模式识别-第9章 核方法概要
i 1
S 的最优插值
如果 Xt X 可逆 w (Xt X)1 Xty
w (Xt X)(Xt X)2 Xty Xt
yi
i
xi
=
i1
i
xi
训练点的线性组合
如果 Xt X 不可逆:伪逆——岭回归
9.1核方法概述——岭回归
如果 Xt X 不可逆:数据不够,或存在噪声 ——没有足够信息,精确指明解法(不适定ill-posed)
L(w, S) 2Xty 2Xt Xw 0 w Xt Xw Xty
如果 Xt X 可逆 w (Xt X)1 Xty
9.1核方法概述——线性回归
• 给定n维空间中训练集合 S (x1, y1), ,(x , y ) ,寻
n
找齐次线性函数 g(x) w, x wtx wi xi 使其为
9.1核方法概述——核函数举例
考虑一个 n 维输入空间 X n ,那么函数 (x, z) x, z 2
是一个核函数,对应的特征映射为:
: x (x1, x2 )
因为:
(x) (xi x j )in, j1 F 3
(x), (z) (xi x j )in, j1, (zi z j )in, j1
n
n
n
xi x j zi z j xi zi x j z j x, z 2
i, j1
i1
j 1
9 模式识别中的核方法
• 9.1核方法概述 • 9.2核方法基础 • 9.3凸优化与SVM
核矩阵
考虑 l 个训练样本在 N 维特征空间中映射,记为 l × N 矩阵
X (x1), ,(xl )t
称 G XXt ,Gi, j xi ,x j 为Gram 矩阵 ki xi , x
g(x) w, x ixi , x i xi , x iki
i1
i1
i1
g(x) α,k yt G I 1 k
G:训练点对间的内积
k:训练点和测试点之间的内积
9.1核方法概述——核函数
数据 核函数
核矩阵
PA算法
模式函数
• 核方法的4个关键:
– 数据嵌入特征空间
从基于线性函数类的模式 中抽取出来的模式函数
– 在特征空间中寻找线性模式
– 在嵌入空间中,不需要计算点的坐标,只用两两内积
– 利用核函数,可以直接从初始数据高效地计算内积。
9.1核方法概述——线性回归
• 给定n维空间中训练集合 S (x1, y1), ,(x , y ) ,寻
跳过显式计算 (xi ) 直接计算 (xi ),(x) ——核函数: 核(kernel)是一个函数 ( , ),对于所有 x, z X 满足:
(x,z) (x),(z)
其中 是从 X 到(内积)特征空间 F 的一个映射 :指至数无维限,维甚特
: x (x) F
征空间。
9.1核方法概述——核函数举例
考虑一个二维输入空间 X 2 同时考虑特征映射:
: x (x1, x2 ) (x) (x12, x22, 2x1x2 ) F 3
那么,F中的线性函数为:
g(x) w11x12 w22 x12 w12 2x1x2
将特征空间中的线性 关系与输入空间中的 二次关系相对应:
(x, z) (x),(z) (x12, x22, 2x1x2 ),(z12, z22, 2z1z2 )
称与之相关的L × L Gram矩阵为核矩阵 ,其元素为
Kij (xi ),(x j ) (xi , x j )
核矩阵可写作:
K XXt
基本运算
• 如Байду номын сангаас 1,2是核,B是一个半正定矩阵,p( x )是一
个正系数多项式,那么下面都是核:
(x,z) 1(x,z) 2 (x,z) (x,z) p1(x,z)
考虑一个嵌入映射 : x n (x) F N
将 x n 上的非线性关系转化为 N 高维空间上的线性关系
f (x, y) y g(x) y w,(x)
直接法:N 很大时,w (Xt X)1Xty 解N × N 的方程组代价过大 对偶法:需要的所有信息为特征空间 F 中的内积
Gi, j (xi ),(x j ) ki (xi ),(x)
g(x) w,x ytX
XtX In
1
x
9.1核方法概述——对偶岭回归
L(w, S) 2Xty 2Xt Xw 2w 0
w
训练点的线性组合
w 1Xt (y Xw) Xtα
α :对偶变量
α 1(y Xw)
α (y Xw)
α (y XXtα)
α (XXt I )1y
(x,z) 1(x, z) (x, z) 1(x, z)2 (x, z) (x, z) xt Bx
(x,z) exp1(x,z)
第9章 模式识别中的核方法
9 模式识别中的核方法
• 9.1核方法概述 • 9.2核方法基础 • 9.3凸优化与SVM
9.1核方法概述
• 模式识别的核方法:
– 首先把数据嵌入到合适的特征空间 – 然后采用基于线性代数、几何、统计学算法,
发现嵌入数据的模式
9.1核方法概述
k(x, z)
K
A
ik(xi , z)
x12 z12 x22z12 2x1x2z1z2 x1z1 x2z2 2 x, z 2
不用显式计算特征空 直接计算特征空间中 特征空间并不由核
间中的坐标
的内积
函数唯一确定
(x, z) x, z 2 也可计算如下映射空间的内积
: x (x1, x2 ) (x) (x12, x22, x1x2, x2x1) F 4
添加某种条件(或偏置),限制函数的选择(正则化)
L(w, S) 2 w 2
选择范数较小的w
2
范数与损失之间的相对权衡
L(w, S) 2Xty 2Xt Xw 2w 0
w
Xt X In w Xty In 是一个 n 阶单位阵, 0 时总可逆
w Xt X In 1 Xty
n
找齐次线性函数 g(x) w, x wtx wi xi 使其为
i 1
S 的最优插值
令 X (x1t , , xtl ), y ( y1, , yl )t
y g(x) w, x y Xw
yi
i
xi
通过给定的n维点,拟 合一个超平面
L(w, S) 2 (y Xw)t (y Xw) 2
[数学]模式识别方法总结
假定有m个类别ω1, ω2, …, ωm的模式识别问题,
每类有Ni(i=1, 2, …, m)个样本, 规定类ωi的判别函数
为
gi (x) min x xik
i
k 1, 2,
, Ni
其中, xki表示第i类的第k个元素。 判决准则: gi (x) ,则x∈ω 若 g j (x) i min j 1,2, , m
定义Fisher线性判决函数为
( 1 2 )2 J F (w ) S1 S2
分子反映了映射后两类中心的距离平方,
该值越大, 类间可
分性越好;
分母反映了两类的类内离散度,
从总体上来讲,
其值越小越好;
JF(w)的值越大越好。 使JF(w)达到最大值的w即为最
在这种可分性评价标准下,
如果P(ω1|x)<P(ω2|x), 则判决x属于ω2;
如果P(ω1|x)=P(ω2|x), 则判决x属于ω1或属于ω2。
这种决策称为最大后验概率判决准则, 也称为贝叶斯 (Bayes)判决准则。 假设已知P(ωi)和p(x|ωi)(i=1, 2, …, m), 最大后验概率判 决准则就是把样本x归入后验概率最大的类别中, 也就是,
0
Sigmoid (a) 取值在(0, 1)内; (b) 取值在(-1, 1)内
神经网络结构 神经网络是由大量的人工神经元广泛互连而成 的网络。 根据网络的拓扑结构不同, 神经网络可分
R( j | x) ( j , i ) P(i | x)
i 1 m
最小风险贝叶斯判决准则: 如果
R( k | x) min R( j | x)
j 1, 2 ,, m
模式识别 总结
2.3 聚类算法
(一)简单聚类 最邻近规则试探法 给定阀值T,聚类到zl (二)层次聚类 初始每个样本点为一类(N类),将类间距离最小者 合并为一类,逐级进行。 类间距离可用:最小、最大、中间、重心、平均距离 等。
(三)动态聚类算法
C-均值算法(适用于团状分布的情况) c 0, zi (1) xi1 , i 1, 2,..., c;
1 z j (k ) Nj
x
i 1
Nj
( j) i
, N N j,
重新聚类
j1
c
x
( j) i
j
ISODATA算法 c(预期类数),Nc(初始类心个数),N(各类最小样本数), s(类中样本特征分量标准差上限), jmax, D(聚合中心最小间距),L,I
C-均值算法性能
i j
⑶ 没有不确定区的 两分法 i j 令 dij ( x) di ( x) d j ( x) ( w i wj ) x
if
di ( x ) d j ( x ), j i then x i
or if di ( x ) max[d j ( x )] then x i
Fisher准则函数 2 SB (m1 m2 )2 uS Bu J F (u ) 2 2 max 2 sW1 sW2 uSW u SW
(2)Fisher变换
1 SW SBu u
对于两类问题,
u S S 它所对应的本征矢量 称为Fisher
最佳鉴别矢量。 1 u S Fisher变换函数 W (m 1 m2 ) : 1 y (m1 m2 )SW x
最近距离 最远距离 中间距离 重心距离
p 1/2 1/2 1/2 np/(np+nq)
模式识别 张学工
代入正态分布公式,可得
1 ˆ ˆi ) 0 P ( | x , ) i k i i ( xk k 1 N
Xuegong Zhang, Tsinghua University
13
张学工《模式识别》教学课件
即
ˆi
P(
k 1 N k 1
N
i
ˆ i ) xk | xk ,
J e 反映了用 c 个聚类中心代表 c 个样本子集所带来的总的误差平方和。
J e 是样本集 Y 与类别集 的函数。
C 均值算法的目标:最小化 J e
Xuegong Zhang, Tsinghua University
——最小方差划分
19
张学工《模式识别》教学课件
另一种角度来看 C 均值方法: 用 c 个码本来代表整个样本集,使这种表示带来的总体误差最小。 ---- 向量量化 Vector Quantisation 算法研究:
张学工《模式识别》教学课件
问题:
如何选择投影方向? ----- 方差最大的准则有时并不一定最有利于聚类。
Xuegong Zhang, Tsinghua University
5
张学工《模式识别》教学课件
参数化方法
以上介绍方法均属非参数方法,在对数据分布没有先验知识的情况下采用。 如果已知(或可假设)数据分布的概率密度函数的形式,则可采用参数化方法。
18
张学工《模式识别》教学课件
9.4.1
C 均值算法(k 均值,C-means or k-means)
误差平方和聚类准则
Je
i 1
c
y
y mi
2
Ji
i 1
模式识别 模式识别概述
三.关于模式识别的国内、国际学术组织
• 1973年 IEEE发起了第一次关于模式识别 的国际会议“ICPR”,成立了国际模式识 别协会---“IAPR”,每2年召开一次国际学 术会议。 • 1977年 IEEE的计算机学会成立了模式分 析与机器智能(PAMI)委员会,每2年 召开一次模式识别与图象处理学术会议。 • 国内的组织有电子学会,通信学会,自 动化协会,中文信息学会….。
变量 样本 X1 X2 … XN
2018/10/14
x1 X11 X21 … XN1
x2 X12 X22 … XN2
… … … … …
xn X1n X2n … XNn
9
3. 几何表示 一维表示
X1=1.5 X2=3
二维表示
X1=(x1,x2)T=(1,2)T X2=(x1,x2)T=(2,1)T
三维表示
因为x1 , x2 的夹角小,所以x1 , x2 最相似。
2018/10/14 17
⑦ 相关系数
rij
n
ห้องสมุดไป่ตู้
X
n
ki
Xi Xkj Xj
X
k 1
k 1
ki
Xi
X
2 n k 1
kj
Xj
2
Xi, Xj 为xi xj的均值
注意:在求相关系数之前,要将数据标准化
2018/10/14 4
§1-2 模式识别系统
• 信息的获取:是通过传感器,将光或声音等信 息转化为电信息。信息可以是二维的图象如文 字,图象等;可以是一维的波形如声波,心电 图,脑电图;也可以是物理量与逻辑值。 • 预处理:包括A\D,二值化,图象的平滑,变换, 增强,恢复,滤波等, 主要指图象处理。
Chapter9_模式识别
9.1.4 模式识别的应用
模式识别已经在天气预报、卫星航空图片解释、工业产 品检测、字符识别、语音识别、指纹识别、医学图像分析 等许多方面得到了成功的应用。 具体来讲,模式识别在图像处理与分析中的应用可分为 以下几个方面: (1) 字符识别 (2) 生物特征识别 (3) 遥感应用 (4) 医学诊断 (5) 军事侦察
• • • • • 手背血管分布 耳朵轮廓 掌纹 步态 气味
9.2 基于模板匹配的识别技术
9.2.1 模板匹配
根据已知模式到另一幅图中寻找相应模式的处理方法 就叫做模板匹配。
Template
Input scene
一、基于灰度的模板匹配
设图像 f(x,y) 大小为 M×N ,若目标模板是 J×K 大 小的 w(x,y) ,常用相关度量 R(x , y) 来表示它们之间 的相关性:
人工神经网络识别源于对生物神经系统的研究。它将 若干个处理单元(即神经元)通过一定的互连模型连结 成一个网络,这个网络通过一定的机制可以模仿人的 神经系统的动作过程,以达到识别分类的目的。
句法结构模式识别
用简单的基元和结构关系来描述复杂对象
该方法着眼于对识别对象的结构特征的描述,通过考 虑识别对象的各部分之间的联系来达到识别分类的目 的。 将一个待识别对象看成是一个语言结构,例如一个句 子是由单词和标点符号按照一定的语法规则生成的, 同样,一幅图像是由点、线、面等基本元素按照一定 的规则构成的。 模式的相似性由句子的相似性来决定。
选取过程。依据训练样本的特征建立“判别函数”,
进行预分类;再依据预分类结果,调整训练样本,取
得好的分类结果的过程,称为监督分类。
非监督分类 :在没有先验知识的情况下,通常采用 聚类分析方法,基于“物以类聚”的观点,用数学方 法分析各特征向量之间的距离及分散情况。
模式识别 张学工
6.2 决策树与随机森林
6.2.1 非数值特征(nonmetric features)
名义特征(nominal features)
如性别、民族、职业、字符串中的字符、DNA 序列中的核酸类型(A、C、G、T)等
序数特征(ordinal features)
如序号、分级等,是一种数值,有顺序,但不能看作是欧式空间中的数值
改进:
① 减少计算量和存储量 ② 引入拒绝机制 ③ 根据实际问题修正投票方式 如加权投票,否决票等 如距离加权,考虑样本比例及先验概率等
Xuegong Zhang, Tsinghua University
7
张学工《模式识别》教学课件
6.1.3
近邻法的快速算法
需存储所有训练样本 近邻法在计算上的问题: 新样本需与每个样本做比较
基本思路: 考查样本是否为可能的误导样本, 若是则从样本集中去掉——剪辑。 考查方法是通过试分类,认为错分样本为误导样本。
Xuegong Zhang, Tsinghua University
14
张学工《模式识别》教学课件
基本做法: 将样本集分为考试集 X 剪辑:用 X
NR
NT
和参考集 X
NT
NR
:X
2. 若用 k 近邻剪辑,用最近邻分类,则
PkE (e | x)
P (e | x ) P1E (e | x) 2[1 Pk (e | x)]
* 当 k 时 PkE (e) 收敛于 P (N 应更快地趋向
)
E 3. 多类情况,多类剪辑近邻错误率 Pk c (e | x ) 小于两类情况
与研究目标之间呈非线性关系的数值特征
比如年龄、考试成绩、温度等
模式识别导论第9章模式分析的核方法
第9章 模式分析的核方法
定义9.4(核函数矩阵) 给定输入空间的向量集合X={x1,
x2,…,xn},核函数矩阵K被定义为n×n的矩阵,且其矩阵 元素为Kij=〈Φ(xi),Φ(xj)〉=K(xi,xj)。其中,K为核函数。 从定义9.3和9.4中可以看出G和K都是对称矩阵,并且K 是特征空间的Gram 定义9.5 半正定性(连续情况)对于任意的f∈L2(X),如果 对称函数K(xi,xj)使下式成立;
X X
K ( xi , x j ) f ( xi ) f ( x j )dxi dx j 0
(9-5)
则称函数K(xi,xj)
第9章 模式分析的核方法
(离散情况)对于任意的n,任意的样本集x1,x2,…,
xn X Rq 和任意的系数a1,a2,…,an∈R,如果对称 函数K(xi,xj)满足下式;
定义9.2 对于所有的x, z X Rq ,若函数K K(x,z)=〈Φ(x),Φ(z)〉 (9-4)
则称函数K是核函数,其中Φ是从输入空间X到特征空间F的 一个映射(见式(9-1)),〈· ,· 〉 下面给出一个核函数的例子来说明非线性特征映射和核 例9.2 考虑一个二维输入空间 z X Rq ,假设通过特 征映射得到
反过来,假设K满足半正定性质,通过构造希尔伯特空 间内的映射Φ,可使K 实际上,特征空间F可以看成原始向量空间中数据点的 映射的集合{Φ(x1),Φ(x2),…,Φ(xn)},这里令 Φ(xi)=K(xi,· )。根据这些已知的数据,我们可以对整个特征 空间进行预测。给定权系数ai,整个特征空间可以表示为
着我们可以计算两个点在原输入特征空间上的内积,而不用 显式地求出它们在新特征空间F的坐标。此外,〈x,z〉2也 可以是下面给出的四维特征映射
第-9-章光学字符识别技术
第9章光学字符识别技术(上)光学字符识别技术是计算机自动、高速地辨别纸上的文字,并将其转化为可编辑的文本的一项实用技术。
它是新一代计算机智能接口的一个重要组成部分,也是模式识别领域的一个重要分支。
文字识别技术的研究涉及图像处理、人工智能、形式语言、自动机、统计决策理论、模糊数学、信息论、计算机科学、语言文字学等学科,它是介于基础研究和应用研究之间的一门综合性学科。
随着计算机技术的推广应用,尤其是互联网的日益普及,人类越来越多地依赖计算机获得各种信息,大量的信息处理工作也都转移到计算机上进行。
在日常生活和工作中,存在着大量的文字信息处理问题,因而将文字信息快速输入计算机的要求就变得非常迫切。
现代社会的信息量空前丰富,其中绝大部分信息又是以印刷体的形式进行保存和传播的,这使得以键盘输入为主要手段的计算机输入设备变得相形见绌,输入速度低已经成为信息进入计算机系统的主要瓶颈,影响着整个系统的效率。
因此,要求有一种能将文字信息高速、自动地输入计算机的方法。
目前,文字输入方法主要有键盘输入、手写识别、语音输入和机器自动识别输入等。
人工键盘输入方法需要经过一定时间的学习训练才能掌握;手写识别和语音输入虽然简单便捷,但其输入速度不高,对于大量已有的文档资料,采用这些方法要花费大量的人力和时间。
因此,能够实现文字信息高速、自动输入的只能是计算机自动识别技术,即光学字符识别(OCR)技术。
目前文字识别技术已经广泛地应用到了各个领域中。
它作为计算机智能接口的重要组成部分,在信息处理领域中可以大大提高计算机的使用效率,是办公自动化、新闻出版、计算机翻译等领域中最理想的输入方式;将庞大的文本图像压缩成机器内码可以节省大量的存储空间。
本章和第 10 章主要介绍光学字符识别中的一些关键技术,包括预处理、字符分割、特征提取、分类器设计以及后处理等。
另外,会给出一些相关的算法代码。
当然给出的代码只是一个雏形,只要读者在这个框架的基础上作修改,就可以构建自己的应用系统。
模式识别 张学工
p( x | i ) dx p( x)
Xuegong Zhang, Tsinghua University
17
张学工《模式识别》教学课件
(5)Patrick-Fisher
JP
p( x | 1 ) P1 p( x | 2 ) P2
2
dx
1 2
1 2
IP
p( x | i ) Pi p( x)
7
张学工《模式识别》教学课件
类间平均距离:
c 1 c 1 J D Pi Pj 2 i 1 ni n j j 1
k 1 l 1
ni
nj
(i ) xk , xl( j )
其中,
(i ) xk i , k 1,, ni
xl( j ) j , l 1, , n j
2
张学工《模式识别》教学课件
名词约定: 特征形成(特征获取、提取) 直接观测到的或经过初步运算的特征——原始特征 特征选择 从 m 个特征中选择 m1 个, m1 m (人为选择、算法选择) 特征提取(特征变换,特征压缩) 将 m 个特征变为 m 2 个新特征 --- 二次特征
Xuegong Zhang, Tsinghua University
考查两类分布密度之间的交叠程度
定义:两个密度函数之间的距离:
J p () g p (x | 1 ), p (x | 2 ), P1 , P2 dx
它必须满足三个条件: 1. J p 0 2. 若 p ( x | 1 ) p ( x | 2 ) 0, x ,则 J p J max 完全不重叠 3. 若 p ( x | 1 ) p ( x | 2 ), x ,则 J p 0 完全重叠
模式识别 张学工
权值初始化, t 0 (用小随机数) 给出一个训练样本 x x1 , , x n R
T n
计算在 x 输入下的实际输出
Y y1 , , y m
m 和期望输出 D d1 , , d m R T
T
从输出层开始,调整权值,对第 l 层,有
l l wij (t 1) wij (t ) lj xil 1 ,
(b) 对某个样本 yk j ,找出 j 类的子类中最大的判别函数
T l T m ( k ) y max ( k ) yk j k j l 1,,l j
m T l T 若 j (k ) y k i (k ) y k , i 1, , c , i
其中, d (t ) 是向量 x(t ) 的正确输出。
Xuegong Zhang, Tsinghua University
12
张学工《模式识别》教学课件
可证,当两类线性可分时,此 算法收敛 问题:Minsky 等发现并证明 (1969),感知器只能解决一阶 谓词逻辑问题,不能解决高阶 问题,如不能解决 XOR 问题。 出路:多个感知器结点结合, 引入隐节点,如右图的结构可 实现 XOR。 ----- 多层感知器
7
张学工《模式识别》教学课件
5.4 多层感知器神经网络
5.4.1
神经元与感知器
神经元(neuron) :
细胞体(cell) 、 树突(dentrite) 、轴突(axon) 、突触(synapses)
神经元的作用:加工、传递信息(电脉冲信号) 神经系统:神经网:大量神经元的复杂连接 通过大量简单单元的广泛、复杂的连接而实现各种智能活动。
j , l 1,, li
