클러스터링 #3 - DBSCAN (밀도 기반 클러스터링)

DBSCAN (밀도 기반 클러스터링)

조대협(http://bcho.tistory.com)

기본 개념

이번에는 클러스터링 알고리즘중 밀도 방식의 클러스터링을 사용하는 DBSCAN(Density-based spatial clustering of applications with noise) 에 대해서 알아보도록 한다.

앞에서 설명한 K Means나 Hierarchical 클러스터링의 경우 군집간의 거리를 이용하여 클러스터링을 하는 방법인데, 밀도 기반의 클러스터링은 점이 세밀하게 몰려 있어서 밀도가 높은 부분을 클러스터링 하는 방식이다.

쉽게 설명하면, 어느점을 기준으로 반경 x내에 점이 n개 이상 있으면 하나의 군집으로 인식하는 방식이다.

그러면 조금 더 구체적인 개념과 용어를 이해해보자

먼저 점 p가 있다고 할때, 점 p에서 부터 거리 e (epsilon)내에 점이 m(minPts) 개 있으면 하나의 군집으로 인식한다고 하자. 이 조건 즉 거리 e 내에 점 m개를 가지고 있는 점 p를 core point (중심점) 이라고 한다.

DBSCAN 알고리즘을 사용하려면 기준점 부터의 거리 epsilon값과, 이 반경내에 있는 점의 수 minPts를 인자로 전달해야 한다.

아래 그림에서 minPts = 4 라고 하면, 파란점 P를 중심으로 반경 epsilon 내에 점이 4개 이상 있으면 하나의 군집으로 판단할 수 있는데, 아래 그림은 점이 5개가 있기 때문에 하나의 군집으로 판단이 되고, P는 core point가 된다.

아래 그림에서 회색점 P2의 경우 점 P2를 기반으로 epsilon 반경내의 점이 3개 이기 때문에, minPts=4에 미치지 못하기 때문에, 군집의 중심이 되는 core point는 되지 못하지만, 앞의 점 P를 core point로 하는 군집에는 속하기 때문에 이를 boder point (경계점)이라고 한다.

아래 그림에서 P3는 epsilon 반경내에 점 4개를 가지고 있기 때문에 core point가 된다.

그런데 P3를 중심으로 하는 반경내에 다른 core point P가 포함이 되어 있는데, 이 경우 core point P와  P3는 연결되어 있다고 하고 하나의 군집으로 묶이게 된다.

마지막으로 아래 그림의 P4는 어떤 점을 중심으로 하더라도 minPts=4를 만족하는 범위에 포함이 되지 않는다. 즉 어느 군집에도 속하지 않는 outlier가 되는데, 이를 noise point라고 한다.

이를 모두 정리해보면 다음과 같은 그림이 나온다.

정리해서 이야기 하면, 점을 중심으로 epsilon 반경내에 minPts 이상수의 점이 있으면 그 점을 중심으로 군집이 되고 그 점을 core point라고 한다. Core point 가 서로 다른 core point의 군집의 일부가 되면 그 군집을 서로 연결되어 있다고 하고 하나의 군집으로 연결을 한다.

군집에는 속하지만, 스스로 core point가 안되는 점을 border point라고 하고, 주로 클러스터의 외곽을 이루는 점이 된다.

그리고 어느 클러스터에도 속하지 않는 점은 Noise point가 된다.

장점

DBSCAN 알고리즘의 장점은

• K Means와 같이 클러스터의 수를 정하지 않아도 되며,

• 클러스터의 밀도에 따라서 클러스터를 서로 연결하기 때문에 기하학적인 모양을 갖는 군집도 잘 찾을 수 있으며
  

  

  
  기하학적인 구조를 군집화한 예 (출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/DBSCAN )

• Noise point를 통하여, outlier 검출이 가능하다.

예제 코드

코드의 내용은 앞과 거의 유사하다.

model = DBSCAN(eps=0.3,min_samples=6)

모델 부분만 DBSCAN으로 바꿔 주고, epsilon 값은 eps에 minPts값은 min_samples 인자로 넘겨주면 된다. 이 예제에서는 각각 0.3 과 6을 주었다.

전체 코드를 보면 다음과 같다.

import pandas as pd
iris = datasets.load_iris()

labels = pd.DataFrame(iris.target)
labels.columns=['labels']
data = pd.DataFrame(iris.data)
data.columns=['Sepal length','Sepal width','Petal length','Petal width']
data = pd.concat([data,labels],axis=1)

data.head()

IRIS 데이타를 DataFrame으로 로딩 한 다음, 학습에 사용할 피쳐를 다음과 같이 feature 변수에 저장한다.

feature = data[ ['Sepal length','Sepal width','Petal length','Petal width']]
feature.head()

다음은 모델을 선언하고, 데이타를 넣어서 학습을 시킨다.

from sklearn.cluster import DBSCAN
import matplotlib.pyplot  as plt
import seaborn as sns

# create model and prediction
model = DBSCAN(min_samples=6)
predict = pd.DataFrame(model.fit_predict(feature))
predict.columns=['predict']

# concatenate labels to df as a new column
r = pd.concat([feature,predict],axis=1)

다음은 모델을 선언하고, 데이타를 넣어서 학습을 시킨다.

학습이 끝난 결과를 다음과 같이 3차원 그래프로 시각화 해보자. 아래 시각화는 3차원인데, 학습은 4차원으로 하였다. 그래서 다소 오류가 있어 보일 수 있다. 다차원 데이타를 시각화 하기위해서는 PCA나 t-SNE와 같은 차원 감소 (dimensional reduction) 기법을 사용해야 하는데,  이는 다음 글에서 다루도록한다.

from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
# scatter plot
fig = plt.figure( figsize=(6,6))
ax = Axes3D(fig, rect=[0, 0, .95, 1], elev=48, azim=134)
ax.scatter(r['Sepal length'],r['Sepal width'],r['Petal length'],c=r['predict'],alpha=0.5)
ax.set_xlabel('Sepal lenth')
ax.set_ylabel('Sepal width')
ax.set_zlabel('Petal length')
plt.show()

마지막으로 Cross tabulazation 을 이용하여 모델을 검증해보면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

ct = pd.crosstab(data['labels'],r['predict'])
print (ct)

이 코드에 대한 전체 내용은 https://github.com/bwcho75/dataanalyticsandML/blob/master/Clustering/5.%20DBSCANClustering-IRIS%204%20feature-Copy1.ipynb 에서 확인할 수 있다.