稀疏表示介绍(中)

 

声明

1. 之前虽然听过压缩感知和稀疏表示，实际上昨天才正式着手开始了解，纯属新手，如有错误，敬请指出，共同进步。

2. 主要学习资料是 Coursera 上 Duke 大学的公开课——Image and video processing, by Pro.Guillermo Sapiro 第 9 课。

3. 由于对图像处理的了解也来自与该课程，没正经儿看过几本图像方面的书籍，有些术语只能用视频中的英文来表达，见谅哈！

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1. Uniqueness

假设我们已知字典矩阵 D 和稀疏向量 a， 计算出一个信号 x，即 Da = x, x 存在一个关于 D 的稀疏表示。反过来现在已知前面的 D 和 x，根据 L0 的优化问题，可以归纳为：

 的解是唯一的吗？

显然不一定。比如， D 中某些 atoms 恰好相等，或者 column1 = column2 + column3, 以前由 column2 和 column3 现在只用 column1 表示即可。当然也有正面的例子，比如 DCT 变换, 基向量完全正交，解是唯一的。这与 D 中 atoms 的不相关性和数目 K 有关。

 

2. Sparse Coding

和上面一样，现有字典 D 和带有噪声的信号 y，进行稀疏编码的问题可以表示的 L0 优化问题：

这是一个组合优化问题。假设 alpha 的非零项数目为 L (sparse Level)， 先令 L = 1, 每一个列向量尝试一遍，看看是否又满足条件的，共有 K 种组合。如果没有，再令 L = 2, 再次尝试，共有 K(K-1)/2 中组合。还没有满足条件的，则令 L = 3......组合的数目呈指数增长，这是一个 NP-hard 的问题。 实际应用中的 K = 1000, L = 10, 要穷尽所有的排列组合大概需要计算几百万年，因此要采用近似算法, 目前主要有 relaxation methods 和 greedy methods。

1. Relaxation Methods - the Basis Pursuit (BP)
   我们知道， L0 norm 可以数出向量中非零 entries 的数目，具有很好的现实意义，但是由于它数学特性（求导等）极差，非常不适合作为一个优化模型中目标函数。在线性分类器中，你可以把误分点的数目作为目标函数，但是没法优化，所以，我们看到的线性分类器的的目标函数一般是 L1 norm（感知器算法）， L2 norm（LMS 算法和最小二乘法）以及最大熵（Logistic Regresson）等，也能达到比较好的效果。在上一篇博客中，可以看到 L1 是菱形， L2 是球体，L1 具有更好的稀疏性(解更靠近坐标轴)，所以我们采用松弛方法将 L0 norm 转换为 L1 norm：

   
   虽然我们把 count number 变成了 count the magnitude， 但是在某些条件下，上式的解与松弛之前的解等价。上述方法也叫 BP，新定义的问题是一个凸优化问题，解决的方法很多，有 Interior Point methods, Sequential shrinkage for union of ortho-bases, Iterative shrinkage 等。

    

2. Greedy Methods - Matching Pursuit (MP)
   第一步，找到最接近(平行) y 的 atom， 等效与在 alpha 向量上仅取一个非零项，求出最接近的 atom， 保留下来
   第二步，计算误差是否满足要求，如果满足，算法停止，否则，计算出残差信号，和第一步类似，找到最接近残差向量的 atom， 保留下来
   第三步，调整已选向量的系数，使得 Da 最接近 y，重复第二步 (OMP, Orthogonal Matching Pursuit)

总结一下解决这个问题的算法有：

 

3. Dictionary Learning - K-SVD

字典学习的一个假设是——字典对于一张 good-behaved 的图像具有稀疏表示。因此，选择字典的原则就有能够稀疏地表达信号。有两种方法来设计字典，一种是从已知的变换基中选择，或者可以称为 beyond wavelet 变换，比如 DCT 实际上就是一个稀疏表示（高频部分系数趋向于 0），这种方法很通用，但是不能够 adapted to the signal。第二种方法是字典学习，即通过已有的大量图片数据进行训练和学习。

比如，现在有 P 个信号（张图片）要进行稀疏表示，如何学习一个字典？

上式字典矩阵 D 和 alpha 组成的稀疏表示 A 矩阵都是可变量，目前有几种算法解决这个问题，下面介绍 K-SVD 算法（K-Means的一种变种），idea 非常简单。假设现在有原始信号矩阵 X^T, 该矩阵的每一行表示一个信号或者一张图片， D 矩阵是字典矩阵，右下方是 sparse coding 矩阵，红色的点表示非零项：

算法步骤如下：

 

Step 1: Initialize。在 X^T 矩阵中随机挑选一些行向量(一些原图），填满矩阵 D。（ K-means 随机选点初始化) 

Step 2: Sparse Coding. 用上一小节的方法（松弛或者贪婪法）进行稀疏编码，Row-by-Row 计算出稀疏矩阵。

Step 3: Dictionary Update. 字典以列向量为基，自然要 Column-by-Column 地更新字典。比如现在更新某一列, 下方对应的红点，根据红点找到对应的信号（图像），然后除掉其他不相关的图像，得到示意图如下：

上图中字典的 atom 对四张图片都有贡献，我们调整 atom 的目的是使得这个贡献更大，从而使稀疏性表示效果更好。当然，一个 atom 只能表示一条直线，三张图片的信号极有可能不在这条直线上，我们要做的是将中间的误差降到最小，这其实就是一个最小二乘（MSE）的问题。具体做法是将最右下角的矩阵进行 SVD 分解(SVD 相关知识可参考之前我写的博客)，找出主成分，然后回到 Step2, 迭代。