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[学位]

稀疏表示与矩阵低秩分解的相关算法研究

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Author:

刘子胜 (刘子胜.)

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学位论文库

Abstract:

从信号采样的角度出发, 压缩感知有效地揭示了信号的本质特征, 根据信号的可压缩性, 压缩感知又称稀疏表示, 并且稀疏表示理论及模型已经成功地应用于信号及图像处理领域. 稀疏表示的思想是用尽可能简洁的方式表示信号, 即大部分原子系数为零, 只有很少的非零大系数. 由于大的非零系数揭示了信号或图像的内在结构与本质属性, 因此信号或图像的稀疏表示能够有效地提取其本质的特征, 从而有利于后续的信号或图像的可压缩处理. 最近, 针对稀疏表示模型, 学者们又提出了余稀疏分析模型(Cosparse analysis model). 可以说这两个模型是一种互补关系, 稀疏表示模型的侧重点是稀疏表示向量 x 中的非零元, 而余稀疏分析模型通过一个预先设定的分析算子Ω 对向量 x 进行分析之后, 将重点放在了分析表示向量 Ωx 中的零元上. 经过分析发现余稀疏分析模型的零元个数的可选范围要比稀疏表示模型的零元个数的可选范围大.
       与压缩感知紧密相连的另一问题是矩阵低秩分解问题. 从本质上讲, 矩阵低秩分解是压缩感知的延拓和推广. 在大数据时代, 很多数据的主要成分隐藏在低维空间中, 而这些主要成分往往会受到稀疏噪声的干扰, 因此研究矩阵低秩分解问题是非常有意义的. 本文主要围绕余稀疏分析模型及矩阵低秩分解问题进行了深入和系统地研究, 取得的主要研究成果包括 * :
一、对于余稀疏分析模型, 本文基于贪婪分析追踪算法 (GAP), 通过构造自适应权矩阵 W, 提出了求解余稀疏分析模型的 ℓp 加权松弛方法. 由于贪婪方法与松弛方法之间存在非凸与凸之间的间隙, 本文利用加权矩阵成功地填补了这一空隙. 理论上, 基于受限等距性质 (RIP), 我们给出了噪声环境下余稀疏分析模型的误差上界. 实验结果表明我们的方法在重构余稀疏信号时表现地更快更高效.
二、在酉不变范数意义下, 本文研究了矩阵低秩逼近的扰动理论. 假设矩阵 A 为观测数据矩阵 D 的一个低秩逼近, E 为扰动矩阵, 本文根据著名的矩阵广义逆分解(D†−A†), 利用矩阵的相关投影性质, 分别给出了不同情况下矩阵低秩逼近 (D−A) 的误差下界. 当扰动项 E 为稀疏矩阵时, 本文通过实验验证了所给的理论结果.
三、本文基于受限等距性质 (RIP), 给出了理想情况下稀疏矩阵精确重构的充分条件; 对于噪声环境下矩阵的稀疏逼近问题, 本文分析了矩阵稀疏逼近的鲁棒性, 给出了逼近误差上界, 并通过数值实验验证了我们的结论的正确性; 此外, 本文还考虑了矩阵低秩稀疏分解的鲁棒主成分分析 (RPCA) 模型, 并根据线性约束凸优化问题的可分离性, 提出了不同于其他方法的可分离替代函数法 (SSF). 基于此方法, 本文设计了两种迭代格式: 临近点迭代阈值 (PPIT) 算法和基于非精确增广拉格朗日乘子 (IALM) 法的SSF-IALM 算法, 并从理论上给出了算法的收敛性分析. 我们对构造的随机数据和太空图像矩阵以及标准灰度图像矩阵进行了测试, 实验模拟表明了所提算法的可行性和有效性.
四、由于 SVD 分解比较耗时, 因此本文利用矩阵的满秩分解性质来刻画矩阵的低秩属性, 提出了矩阵的稀疏低秩因子分解模型 (SLRF), 并通过理论证明了这两个模型的等价性. 基于SLRF 模型, 本文设计了两种求解矩阵稀疏低秩分解的算法: 惩罚函数法 (PFM) 和增广拉格朗日乘子法 (ALMM). 理论上, 本文给出了算法的收敛性分析;随机数据实验结果表明 SLRF 方法优于 RPCA 方法. 将所提的方法应用于机场大厅视频监督的背景建模之中, 实验结果表明本文的方法可以有效地将视频中不动地背景 (低
秩部分) 和移动地前景 (稀疏部分) 分离出来.

Keyword:

矩阵低秩分解 鲁棒主成分分析 误差估计 稀疏表示 余稀疏分析模型

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学数学与统计学院

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Basic Info :

Degree: 博士

Mentor: 李继成

Year: 2018

Language: Other

Cited Count:

WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 8

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