基于最近邻搜索的复合量化算法matlab仿真,对比SIFT,GIST和MNIST数据库

目录

1.基于最近邻搜索的复合量化算法

1.1 特征提取

1.2 码本学习

1.3 量化编码

2.MATLAB核心代码

3.MATLAB仿真


       复合量化算法结合了特征提取和量化编码两大部分,旨在高效地处理大规模数据集,尤其是在图像识别和检索领域。基于最近邻搜索(Nearest Neighbor Search, NNS)的复合量化方法通过将高维特征空间映射到低维码本,并利用最近邻原则进行检索,从而在保持一定精度的同时显著减少存储和查询成本。下面将详细介绍基于最近邻搜索的复合量化算法原理。

1.基于最近邻搜索的复合量化算法

复合量化算法通常包含特征提取、码本学习(或量化码书构建)和量化编码三个主要步骤。

1.1 特征提取

       SIFT (Scale-Invariant Feature Transform): SIFT算法由David Lowe提出,用于检测图像中的关键点并计算其描述符。SIFT描述符基于关键点周围的梯度方向直方图,具有尺度不变性和旋转不变性。对于每个关键点,其描述符可表示为一个128维向量:

      GIST (Geometric Contextual Features): GIST特征是由Oliva和Torralba提出的全局图像描述符,它通过多尺度空间分割来捕捉图像的全局几何结构。GIST描述符通常是一个512维向量:

       MNIST (Modified National Institute of Standards and Technology database): MNIST是一个手写数字数据库,尽管它本身不是特征描述,但我们可以从MNIST图像中提取特征,如通过卷积神经网络得到的特征向量。

1.2 码本学习

      码本学习是构建一个“码书”,即一系列代表性的特征向量集合,这个过程常通过聚类算法完成,如K-means。设码书为C={c1​,c2​,...,cK​},其中K是码本的大小,每个码字ck​代表一类特征的中心。

1.3 量化编码

       量化过程是将提取的特征向量映射到最接近的码字上。对于一个特征向量ff,其量化结果f^f^是码书中距离ff最近的码字。量化误差可定义为:

2.MATLAB核心代码

function [centers_table, idx_table, distortion, R_opq_np] = train_opq_np(X, M, centers_table_init, R_init, num_iter_outer, num_iter_inner)
 
k = 256; % fixed number of centers per subspaces (8 bits per subspaces)
dim = size(X, 2);
d = dim / M;

idx_table = zeros(size(X, 1), M);

R = R_init;
centers_table = centers_table_init;

for iter_outer = 1:num_iter_outer
    
    Y = zeros(size(X));
    
    % line 3 in Algorithm 1
    Xproj = X*R; % pre-projecting X
    
    distortion = 0;  
    for m = 1:M
        Xsub = Xproj(:, (1:d) + (m-1)*d);
        
        % line 5 in Algorithm 1
        opts = statset('Display','off','MaxIter',num_iter_inner);
        [idx, centers] = kmeans(Xsub, k, 'Options', opts, 'Start', centers_table{m}, 'EmptyAction', 'singleton');
        centers_table{m} = centers;
        
        % line 6 in Algorithm 1
        dist = sqdist(centers', Xsub');
        [dist, idx] = min(dist);
        idx_table(:,m) = idx(:);
        
        % compute distortion
        dist = mean(dist);
        distortion = distortion + dist;
        
        % compute Y      
        Ysub = centers(idx(:),:);
        Y(:, (1:d) + (m-1)*d) = Ysub;
    end
   
    R_opq_np = R; % save the output R
    
    % line 8 in Algorithm 1 (update R)
    [U, S, V] = svd(X'*Y);
    R = U * V';
end

end
up4023

3.MATLAB仿真

        在MATLAB中实现上述过程,首先需要导入数据库(如使用imread读取MNIST图像),然后应用SIFT或GIST等方法提取特征。接下来,使用K-means算法(如MATLAB内置函数kmeans)进行码本学习。最后,通过最近邻搜索(例如,使用pdist2计算距离矩阵,min函数找到最近邻)进行量化编码,并可进一步实现图像检索或分类任务。

        基于最近邻搜索的复合量化算法在不同的数据库和特征描述下展现出各异的性能特点。选择合适的特征提取方法和量化策略对于满足特定应用场景的需求至关重要。在MATLAB平台上通过仿真和实验,可以直观地比较这些方法在效率、精度和资源消耗上的权衡,进而指导实际应用中的算法选择和优化。

以下是MATLAB读取mnist数据库的示例代码: ```matlab % 读取训练集 train_images_file = 'train-images-idx3-ubyte'; train_labels_file = 'train-labels-idx1-ubyte'; % 读取图像数据 fp = fopen(train_images_file, 'rb'); magic = fread(fp, 1, 'int32', 0, 'ieee-be'); num_images = fread(fp, 1, 'int32', 0, 'ieee-be'); num_rows = fread(fp, 1, 'int32', 0, 'ieee-be'); num_cols = fread(fp, 1, 'int32', 0, 'ieee-be'); images = fread(fp, inf, 'unsigned char'); images = reshape(images, num_rows, num_cols, num_images); images = permute(images, [2 1 3]); fclose(fp); % 读取标签数据 fp = fopen(train_labels_file, 'rb'); magic = fread(fp, 1, 'int32', 0, 'ieee-be'); num_labels = fread(fp, 1, 'int32', 0, 'ieee-be'); labels = fread(fp, inf, 'unsigned char'); fclose(fp); % 显示图像标签 index = 1; imshow(images(:,:,index)); title(num2str(labels(index))); % 读取测试集 test_images_file = 't10k-images-idx3-ubyte'; test_labels_file = 't10k-labels-idx1-ubyte'; % 读取图像数据 fp = fopen(test_images_file, 'rb'); magic = fread(fp, 1, 'int32', 0, 'ieee-be'); num_images = fread(fp, 1, 'int32', 0, 'ieee-be'); num_rows = fread(fp, 1, 'int32', 0, 'ieee-be'); num_cols = fread(fp, 1, 'int32', 0, 'ieee-be'); images = fread(fp, inf, 'unsigned char'); images = reshape(images, num_rows, num_cols, num_images); images = permute(images, [2 1 3]); fclose(fp); % 读取标签数据 fp = fopen(test_labels_file, 'rb'); magic = fread(fp, 1, 'int32', 0, 'ieee-be'); num_labels = fread(fp, 1, 'int32', 0, 'ieee-be'); labels = fread(fp, inf, 'unsigned char'); fclose(fp); % 显示图像标签 index = 1; imshow(images(:,:,index)); title(num2str(labels(index))); ``` 在这个示例中,我们首先读取训练集测试集的图像数据标签数据。然后,我们使用`imshow`函数显示了第一张图像它的标签。需要注意的是,MNIST数据库中的图像数据是28x28的灰度图像,因此需要使用`permute`函数将它们的维度从[行,列,图像数]转换为[列,行,图像数]。
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