稀疏编码 Optimization with sparse inducingnorms
大规模稀疏数据处理方法

大规模稀疏数据处理方法近年来,随着互联网技术的快速发展和应用,大规模稀疏数据的处理变得越来越重要。
在机器学习、数据挖掘和人工智能等领域中,稀疏数据处理是一项关键技术,因为这些领域中的大部分数据都呈现出高维度和稀疏性的特点。
本文将介绍一些常用的大规模稀疏数据处理方法,包括特征选择、稀疏编码和稀疏矩阵运算等。
一、特征选择特征选择是大规模稀疏数据处理的第一步。
由于稀疏数据集中只有少数几个特征对结果有重要影响,因此通过选择相关性较高的特征,可以降低计算复杂度,并且提高模型的准确性。
常用的特征选择方法包括过滤法、包装法和嵌入法。
过滤法是根据特征和目标变量之间的相关性进行筛选,常用的指标包括皮尔逊相关系数和卡方检验等。
包装法是将特征选择过程看作是一个搜索问题,通过评估不同特征子集来选择最佳的特征组合。
嵌入法是在模型训练的过程中通过正则化方法进行特征选择,常用的方法有L1范数正则化和决策树剪枝等。
二、稀疏编码稀疏编码是一种常用的数据降维技术,通过将高维度的稀疏数据映射到低维度的稠密空间中,从而减少数据的冗余性。
稀疏编码的目标是找到一组基向量,使得原始数据在这组基向量上的表示尽可能稀疏。
常用的稀疏编码算法包括奇异值分解(SVD)、主成分分析(PCA)和字典学习等。
奇异值分解是一种线性代数的技术,可以将一个矩阵分解为三个矩阵的乘积,分别表示原始数据的特征向量、特征值和特征矩阵。
主成分分析是一种统计学的技术,用于找到数据中最重要的成分。
字典学习是一种无监督学习的方法,通过学习一个字典,将原始数据表示为该字典的线性组合。
三、稀疏矩阵运算在大规模稀疏数据处理中,由于数据的稀疏性,传统的矩阵运算方法效率低下。
因此,针对稀疏矩阵的特点,提出了一些高效的矩阵运算方法,包括CSR格式、CSC格式和压缩感知等。
CSR格式(Compressed Sparse Row)是一种常用的稀疏矩阵存储格式,它将矩阵的非零元素按行存储,并且记录每行非零元素在矩阵中的位置和值。
稀疏自编码数据融合算法

稀疏自编码器(Sparse Auto-Encoder,SAE)是一种深度学习算法,它可以通过学习数据的有用特征来对数据进行降维和重建。
在数据融合方面,稀疏自编码器可以有效地提取数据中的隐含特征,并与其他辅助信息进行融合,从而提高推荐的准确性和精度。
一个典型的稀疏自编码器包括一个编码器和一个解码器。
编码器负责从输入数据中学习隐含特征,解码器则负责根据学习到的隐含特征重建输入数据。
在训练过程中,稀疏自编码器通过优化损失函数(如均方误差)来学习数据的有用特征。
在数据融合算法中,稀疏自编码器可以与其他算法(如关联规则挖掘、聚类等)相结合。
以关联规则挖掘为例,可以利用稀疏自编码器学习数据中的关联规则,并将学习到的规则与其他辅助信息(如用户评分、评论等)进行融合,从而提高推荐的准确性。
此外,稀疏自编码器还可以与其他聚类算法(如K-means、DBSCAN等)相结合,通过学习数据的隐含特征来提高聚类的性能。
具体而言,首先使用稀疏自编码器学习数据的有用特征,然后将这些特征作为输入进行聚类分析。
实验结果表明,与传统的聚类算法相比,稀疏自编码器与其他聚类算法的结合可以获得更好的聚类效果。
稀疏表示

( x x0 ) cos ( y y0 ) sin x
( x x0 ) sin ( y y0 ) cos y
Gabor函数
1、对X基于字典D稀疏表示结果α进行一些处理: 空间金字塔的引入&最大池输出方法
2、加入监督学习的字典训练
这里的字典学习的目的是为了分类,已知一组训练样本, 其label也人工给定,首先我们需要训练字典。在基于学习 的方法中我们给定了一个目标函数:
min || D - X || || ||1
3、1996年,B.A.Olshausen和D.J.Field在Nature上发表了一篇 题为“Emergence of simple-cell receptive field properties by learning a sparse code for nature images”的重要论文,他们的 实验结果表示人类视觉系统只997年,这两位又提出了超完备基的 稀疏编码算法。
基于参数化的方法,介绍怎么样利用Gabor函数来生成 原子构成字典: 人类的视觉系统能够自适应于自然环境中输入刺激的统 计特性,视觉皮层中的大部分神经元只对特定的刺激才具有 最优响应,通过视觉皮层中不同感受野的神经元的层次处理 实现了对于自然图像的稀疏编码。人类神经元对于外部刺激 的响应特性如下图:
在上面的Gabor函数中有七个参数,根据参数化的方法来 构造字典。
尺度不变,方向改变
方 向 不 变, 尺 度 改 变
上面的那张图,只是涉及到尺度和方向的变化,在 Gabor函数中是有7个参数的,对这7个参数在一定参数范 围内进行冗余采样,这样就会生成一地数量的原子构成冗 余的Gabor字典。 字典构造完成,接下来进行稀疏分解。贪婪算法中的 MP是一种迭代的递归算法,每一步从字典D中选择一个 与残差信号 r (初始为原始图像)最匹配的原子,每一步 都使得信号的逼近更为优化。
基于弹性网和直方图相交的非负局部稀疏编码

DOI: 10. 11772 / j. issn. 1001-9081. 2018071483
基于弹性网和直方图相交的非负局部稀疏编码
*பைடு நூலகம்
万 源,张景会 ,陈治平,孟晓静
( 武汉理工大学 理学院,武汉 430070) ( * 通信作者电子邮箱 Jingzhang@ whut. edu. cn)
摘 要: 针对稀疏编码模型在字典基的选择时忽略了群效应,且欧氏距离不能有效度量特征与字典基之间距离 的问题,提出基于弹性网和直方图相交的非负局部稀疏编码方法( EH-NLSC) 。首先,在优化函数中引入弹性网模型, 消除字典基选择数目的限制,能够选择多组相关特征而排除冗余特征,提高了编码的判别性和有效性。然后,在局部 性约束中引入直方图相交,重新定义特征与字典基之间的距离,确保相似的特征可以共享其局部的基。最后采用多 类线性支持向量机进行分类。在 4 个公共数据集上的实验结果表明,与局部线性约束的编码算法( LLC) 和基于非负 弹性网的稀疏编码算法( NENSC) 相比,EH-NLSC 的分类准确率分别平均提升了 10 个百分点和 9 个百分点,充分体现 了其在图像表示和分类中的有效性。
Key words: sparse coding; elastic net model; locality; histogram intersection; image classification
0 引言
图像分类是计算机视觉领域的一个重要研究方向,广泛 应用于生物特征识别、网络图像检索和机器人视觉等领域,其 关键在于如何提取特征对图像有效表示。稀疏编码是图像特 征表示 的 有 效 方 法。考 虑 到 词 袋 ( Bag of Words,BoW) 模 型[1]和空 间 金 字 塔 匹 配 ( Spatial Pyramid Matching,SPM) 模 型[2]容易造成量化误差,Yang 等[3] 结合 SPM 模型提出利用 稀疏编 码 的 空 间 金 字 塔 的 图 像 分 类 算 法 ( Spatial Pyramid Matching using Sparse Coding,ScSPM) ,在图像的不同尺度上 进行稀疏编码,取得了较好的分类效果。在稀疏编码模型中, 由于 1 范数在字典基选择时只考虑稀疏性而忽略了群体效 应,Zou 等[4]提出一种新的正则化方法,将弹性网作为正则项 和变量选择方法。Zhang 等[5]提出判别式弹性网正则化线性
稀疏编码与自然语言处理的跨界创新探索

稀疏编码与自然语言处理的跨界创新探索自然语言处理(Natural Language Processing,NLP)是人工智能领域中的一个重要分支,旨在让机器能够理解、处理和生成自然语言。
而稀疏编码(Sparse Coding)则是一种信号处理技术,用于在高维数据中找到最少的重要特征表示。
这两个看似不相关的领域,却在跨界创新中产生了令人惊喜的结果。
在传统的自然语言处理中,常常需要对文本进行向量化表示,以便于机器进行处理。
一种常见的方法是使用词袋模型(Bag of Words),将每个词语表示为一个独立的特征。
然而,这种表示方法存在一个严重的问题,即高维稀疏性。
在大规模文本数据中,绝大部分特征都是零值,这导致了计算和存储的浪费。
为了解决这个问题,研究者们开始探索将稀疏编码技术应用于自然语言处理中。
稀疏编码通过学习一个稀疏的特征表示,能够更好地捕捉到数据的本质特征。
在自然语言处理中,这种技术可以用于降低维度,提取关键特征,从而提高模型的性能。
例如,在文本分类任务中,传统的方法往往使用词频作为特征表示。
然而,这种方法无法捕捉到词语之间的语义关系。
而利用稀疏编码技术,可以将每个词语表示为一个稀疏向量,其中非零元素表示该词语在文本中的重要性。
这样一来,模型就能更好地理解文本中的语义信息,从而提高分类的准确性。
除了文本分类,稀疏编码还可以应用于文本生成、机器翻译等任务中。
在文本生成任务中,稀疏编码可以用于生成高质量的文本摘要。
通过学习一个稀疏的特征表示,模型可以更好地理解文本的重要信息,从而生成更加准确、简洁的摘要。
在机器翻译任务中,稀疏编码可以用于提取句子的关键特征,从而提高翻译的质量和准确性。
除了在自然语言处理中的应用,稀疏编码还可以与其他领域进行跨界创新。
例如,在图像处理中,稀疏编码可以用于图像压缩和图像恢复。
通过学习一个稀疏的特征表示,模型可以更好地捕捉到图像的本质特征,从而实现更高效的图像压缩和更准确的图像恢复。
deeplearning论文笔记之(二)sparsefiltering稀疏滤波

Deep Learning论文笔记之(二)Sparse Filtering稀疏滤波Deep Learning论文笔记之(二)Sparse Filtering稀疏滤波zouxy09@/zouxy09 自己平时看了一些论文,但老感觉看完过后就会慢慢的淡忘,某一天重新拾起来的时候又好像没有看过一样。
所以想习惯地把一些感觉有用的论文中的知识点总结整理一下,一方面在整理过程中,自己的理解也会更深,另一方面也方便未来自己的勘察。
更好的还可以放到博客上面与大家交流。
因为基础有限,所以对论文的一些理解可能不太正确,还望大家不吝指正交流,谢谢。
本文的论文来自:Sparse filtering , J. Ngiam, P. Koh, Z. Chen, S. Bhaskar, A.Y. Ng.NIPS2011。
在其论文的支撑材料中有相应的Matlab代码,代码很简介。
不过我还没读。
下面是自己对其中的一些知识点的理解:《Sparse Filtering》本文还是聚焦在非监督学习Unsupervised feature learning算法。
因为一般的非监督算法需要调整很多额外的参数hyperparameter。
本文提出一个简单的算法:sparse filtering。
它只有一个hyperparameter(需要学习的特征数目)需要调整。
但它很有效。
与其他的特征学习方法不同,sparse filtering并没有明确的构建输入数据的分布的模型。
它只优化一个简单的代价函数(L2范数稀疏约束的特征),优化过程可以通过几行简单的Matlab代码就可以实现。
而且,sparse filtering可以轻松有效的处理高维的输入,并能拓展为多层堆叠。
sparse filtering方法的核心思想就是避免对数据分布的显式建模,而是优化特征分布的稀疏性从而得到好的特征表达。
一、非监督特征学习一般来说,大部分的特征学习方法都是试图去建模给定训练数据的真实分布。
稀疏自编码器的作用

稀疏自编码器的作用稀疏自编码器(sparse autoencoder)是一种神经网络模型,它可以用以学习数据的特征表示。
在深度学习领域中被广泛应用。
稀疏自编码器之所以“稀疏”,是因为它能够产生稀疏编码。
此外,稀疏自编码器还有一些其他的特征和用途,下面就来介绍一下。
作为一种监督学习方法,自编码器是一类用于学习输入数据的基础特征表示的算法。
稀疏自编码器则是自编码器的一种变体,它还可以实现对输入数据的降维。
与普通自编码器不同的是,稀疏自编码器在学习基础特征表示的同时,还可以产生稀疏的编码。
首先来说一下稀疏自编码器的降维作用。
在数据挖掘领域,降维是一项重要的任务,可以帮助我们发现数据中的规律性和特征,快速准确地判断数据所属的分类。
稀疏自编码器可以通过学习有效的基础特征表示来实现降维。
它采用了一种“压缩”原始数据的方式,将数据压缩到较小的维度空间中,同时能够尽可能地保留原始数据的信息。
这样一来,我们可以更加方便地观察和分析数据,同时也可以避免过拟合的情况出现。
其次,稀疏自编码器能够产生稀疏编码。
稀疏编码指的是将大量的输入数据通过相对较小的编码进行表示。
相较于一般的编码方法,稀疏编码可以帮助我们更好地理解数据,并更好地挖掘其中所包含的特征和规律,逐渐学习到数据的内在结构。
稀疏自编码器通过引入稀疏性的约束,来实现产生稀疏编码。
具体而言,它引入了一个稀疏性约束条件,在训练过程中对编码进行限制,使得网络产生的编码更加稀疏。
而这种稀疏的编码可以对于输入的数据进行更加准确的分类,具有更好的泛化性能。
另外,稀疏自编码器还具有去噪的作用。
许多真实世界中的数据都含有一些噪声,这些噪声可能会干扰我们对数据的理解和分类。
利用去噪自编码器的方法,可以在训练过程中通过对源数据进行噪声干扰,来训练出适应性更强的网络,从而更好地去除噪声。
稀疏自编码器同样也能够实现去噪,因为它在训练过程中将得到噪声分布下的样本,因此同样可以学习到充分抗噪的特征表达。
sparsecodingsr流程

sparsecodingsr流程英文版Sparse Coding SR (Super-Resolution) ProcessIn the realm of computer vision and image processing, sparse coding has emerged as a powerful tool for enhancing image quality. Among its many applications, sparse coding has been particularly effective in super-resolution (SR) techniques, where it aims to reconstruct high-resolution images from their low-resolution counterparts. This article outlines the basic steps involved in the sparse coding SR process.1. Understanding Sparse CodingSparse coding is a form of dimensionality reduction where a signal is represented as a linear combination of a small number of elements from a larger dictionary of elements. In the context of images, this dictionary typically consists of image patches or features. The sparsity constraint ensures that only a few of thesepatches contribute significantly to the reconstruction of the original image.2. Preparing the Low-Resolution ImageBefore applying sparse coding for SR, the low-resolution image must be preprocessed. This involves scaling the image to the desired size and potentially applying other image enhancement techniques such as denoising or contrast enhancement.3. Constructing the DictionaryThe next step is to construct a dictionary of high-resolution image patches. These patches are typically extracted from a large collection of high-resolution images or can be learned through an optimization process. The goal is to have a diverse set of patches that can effectively represent a wide range of textures and features.4. Sparse CodingWith the dictionary in place, the low-resolution image is divided into overlapping patches. Each patch is thenrepresented as a sparse combination of patches from the dictionary. This sparse representation is obtained by solving an optimization problem that minimizes the reconstruction error while enforcing sparsity.5. Reconstruction of High-Resolution PatchesUsing the sparse codes obtained in the previous step, high-resolution patches are reconstructed. This is done by mapping the sparse codes back to the dictionary and retrieving the corresponding high-resolution patches.6. Merging the High-Resolution PatchesThe reconstructed high-resolution patches are then merged to form a complete high-resolution image. This merging process requires careful handling to avoid artifacts and ensure smooth transitions between patches.7. Post-Processing and EnhancementFinally, the reconstructed high-resolution image may undergo further post-processing steps such as sharpening,color correction, or noise reduction to further enhance its quality.ConclusionThe sparse coding SR process is an effective way to improve image quality by leveraging the sparse representation of signals. By carefully constructing a dictionary, sparse coding, and reconstructing high-resolution patches, this method enables the reconstruction of high-quality images from their low-resolution counterparts.中文版稀疏编码SR(超分辨率)流程在计算机视觉和图像处理领域,稀疏编码作为一种强大的工具,对提升图像质量有着显著效果。
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if x ≥ λ |x| ≤ λ if x ≤ −λ
(10)
(11)
April 11, 2013 13 / 21
Coordinate Descent for the Lasso
The objective function:
1 min f (w) = (y − β 2
Optimization with Sparse Inducing Norms
Yang Liu
Zhejiang University Digital Computing & Design Lab liuy@
April 11, 2013
Yang Liu (ZJU)
Sparse Optimization
Yang Liu (ZJU) Sparse Optimization April 11, 2013 3 / 21
Improving Least Squares
Some improvements on Least Squares: Prediction accuracy: Shrinkage
Ridge Regression: minw Other loss function All Subsets Forward Selection
−
j =1
− 2 xij wj ))
(3)
The Lagrangian is:
n p p + xij wj − j =1 j =1 p − 2 xij wj )) + λ j =1 p + λ+ j wj j =1
Yang Liu (ZJU) Sparse Optimization
p − + ) ( wj + wj
Step 4: If a non-zero coefficient hits zero, drop its variable from the active set of variables and recompute the current joint least squares direction. It is also called homotopy algorithm.
April 11, 2013
1 / 21
Outline
1 2 3 4 5 6
Least Square Regression LASSO and LARS Bayes Point of View Coordinate Descend Algorithms Proximal Methods Conclusion
0
2
3 4
OMP solves a
regularized regression problem: minw y − Xw
2 2,
s.t.
w0≤λ源自(1)Yang Liu (ZJU)
Sparse Optimization
April 11, 2013
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Least Angle Regression
Yang Liu (ZJU)
Sparse Optimization
April 11, 2013
6 / 21
LASSO
LASSO: Least Absolute Shrinkage and Selection Operator
minw y − Xw
2 2
+λ
w
1
(2)
Least Angle Regression: Lasso Modification
Algorithm 1 pseudocode for Least Angle Regressiont 1: Standardize the predictors to have mean zero and unit norm. Start with the residual r = y − y ¯, w1 , w2 , . . . , wp = 0. 2: Find the predictor xj most correlated with r . 3: Move wj from 0 towards its least-squares coefficient < xj , r >, until some other competitor xk has as much correlation with the current residual as does xj . 4: Move wj and wk in the direction defined by their joint least squares coefficient of the current residual on (xj , xk ), until some other competitor xl has as much correlation with the current residual. 5: Continue in this way until all p predictors have been entered. After min(N − 1, p) steps, we arrive at the full least-squares solution.
Yang Liu (ZJU) Sparse Optimization April 11, 2013 7 / 21
Sparse Coding and Dictionary Learning
The objective function
n
argmin :
{yi }n i=1 ,D i=1
xi − Dyi dj
Yang Liu (ZJU)
Sparse Optimization
April 11, 2013
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Soft-thresholding operator
Let’s begin with the easiest problem: 1 minw (x − w)2 + λ|w|2 2 2
(7)
How about
Two reasons make us not satisfied with the least squares estimates: Prediction accuracy: the least squares estimates often have low bias but large variance. Interpretation: with a large number of predictors, we often would like to determine a smaller subset that exhibit the strongest effects.
KKT conditions for LASSO
Let w = w+ − w− , Lasso problem becomes:
n p p + xij wj j =1 p + − s.t. wj ≥ 0, wj ≥ 0, j =1 + − (wj + wj )≤s
minw+ ,w−
i=1
(yi − (
April 11, 2013
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Orthogonal Matching Pursuit
Orthogonal Matching Pursuit: Forward stepwise selection
1
Initialize the residual r0 = y and initialize the set of selected variales X (c0 ) = ∅. Let t = 1. Find the variable Xt1 that solves the maximization problem: Tr maxt Xt and add the variable Xti to the set of selected i− 1 variables. Update ci = ci−1 ∪ {ti }. Let Pi = X (ci )(X (ci )T X (ci ))−1 X (ci )T If the stopping condition is achieved, stop the algorithm. Otherwise, set i = i + 1 and return to Step 2.
step-wise (MP, OMP) stage-wise
y − Xw
2 2
+λ
w
2 2
Interpretation: Subset Selection
Backward Selection
Least Angle Regression LASSO
Yang Liu (ZJU)
Sparse Optimization
2 Define f (w) = 1 2 (x − w ) + λ|w |1 , we have:
∂f (w) = x − w + λ sign(w) ∗ |z | ∂w where |z | ≤ 1. Set
∂f (w) ∂w
(9)
= 0, we have:
x − λ, ∗ w = 0, if x + λ, For similicity, Eq. (10) can also be written as wj = sign(x)(x − λ)+
xT j (y − Xw ) = λ sign(wj ) and |xT j (y − Xw )| ≤ λ
Yang Liu (ZJU) Sparse Optimization April 11, 2013
(5)
(6)
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Bayes Inference