数据预处理的几个方法：白化、去均值、归一化、PCA

article/2025/8/14 21:50:13

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以上转载自：http://ufldl.stanford.edu/wiki/index.php/%E7%99%BD%E5%8C%96
假定数据表示成矩阵为X，其中我们假定X是[N*D]维矩阵(N是样本数据量，D为单张图片的数据向量长度)。
去均值，这是最常见的图片数据预处理，简单说来，它做的事情就是，对待训练的每一张图片的特征，都减去全部训练集图片的特征均值，这么做的直观意义就是，我们把输入数据各个维度的数据都中心化到0了。这么做的目的是减小计算量，把数据从原先的标准坐标系下的一个个向量组成的矩阵，变成以这些向量的均值为原点建立的坐标系，使用python的numpy工具包，这一步可以用X -= np.mean(X, axis = 0)轻松实现。
归一化，归一化的直观理解含义是，我们做一些工作去保证所有的维度上数据都在一个变化幅度上。通常我们有两种方法来实现归一化。一个是在数据都去均值之后，每个维度上的数据都除以这个维度上数据的标准差(X /= np.std(X, axis = 0))。另外一种方式是我们除以数据绝对值最大值，以保证所有的数据归一化后都在-1到1之间。多说一句，其实在任何你觉得各维度幅度变化非常大的数据集上，你都可以考虑归一化处理。不过对于图像而言，其实这一步反倒可做可不做，像素的值变化区间都在[0,255]之间，所以其实图像输入数据天生幅度就是一致的。

PCA和白化/whitening，这是另外一种形式的数据预处理。在经过去均值操作之后，我们可以计算数据的协方差矩阵，从而可以知道数据各个维度之间的相关性，简单示例代码如下：
假定输入数据矩阵X是[ND]维的
X -= np.mean(X, axis = 0) # 去均值
cov = np.dot(X.T, X) / X.shape[0] # 计算协方差
得到的结果矩阵中元素(i,j)表示原始数据中，第i维和第j维的相关性。有意思的是，其实协方差矩阵的对角线包含了每个维度的变化幅度。另外，我们都知道协方差矩阵是对称的，我们可以在其上做矩阵奇异值分解(SVD factorization)：
U,S,V = np.linalg.svd(cov)
其中U为特征向量，我们如果相对原始数据(去均值之后)去做相关操作，只需要进行如下运算：
Xrot = np.dot(X, U)
这么理解一下可能更好，U是一组正交基向量。所以我们可以看做把原始数据X投射到这组维度保持不变的正交基底上，从而也就完成了对原始数据的去相关。如果去相关之后你再求一下Xrot的协方差矩阵，你会发现这时候的协方差矩阵是一个对角矩阵了。而numpy中的np.linalg.svd更好的一个特性是，它返回的U是对特征值排序过的，这也就意味着，我们可以用它进行降维操作。我们可以只取top的一些特征向量，然后做和原始数据做矩阵乘法，这个时候既降维减少了计算量，同时又保存下了绝大多数的原始数据信息，这就是所谓的主成分分析/PCA：
Xrot_reduced = np.dot(X, U[:,:100])
这个操作之后，我们把原始数据集矩阵从[ND]降维到[N*100]，保存了前100个能包含绝大多数数据信息的维度。实际应用中，你在PCA降维之后的数据集上，做各种机器学习的训练，在节省空间和时间的前提下，依旧能有很好的训练准确度。

最后再提一下whitening操作。所谓whitening，就是把各个特征轴上的数据除以对应特征值，从而达到在每个特征轴上都归一化幅度的结果。whitening变换的几何意义和理解是，如果输入的数据是多变量高斯，那whitening之后的数据是一个均值为0而不同方差的高斯矩阵。这一步简单代码实现如下：
白化数据
Xwhite = Xrot / np.sqrt(S + 1e-5)
提个醒：whitening操作会有严重化噪声的可能。注意到我们在上述代码中，分母的部分加入了一个很小的数1e-5，以防止出现除以0的情况。但是数据中的噪声部分可能会因whitening操作而变大，因为whitening操作的本质是把输入的每个维度都拉到差不多的幅度，那么本不相关的有微弱幅度变化的噪声维度，也被拉到了和其他维度同样的幅度。当然，我们适当提高分母中的安全因子(1e-5)可以在一定程度上缓解这个问题。
下面给出图示：
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