Кіріспе
Көп өлшемді деректер алгоритмі (MP) - көп өлшемді деректердің "ең жақсы сәйкес келетін" проекцияларын толық (яғни артық) сөздіктің аралығынан табатын, аз ықыласпен жасалатын алгоритм. Негізгі идея - Хилберт кеңістігіндегі сигналды шекті сандағы функциялардың (атомдар деп аталады) салмақталған қосындысы ретінде шамамен бейнелеу. Атомдармен ықылас матрицаның th бағаны болып табылады және атомның скалярлық салмақ коэффициенті (амплитуда) болып табылады. Оның орнына, сәйкестікті іздеу атомдарды бірден таңдап, шамамен (көпшілікпен) шамалау қателігін азайтады. Бұл сигналмен ең жоғары ішкі көбейтіндісі бар атомды табу арқылы (атомдар нормаланды деп есептей отырып), сигналдан тек осы бір атомды пайдаланатын шамалауды алып тастау және сигнал қанағаттанарлықтай ыдырау болғанша процессті қайталау арқылы жүзеге асырылады, яғни қалдықтың нормасы кіші, онда есептеуден кейінгі қалдық және егер нөлге тез конвергенция болса, онда жақсы шамалау үшін бірнеше атом қажет. Мұндай шамалы бейнелеулер сигнал кодтау және сығылу үшін қажет. Нақтырақ айтқанда, сәйкестікті іздеу шамамен шешуге арналған аздық мәселесі - псевдо-норманың қайда екендігі (яғни 0 элементтерінің саны). Алдыңғы белгіде, нөлден басқа енулері NP қиын, сондықтан MP сияқты шамалау әдістері қолданылады. Салыстыру үшін, сигналдың Фурье түрлендіруін қарастырайық. Бұл жоғарыда берілген терминдерді қолданып сипатталуы мүмкін, онда сөздік синусоидты негіз функцияларынан (мүмкіндігінше ең кіші толық сөздік) құрылған. Сигналдарды өңдеудегі Фурье анализі негізгі кемшілігі - ол сигналдардың тек жаһандық ерекшеліктерін ғана шығарады және талдау жасалған сигналдарға бейімделмейді. Өте артық сөздікті алып, біз оған сигналға ең жақсы сәйкес келетін атомдарды (функцияларды) іздеуге болады.
Matching pursuit (MP) is a sparse approximation algorithm which finds the "best matching" projections of multidimensional data onto the span of an over complete (i. e., redundant) dictionary The basic idea is to approximately represent a signal from Hilbert space as a weighted sum of finitely many functions (called atoms) taken from An approximation with atoms has the form
where is the th column of the matrix and is the scalar weighting factor (amplitude) for the atom Normally, not every atom in will be used in this sum. Instead, matching pursuit chooses the atoms one at a time in order to maximally (greedily) reduce the approximation error. This is achieved by finding the atom that has the highest inner product with the signal (assuming the atoms are normalized), subtracting from the signal an approximation that uses only that one atom, and repeating the process until the signal is satisfactorily decomposed, i. e., the norm of the residual is small,
where the residual after calculating and is denoted by If converges quickly to zero, then only a few atoms are needed to get a good approximation to Such sparse representations are desirable for signal coding and compression. More precisely, the sparsity problem that matching pursuit is intended to approximately solve is
where is the pseudo norm (i. e. the number of nonzero elements of ). In the previous notation, the nonzero entries of are Solving the sparsity problem exactly is NP hard, which is why approximation methods like MP are used. For comparison, consider the Fourier transform representation of a signal this can be described using the terms given above, where the dictionary is built from sinusoidal basis functions (the smallest possible complete dictionary). The main disadvantage of Fourier analysis in signal processing is that it extracts only the global features of the signals and does not adapt to the analysed signals By taking an extremely redundant dictionary, we can look in it for atoms (functions) that best match a signal .
Қолданбалар
Сәйкестікті іздеу сигналды, бейне мен бейне кодтау, пішінді бейнелеу және тану, 3D нысандарды кодтау және құрылымдық денсаулықты бақылау сияқты салааралық қолданбаларда қолданылған. Бұл кодтау тиімділігі мен бейне сапасы жағынан төмен бит жылдамдықтары үшін DCT негізделген кодтамадан жақсы орындалатыны көрсетілді. Бiрiншi кезекте, бұл процестердiң басты проблемасы - кодтаушының есептеу күрделілігі. Алгоритмнің негізгі нұсқасында үлкен сөздікті әр қайталауда іздеу керек. Жағдайдың жақсаруы сөздіктің шамамен теңдеуін және әрбір қайталауда ең жақсы сәйкестікті таңдаудың оңтайсыз тәсілдерін (атомды алу) қамтиды. Сәйкестікті іздеу алгоритмі кванттық динамиканы симуляциялау әдісі MP/SOFT-де қолданылады. МП сөздіктерді үйренуде де қолданылады. Бұл алгоритмде атомдар жалпы сөздіктерден таңдалып алынбай, деректер базасынан (жалпы алғанда, әдеттегі суреттер сияқты табиғи көріністерден) үйреніледі. МП-ның соңғы қолданылуы - матрицалық векторлық өнімдерді есептеуді жылдамдату үшін линейлік есептеу кодтауында пайдалану.
Ұзартулар
Matching Pursuit (MP) -ның танымал кеңейтімі оның ортогональдық нұсқасы: Orthogonal Matching Pursuit (OMP). MP-ден негізгі айырмашылығы - әр қадамнан кейін, осы уақытқа дейін таңдалған атомдар жиынымен қамтылған субкеңістікке сигналдың ортогональды проекциясын есептеу арқылы осы уақытқа дейін алынған барлық коэффициенттер жаңартылады. Бұл стандартты МП-дан жақсы нәтижелерге әкелуі мүмкін, бірақ көбірек есептеуді талап етеді. ОМП белгілі бір шектеулер қойылған изометрия жағдайында тұрақтылық пен жұмыс істеуді қамтамасыз етеді. MP-ден үш жыл бұрын жарияланған инкременталды көп параметрлі алгоритм (IMP) OMP-мен бірдей жұмыс істейді. Көп арналы MP және көп арналы OMP сияқты кеңейтулер көп компонентті сигналдарды өңдеуге мүмкіндік береді. Matching Pursuit-тің айқын кеңейтілуі бірнеше позициялар мен масштабтар бойынша, сөздікті толқындық негізге көбейту арқылы. Мұны негізгі алгоритмді өзгертпей, конвольсиялық операторды тиімді қолдану арқылы жасауға болады. Бiрiккен іздену түйiндерiнiң сенсорлық сыйымдылығымен байланысты және осы қауымдастықтағы зерттеушілермен кеңейтілген. Белгілі кеңейтулер: Ортогональды сәйкестікті іздеу (ОМП), Степендік ОМП (СТОМП), компрессивті үлгі алуды сәйкестікті іздеу (CoSaMP), Жалпыланған ОМП (gOMP) және Көпжолды сәйкестікті іздеу (ММП).