in \mathbbm{R} ^{d \times d},\pi_k\geq 0,\sum_{k=1}^{m}\pi_k=1\right\}.
1563 \]
1564
1565 EM algorithm is an iterative procedure. Each iteration of it includes
1566 two steps. At the first step (Expectation-step, or E-step), we find a
1567 probability $p_{i,k}$ (denoted $\alpha_{i,k}$ in the formula below) of
1568 sample \texttt{i} to belong to mixture \texttt{k} using the currently
1569 available mixture parameter estimates:
1570
1571 \[
1572 \alpha_{ki} = \frac{\pi_k\varphi(x;a_k,S_k)}{\sum\limits_{j=1}^{m}\pi_j\varphi(x;a_j,S_j)}.
1573 \]
1574
1575 At the second step (Maximization-step, or M-step) the mixture parameter estimates are refined using the computed probabilities:
1576
1577 \[
1578 \pi_k=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}\alpha_{ki}, \quad a_k=\frac{\sum\limits_{i=1}^{N}\alpha_{ki}x_i}{\sum\limits_{i=1}^{N}\alpha_{ki}}, \quad S_k=\frac{\sum\limits_{i=1}^{N}\alpha_{ki}(x_i-a_k)(x_i-a_k)^T}{\sum\limits_{i=1}^{N}\alpha_{ki}},
1579 \]
1580
1581 Alternatively, the algorithm may start with the M-step when the initial values for $p_{i,k}$ can be provided. Another alternative when $p_{i,k}$ are unknown, is to use a simpler clustering algorithm to pre-cluster the input samples and thus obtain initial $p_{i,k}$. Often (and in ML) the \cross{KMeans2} algorithm is used for that purpose.
1582
1583 One of the main that EM algorithm should deal with is the large number
1584 of parameters to estimate. The majority of the parameters sits in
1585 covariance matrices, which are $d \times d$ elements each
1586 (where $d$ is the feature space dimensionality). However, in
1587 many practical problems the covariance matrices are close to diagonal,
1588 or even to $\mu_k*I$, where $I$ is identity matrix and
1589 $\mu_k$ is mixture-dependent "scale" parameter. So a robust computation
1590 scheme could be to start with the harder constraints on the covariance
1591 matrices and then use the estimated parameters as an input for a less
1592 constrained optimization problem (often a diagonal covariance matrix is
1593 already a good enough approximation).
1594
1595 \textbf{References:}
1596 \begin{itemize}
1597 \item Bilmes98 J. A. Bilmes. A Gentle Tutorial of the EM Algorithm and its Application to Parameter Estimation for Gaussian Mixture and Hidden Markov Models. Technical Report TR-97-021, International Computer Science Institute and Computer Science Division, University of California at Berkeley, April 1998.
1598 \end{itemize}
1599
1600
1601 \cvclass{CvEMParams}
1602 Parameters of the EM algorithm.
1603
1604 \begin{lstlisting}
1605 struct CvEMParams
1606 {
1607     CvEMParams() : nclusters(10), cov_mat_type(CvEM::COV_MAT_DIAGONAL),
1608         start_step(CvEM::START_AUTO_STEP), probs(0), weights(0), means(0), 
1609                                                      covs(0)
1610     {
1611         term_crit=cvTermCriteria( CV_TERMCRIT_ITER+CV_TERMCRIT_EPS, 
1612                                                 100, FLT_EPSILON );
1613     }
1614
1615     CvEMParams( int _nclusters, int _cov_mat_type=1/*CvEM::COV_MAT_DIAGONAL*/,
1616                 int _start_step=0/*CvEM::START_AUTO_STEP*/,
1617                 CvTermCriteria _term_crit=cvTermCriteria(
1618                                         CV_TERMCRIT_ITER+CV_TERMCRIT_EPS, 
1619                                         100, FLT_EPSILON),
1620                 CvMat* _probs=0, CvMat* _weights=0, 
1621                 CvMat* _means=0, CvMat** _covs=0 ) :
1622                 nclusters(_nclusters), cov_mat_type(_cov_mat_type), 
1623                 start_step(_start_step),
1624                 probs(_probs), weights(_weights), means(_means), covs(_covs), 
1625                 term_crit(_term_crit)
1626     {}
1627
1628     int nclusters;
1629     int cov_mat_type;
1630     int start_step;
1631     const CvMat* probs;
1632     const CvMat* weights;
1633     const CvMat* means;
1634     const CvMat** covs;
1635     CvTermCriteria term_crit;
1636 };
1637 \end{lstlisting}
1638
1639 %\begin{description}
1640 %\cvarg{nclusters}{The number of mixtures. Some EM implementation could determine the optimal number of mixtures within a specified value range, but that is not the case in ML yet.}
1641 %\cvarg{cov\_mat\_type}{The type of the mixture covariance matrices; should be one of the following:
1642 %\begin{description}
1643 %\cvarg{CvEM::COV\_MAT\_GENERIC}{a covariance matrix of each mixture may be an arbitrary, symmetrical, positively defined matrix, so the number of free parameters in each matrix is about $\texttt{d}^2/2$. It is not recommended to use this option, unless there is pretty accurate initial estimation of the parameters and/or a huge number of training samples.}
1644 %\cvarg{CvEM::COV\_MAT\_DIAGONAL}{a covariance matrix of each mixture may be an arbitrary diagonal matrix with positive diagonal elements, that is, non-diagonal elements are forced to be 0's, so the number of free parameters is \texttt{d} for each matrix. This is the most commonly used option yielding good estimation results.}
1645 %\cvarg{CvEM::COV\_MAT\_SPHERICAL}{a covariance matrix of each mixture is a scaled identity matrix, $\mu_k*\texttt{I}$, so the only parameter to be estimated is $\mu_k$. The option may be used in special cases, when the constraint is relevant, or as a first step in the optimization (e.g. in case when the data is preprocessed with \cross{CalcPCA}). The results of such preliminary estimation may be passed again to the optimization procedure, this time with \texttt{cov\_mat\_type=CvEM::COV\_MAT\_DIAGONAL}.}
1646 %\end{description}}
1647 %\cvarg{start\_step}{The initial step the algorithm starts from; should be one of the following:
1648 %\begin{description}
1649 %\cvarg{CvEM::START\_E\_STEP}{the algorithm starts with E-step. At least, the initial values of mean vectors, \texttt{CvEMParams::means} must be passed. Optionally, the user may also provide initial values for weights (\texttt{CvEMParams::weights}) and/or covariance matrices (\texttt{CvEMParams::covs}).}
1650 %\cvarg{CvEM::START\_M\_STEP}{the algorithm starts with M-step. The initial probabilities $p_{i,k}$ must be provided.}
1651 %\cvarg{CvEM::START\_AUTO\_STEP}{No values are required from the user, k-means algorithm is used to estimate initial mixtures parameters.}
1652 %\end{description}}
1653 %\cvarg{term\_crit}{Termination criteria of the procedure. EM algorithm stops either after a certain number of iterations (\texttt{term\_crit.num\_iter}), or when the parameters change too little (no more than \texttt{term\_crit.epsilon}) from iteration to iteration.}
1654 %\cvarg{probs}{Initial probabilities $p_{i,k}$; are used (and must be not \texttt{NULL}) only when  \newline \texttt{start\_step=CvEM::START\_M\_STEP}.}
1655 %\cvarg{weights}{Initial mixture weights $\pi_k$; are used (if not \texttt{NULL}) only when  \newline \texttt{start\_step=CvEM::START\_E\_STEP}.}
1656 %\cvarg{covs}{Initial mixture covariance matrices $S_k$; are used (if not \texttt{NULL}) only when  \newline \texttt{start\_step=CvEM::START\_E\_STEP}.}
1657 %\cvarg{means}{Initial mixture means $a_k$; are used (and must be not \texttt{NULL}) only when  \newline \texttt{start\_step=CvEM::START\_E\_STEP}.}
1658 %\end{description}
1659
1660 The structure has 2 constructors, the default one represents a rough rule-of-thumb, with another one it is possible to override a variety of parameters, from a single number of mixtures (the only essential problem-dependent parameter), to the initial values for the mixture parameters.
1661
1662
1663 \cvclass{CvEM}
1664 EM model.
1665
1666 \begin{lstlisting}
1667 class CV_EXPORTS CvEM : public CvStatModel
1668 {
1669 public:
1670     // Type of covariance matrices
1671     enum { COV_MAT_SPHERICAL=0, COV_MAT_DIAGONAL=1, COV_MAT_GENERIC=2 };
1672
1673     // The initial step
1674     enum { START_E_STEP=1, START_M_STEP=2, START_AUTO_STEP=0 };
1675
1676     CvEM();
1677     CvEM( const CvMat* samples, const CvMat* sample_idx=0,
1678           CvEMParams params=CvEMParams(), CvMat* labels=0 );
1679     virtual ~CvEM();
1680
1681     virtual bool train( const CvMat* samples, const CvMat* sample_idx=0,
1682                         CvEMParams params=CvEMParams(), CvMat* labels=0 );
1683
1684     virtual float predict( const CvMat* sample, CvMat* probs ) const;
1685     virtual void clear();
1686
1687     int get_nclusters() const { return params.nclusters; }
1688     const CvMat* get_means() const { return means; }
1689     const CvMat** get_covs() const { return covs; }
1690     const CvMat* get_weights() const { return weights; }
1691     const CvMat* get_probs() const { return probs; }
1692
1693 protected:
1694
1695     virtual void set_params( const CvEMParams& params,
1696                              const CvVectors& train_data );
1697     virtual void init_em( const CvVectors& train_data );
1698     virtual double run_em( const CvVectors& train_data );
1699     virtual void init_auto( const CvVectors& samples );
1700     virtual void kmeans( const CvVectors& train_data, int nclusters,
1701                          CvMat* labels, CvTermCriteria criteria,
1702                          const CvMat* means );
1703     CvEMParams params;
1704     double log_likelihood;
1705
1706     CvMat* means;
1707     CvMat** covs;
1708     CvMat* weights;
1709     CvMat* probs;
1710
1711     CvMat* log_weight_div_det;
1712     CvMat* inv_eigen_values;
1713     CvMat** cov_rotate_mats;
1714 };
1715 \end{lstlisting}
1716
1717
1718 \cvfunc{CvEM::train}
1719
1720 Estimates the Gaussian mixture parameters from the sample set.
1721
1722 \cvdefCpp{
1723
1724 void CvEM::train( \par const CvMat* samples, \par const CvMat*  sample\_idx=0,
1725                   \par CvEMParams params=CvEMParams(), \par CvMat* labels=0 );
1726
1727 }
1728
1729 Unlike many of the ML models, EM is an unsupervised learning algorithm and it does not take responses (class labels or the function values) on input. Instead, it computes the \cross{MLE} of the Gaussian mixture parameters from the input sample set, stores all the parameters inside the structure: $p_{i,k}$ in \texttt{probs}, $a_k$ in \texttt{means} $S_k$ in \texttt{covs[k]}, $\pi_k$ in \texttt{weights} and optionally computes the output "class label" for each sample: $\texttt{labels}_i=\texttt{arg max}_k(p_{i,k}), i=1..N$ (i.e. indices of the most-probable mixture for each sample).
1730
1731 The trained model can be used further for prediction, just like any other classifier. The model trained is similar to the \cross{Bayes classifier}.
1732
1733
1734 Example: Clustering random samples of multi-Gaussian distribution using EM
1735
1736 \begin{lstlisting}
1737 #include "ml.h"
1738 #include "highgui.h"
1739
1740 int main( int argc, char** argv )
1741 {
1742     const int N = 4;
1743     const int N1 = (int)sqrt((double)N);
1744     const CvScalar colors[] = {{0,0,255}},{{0,255,0}},
1745                                     {{0,255,255}},{{255,255,0}
1746                                     ;
1747     int i, j;
1748     int nsamples = 100;
1749     CvRNG rng_state = cvRNG(-1);
1750     CvMat* samples = cvCreateMat( nsamples, 2, CV_32FC1 );
1751     CvMat* labels = cvCreateMat( nsamples, 1, CV_32SC1 );
1752     IplImage* img = cvCreateImage( cvSize( 500, 500 ), 8, 3 );
1753     float _sample[2];
1754     CvMat sample = cvMat( 1, 2, CV_32FC1, _sample );
1755     CvEM em_model;
1756     CvEMParams params;
1757     CvMat samples_part;
1758
1759     cvReshape( samples, samples, 2, 0 );
1760     for( i = 0; i < N; i++ )
1761     {
1762         CvScalar mean, sigma;
1763
1764         // form the training samples
1765         cvGetRows( samples, &samples_part, i*nsamples/N, 
1766                                            (i+1)*nsamples/N );
1767         mean = cvScalar(((i%N1)+1.)*img->width/(N1+1), 
1768                        ((i/N1)+1.)*img->height/(N1+1));
1769         sigma = cvScalar(30,30);
1770         cvRandArr( &rng_state, &samples_part, CV_RAND_NORMAL, 
1771                                                         mean, sigma );
1772     }
1773     cvReshape( samples, samples, 1, 0 );
1774
1775     // initialize model's parameters
1776     params.covs      = NULL;
1777     params.means     = NULL;
1778     params.weights   = NULL;
1779     params.probs     = NULL;
1780     params.nclusters = N;
1781     params.cov_mat_type       = CvEM::COV_MAT_SPHERICAL;
1782     params.start_step         = CvEM::START_AUTO_STEP;
1783     params.term_crit.max_iter = 10;
1784     params.term_crit.epsilon  = 0.1;
1785     params.term_crit.type     = CV_TERMCRIT_ITER|CV_TERMCRIT_EPS;
1786
1787     // cluster the data
1788     em_model.train( samples, 0, params, labels );
1789
1790 #if 0
1791     // the piece of code shows how to repeatedly optimize the model
1792     // with less-constrained parameters 
1793     //(COV_MAT_DIAGONAL instead of COV_MAT_SPHERICAL)
1794     // when the output of the first stage is used as input for the second.
1795     CvEM em_model2;
1796     params.cov_mat_type = CvEM::COV_MAT_DIAGONAL;
1797     params.start_step = CvEM::START_E_STEP;
1798     params.means = em_model.get_means();
1799     params.covs = (const CvMat**)em_model.get_covs();
1800     params.weights = em_model.get_weights();
1801
1802     em_model2.train( samples, 0, params, labels );
1803     // to use em_model2, replace em_model.predict() 
1804     // with em_model2.predict() below
1805 #endif
1806     // classify every image pixel
1807     cvZero( img );
1808     for( i = 0; i < img->height; i++ )
1809     {
1810         for( j = 0; j < img->width; j++ )
1811         {
1812             CvPoint pt = cvPoint(j, i);
1813             sample.data.fl[0] = (float)j;
1814             sample.data.fl[1] = (float)i;
1815             int response = cvRound(em_model.predict( &sample, NULL ));
1816             CvScalar c = colors[response];
1817
1818             cvCircle( img, pt, 1, cvScalar(c.val[0]*0.75,
1819                 c.val[1]*0.75,c.val[2]*0.75), CV_FILLED );
1820         }
1821     }
1822
1823     //draw the clustered samples
1824     for( i = 0; i < nsamples; i++ )
1825     {
1826         CvPoint pt;
1827         pt.x = cvRound(samples->data.fl[i*2]);
1828         pt.y = cvRound(samples->data.fl[i*2+1]);
1829         cvCircle( img, pt, 1, colors[labels->data.i[i]], CV_FILLED );
1830     }
1831
1832     cvNamedWindow( "EM-clustering result", 1 );
1833     cvShowImage( "EM-clustering result", img );
1834     cvWaitKey(0);
1835
1836     cvReleaseMat( &samples );
1837     cvReleaseMat( &labels );
1838     return 0;
1839 }
1840
1841 \end{lstlisting}
1842
1843 \section{Neural Networks}
1844
1845 ML implements feed-forward artificial neural networks, more particularly, multi-layer perceptrons (MLP), the most commonly used type of neural networks. MLP consists of the input layer, output layer and one or more hidden layers. Each layer of MLP includes one or more neurons that are directionally linked with the neurons from the previous and the next layer. Here is an example of a 3-layer perceptron with 3 inputs, 2 outputs and the hidden layer including 5 neurons:
1846
1847 \includegraphics{pics/mlp_.png}
1848
1849 All the neurons in MLP are similar. Each of them has several input links (i.e. it takes the output values from several neurons in the previous layer on input) and several output links (i.e. it passes the response to several neurons in the next layer). The values retrieved from the previous layer are summed with certain weights, individual for each neuron, plus the bias term, and the sum is transformed using the activation function $f$ that may be also different for different neurons. Here is the picture:
1850
1851 \includegraphics{pics/neuron_model.png}
1852
1853 In other words, given the outputs $x_j$ of the layer $n$, the outputs $y_i$ of the layer $n+1$ are computed as:
1854
1855 \[
1856     u_i = \sum_j (w^{n+1}_{i,j}*x_j) + w^{n+1}_{i,bias}
1857 \]
1858
1859 \[
1860     y_i = f(u_i)
1861 \]
1862
1863 Different activation functions may be used, ML implements 3 standard ones:
1864 \begin{itemize}
1865 \item Identity function (\texttt{CvANN\_MLP::IDENTITY}): $f(x)=x$
1866 \item Symmetrical sigmoid (\texttt{CvANN\_MLP::SIGMOID\_SYM}): $f(x)=\beta*(1-e^{-\alpha x})/(1+e^{-\alpha x}$), the default choice for MLP; the standard sigmoid with $\beta =1, \alpha =1$ is shown below:
1867
1868 \includegraphics{pics/sigmoid_bipolar.png} 
1869
1870 \item Gaussian function (\texttt{CvANN\_MLP::GAUSSIAN}): $f(x)=\beta e^{-\alpha x*x}$, not completely supported by the moment.
1871 \end{itemize}
1872 In ML all the neurons have the same activation functions, with the same free parameters ($\alpha, \beta$) that are specified by user and are not altered by the training algorithms.
1873
1874 So the whole trained network works as follows: It takes the feature vector on input, the vector size is equal to the size of the input layer, when the values are passed as input to the first hidden layer, the outputs of the hidden layer are computed using the weights and the activation functions and passed further downstream, until we compute the output layer.
1875
1876 So, in order to compute the network one needs to know all the
1877 weights $w^{n+1)}_{i,j}$. The weights are computed by the training
1878 algorithm. The algorithm takes a training set: multiple input vectors
1879 with the corresponding output vectors, and iteratively adjusts the
1880 weights to try to make the network give the desired response on the
1881 provided input vectors.
1882
1883 The larger the network size (the number of hidden layers and their sizes),
1884 the more is the potential network flexibility, and the error on the
1885 training set could be made arbitrarily small. But at the same time the
1886 learned network will also "learn" the noise present in the training set,
1887 so the error on the test set usually starts increasing after the network
1888 size reaches some limit. Besides, the larger networks are train much
1889 longer than the smaller ones, so it is reasonable to preprocess the data
1890 (using \cross{CalcPCA} or similar technique) and train a smaller network
1891 on only the essential features.
1892
1893 Another feature of the MLP's is their inability to handle categorical
1894 data as is, however there is a workaround. If a certain feature in the
1895 input or output (i.e. in the case of \texttt{n}-class classifier for
1896 $n>2$) layer is categorical and can take $M>2$
1897 different values, it makes sense to represent it as binary tuple of
1898 \texttt{M} elements, where \texttt{i}-th element is 1 if and only if the
1899 feature is equal to the \texttt{i}-th value out of \texttt{M} possible. It
1900 will increase the size of the input/output layer, but will speedup the
1901 training algorithm convergence and at the same time enable "fuzzy" values
1902 of such variables, i.e. a tuple of probabilities instead of a fixed value.
1903
1904 ML implements 2 algorithms for training MLP's. The first is the classical
1905 random sequential back-propagation algorithm
1906 and the second (default one) is batch RPROP algorithm.
1907
1908 References:
1909 \begin{itemize}
1910 \item \url{http://en.wikipedia.org/wiki/Backpropagation}. Wikipedia article about the back-propagation algorithm.
1911 \item Y. LeCun, L. Bottou, G.B. Orr and K.-R. Muller, "Efficient backprop", in Neural Networks---Tricks of the Trade, Springer Lecture Notes in Computer Sciences 1524, pp.5-50, 1998.
1912 \item M. Riedmiller and H. Braun, "A Direct Adaptive Method for Faster Backpropagation Learning: The RPROP Algorithm", Proc. ICNN, San Francisco (1993).
1913 \end{itemize}
1914
1915 \cvclass{CvANN\_MLP\_TrainParams}
1916 Parameters of the MLP training algorithm.
1917
1918 \begin{lstlisting}
1919 struct CvANN_MLP_TrainParams
1920 {
1921     CvANN_MLP_TrainParams();
1922     CvANN_MLP_TrainParams( CvTermCriteria term_crit, int train_method,
1923                            double param1, double param2=0 );
1924     ~CvANN_MLP_TrainParams();
1925
1926     enum { BACKPROP=0, RPROP=1 };
1927
1928     CvTermCriteria term_crit;
1929     int train_method;
1930
1931     // backpropagation parameters
1932     double bp_dw_scale, bp_moment_scale;
1933
1934     // rprop parameters
1935     double rp_dw0, rp_dw_plus, rp_dw_minus, rp_dw_min, rp_dw_max;
1936 };
1937 \end{lstlisting}
1938
1939 %\begin{description}
1940 %\cvarg{term\_crit}{The termination criteria for the training algorithm. It identifies how many iterations are done by the algorithm (for sequential backpropagation algorithm the number is multiplied by the size of the training set) and how much the weights could change between the iterations to make the algorithm continue.}
1941 %\cvarg{train\_method}{The training algorithm to use; can be one of \texttt{CvANN\_MLP\_TrainParams::BACKPROP} (sequential backpropagation algorithm) or \texttt{CvANN\_MLP\_TrainParams::RPROP} (RPROP algorithm, default value).}
1942 %\cvarg{bp\_dw\_scale}{(Backpropagation only): The coefficient to multiply the computed weight gradient by. The recommended value is about 0.1. The parameter can be set via \texttt{param1} of the constructor.}
1943 %\cvarg{bp\_moment\_scale}{(Backpropagation only): The coefficient to multiply the difference between weights on the 2 previous iterations. This parameter provides some inertia to smooth the random fluctuations of the weights. It can vary from 0 (the feature is disabled) to 1 and beyond. The value 0.1 or so is good enough. The parameter can be set via \texttt{param2} of the constructor.}
1944 %\cvarg{rp\_dw0}{(RPROP only): Initial magnitude of the weight delta. The default value is 0.1. This parameter can be set via \texttt{param1} of the constructor.}
1945 %\cvarg{rp\_dw\_plus}{(RPROP only): The increase factor for the weight delta. It must be $>1$, the default value is 1.2, which should work well in most cases, according to the algorithm's author. The parameter can only be changed explicitly by modifying the structure member.}
1946 %\cvarg{rp\_dw\_minus}{(RPROP only): The decrease factor for the weight delta. It must be $<1$, the default value is 0.5, which should work well in most cases, according to the algorithm's author. The parameter can only be changed explicitly by modifying the structure member.}
1947 %\cvarg{rp\_dw\_min}{(RPROP only): The minimum value of the weight delta. It must be $>0$, the default value is \texttt{FLT\_EPSILON}. The parameter can be set via \texttt{param2} of the constructor.}
1948 %\cvarg{rp\_dw\_max}{(RPROP only): The maximum value of the weight delta. It must be $>1$, the default value is 50. The parameter can only be changed explicitly by modifying the structure member.}
1949 %\end{description}
1950
1951 The structure has default constructor that initializes parameters for \texttt{RPROP} algorithm. There is also more advanced constructor to customize the parameters and/or choose backpropagation algorithm. Finally, the individual parameters can be adjusted after the structure is created.
1952
1953
1954 \cvclass{CvANN\_MLP}
1955 MLP model.
1956
1957 \begin{lstlisting}
1958 class CvANN_MLP : public CvStatModel
1959 {
1960 public:
1961     CvANN_MLP();
1962     CvANN_MLP( const CvMat* _layer_sizes,
1963                int _activ_func=SIGMOID_SYM,
1964                double _f_param1=0, double _f_param2=0 );
1965
1966     virtual ~CvANN_MLP();
1967
1968     virtual void create( const CvMat* _layer_sizes,
1969                          int _activ_func=SIGMOID_SYM,
1970                          double _f_param1=0, double _f_param2=0 );
1971
1972     virtual int train( const CvMat* _inputs, const CvMat* _outputs,
1973                        const CvMat* _sample_weights, 
1974                        const CvMat* _sample_idx=0,
1975                        CvANN_MLP_TrainParams _params = CvANN_MLP_TrainParams(),
1976                        int flags=0 );
1977     virtual float predict( const CvMat* _inputs,
1978                            CvMat* _outputs ) const;
1979
1980     virtual void clear();
1981
1982     // possible activation functions
1983     enum { IDENTITY = 0, SIGMOID_SYM = 1, GAUSSIAN = 2 };
1984
1985     // available training flags
1986     enum { UPDATE_WEIGHTS = 1, NO_INPUT_SCALE = 2, NO_OUTPUT_SCALE = 4 };
1987
1988     virtual void read( CvFileStorage* fs, CvFileNode* node );
1989     virtual void write( CvFileStorage* storage, const char* name );
1990
1991     int get_layer_count() { return layer_sizes ? layer_sizes->cols : 0; }
1992     const CvMat* get_layer_sizes() { return layer_sizes; }
1993
1994 protected:
1995
1996     virtual bool prepare_to_train( const CvMat* _inputs, const CvMat* _outputs,
1997             const CvMat* _sample_weights, const CvMat* _sample_idx,
1998             CvANN_MLP_TrainParams _params,
1999             CvVectors* _ivecs, CvVectors* _ovecs, double** _sw, int _flags );
2000
2001     // sequential random backpropagation
2002     virtual int train_backprop( CvVectors _ivecs, CvVectors _ovecs, 
2003                                                 const double* _sw );
2004
2005     // RPROP algorithm
2006     virtual int train_rprop( CvVectors _ivecs, CvVectors _ovecs, 
2007                                              const double* _sw );
2008
2009     virtual void calc_activ_func( CvMat* xf, const double* bias ) const;
2010     virtual void calc_activ_func_deriv( CvMat* xf, CvMat* deriv, 
2011                                              const double* bias ) const;
2012     virtual void set_activ_func( int _activ_func=SIGMOID_SYM,
2013                                  double _f_param1=0, double _f_param2=0 );
2014     virtual void init_weights();
2015     virtual void scale_input( const CvMat* _src, CvMat* _dst ) const;
2016     virtual void scale_output( const CvMat* _src, CvMat* _dst ) const;
2017     virtual void calc_input_scale( const CvVectors* vecs, int flags );
2018     virtual void calc_output_scale( const CvVectors* vecs, int flags );
2019
2020     virtual void write_params( CvFileStorage* fs );
2021     virtual void read_params( CvFileStorage* fs, CvFileNode* node );
2022
2023     CvMat* layer_sizes;
2024     CvMat* wbuf;
2025     CvMat* sample_weights;
2026     double** weights;
2027     double f_param1, f_param2;
2028     double min_val, max_val, min_val1, max_val1;
2029     int activ_func;
2030     int max_count, max_buf_sz;
2031     CvANN_MLP_TrainParams params;
2032     CvRNG rng;
2033 };
2034 \end{lstlisting}
2035
2036 Unlike many other models in ML that are constructed and trained at once, in the MLP model these steps are separated. First, a network with the specified topology is created using the non-default constructor or the method \texttt{create}. All the weights are set to zeros. Then the network is trained using the set of input and output vectors. The training procedure can be repeated more than once, i.e. the weights can be adjusted based on the new training data.
2037
2038
2039 \cvfunc{CvANN\_MLP::create}
2040 Constructs the MLP with the specified topology
2041
2042 \cvdefCpp{
2043 void CvANN\_MLP::create( \par const CvMat* \_layer\_sizes,
2044                         \par int \_activ\_func=SIGMOID\_SYM,
2045                         \par double \_f\_param1=0, \par double \_f\_param2=0 );
2046 }
2047
2048 \begin{description}
2049 \cvarg{\_layer\_sizes}{The integer vector specifies the number of neurons in each layer including the input and output layers.}
2050 \cvarg{\_activ\_func}{Specifies the activation function for each neuron; one of \texttt{CvANN\_MLP::IDENTITY}, \texttt{CvANN\_MLP::SIGMOID\_SYM} and \texttt{CvANN\_MLP::GAUSSIAN}.}
2051 \cvarg{\_f\_param1,\_f\_param2}{Free parameters of the activation function, $\alpha$ and $\beta$, respectively. See the formulas in the introduction section.}
2052 \end{description}
2053
2054 The method creates a MLP network with the specified topology and assigns the same activation function to all the neurons.
2055
2056 \cvfunc{CvANN\_MLP::train}
2057 Trains/updates MLP.
2058
2059 \cvdefCpp{
2060 int CvANN\_MLP::train( \par const CvMat* \_inputs, \par const CvMat* \_outputs,
2061                       \par const CvMat* \_sample\_weights, \par const CvMat* \_sample\_idx=0,
2062                       \par CvANN\_MLP\_TrainParams \_params = CvANN\_MLP\_TrainParams(),
2063                       \par int flags=0 );
2064 }
2065
2066 \begin{description}
2067 \cvarg{\_inputs}{A floating-point matrix of input vectors, one vector per row.}
2068 \cvarg{\_outputs}{A floating-point matrix of the corresponding output vectors, one vector per row.}
2069 \cvarg{\_sample\_weights}{(RPROP only) The optional floating-point vector of weights for each sample. Some samples may be more important than others for training, and the user may want to raise the weight of certain classes to find the right balance between hit-rate and false-alarm rate etc.}
2070 \cvarg{\_sample\_idx}{The optional integer vector indicating the samples (i.e. rows of \texttt{\_inputs} and \texttt{\_outputs}) that are taken into account.}
2071 \cvarg{\_params}{The training params. See \texttt{CvANN\_MLP\_TrainParams} description.}
2072 \cvarg{\_flags}{The various parameters to control the training algorithm. May be a combination of the following:
2073 \begin{description}
2074 \cvarg{UPDATE\_WEIGHTS = 1}{algorithm updates the network weights, rather than computes them from scratch (in the latter case the weights are initialized using \emph{Nguyen-Widrow} algorithm).}
2075 \cvarg{NO\_INPUT\_SCALE}{algorithm does not normalize the input vectors. If this flag is not set, the training algorithm normalizes each input feature independently, shifting its mean value to 0 and making the standard deviation =1. If the network is assumed to be updated frequently, the new training data could be much different from original one. In this case user should take care of proper normalization.}
2076 \cvarg{NO\_OUTPUT\_SCALE}{algorithm does not normalize the output vectors. If the flag is not set, the training algorithm normalizes each output features independently, by transforming it to the certain range depending on the activation function used.}
2077 \end{description}}
2078 \end{description}
2079
2080 This method applies the specified training algorithm to compute/adjust the network weights. It returns the number of done iterations.
2081
2082 \fi
2083