模式识别——特征提取（表达）

特征表达

特征是机器学习系统的原材料，对最终模型的影响是毋庸置疑的；如果数据被很好地表达成了特征，通常线性模型就能达到满意的精度。关于特征，需要考虑以下三方面：

（1）特征表示的粒度

需要考虑，模型在一个什么程度上的特征表示，才能发挥效果？以图片为例，像素级的特征完全没有价值，从中得不到任何可用于分类或识别的信息。

当特征具有结构性（有意义）的时候，算法才能起作用，即将输入空间通过某种规则映射到特征空间，使得有助于分类。如下图所示，当可以判断是否有车把手，是否有车轮，就可以很容易的把摩托车和非摩托车区分开。

（2）初级（浅层）特征表示

1995 年前后，Bruno Olshausen和 David Field收集了很多黑白风景照片，提取出400个小碎片，每个小碎片的尺寸均为 16x16 像素，对这400个碎片标记为 $S_i,i=0,\cdots ,399$；再从这些黑白风景照片中，随机提取另一个碎片，大小为 $16\times 16$ 像素，把这个碎片标记为 T。

问题：如何从这400个碎片中，选取一组碎片 $S_k$，通过叠加的办法，合成出一个新的碎片，而这个新的碎片应当与随机选择的目标碎片 T 尽可能相似，同时， $S_k$ 的数量尽可能少。该问题的属性描述为：$\sum _k{a}_k\cdot S_k\to T$，其中 $a_k$ 为叠加碎片 $S_k$ 时的权重系数。

因此，他们提出了 稀疏编码（Sparse Coding）算法，这是一个重复迭代的过程，每次迭代分两步：

A. 选择一组 $S_k$ ，然后调整 $a_k$ ，使得 $\sum _k{a}_k\cdot S_k$ 最接近 T；
B. 固定 $a_k$，在 400 个碎片中，选择其他更合适的碎片 $S_k^{\prime }$，替代原先的 $S_k$，使得 $\sum _k{a}_k\cdot S_k^{\prime }$ 最接近 T。
经过多次迭代后，选出最佳的 $S_k$ 组合。令人惊奇的是，被选中的 $S_k$ 基本上都是照片上不同物体的边缘线,这些线段形状相似，区别在于方向。

这表明，复杂图像往外由一些基本结构组成；任意一幅图可以用 64 种正交的 $edges$（正交的基本结构）线性表示。如下图所示：

实际上，不仅图像中存在这个规律，声音中也存在。从未标注的声音中发现了20种基本的声音结构，其余的声音可以由这20种基本结构合成。

（3）结构性特征表示

小块的图形可以由基本edge构成，更结构化，更复杂的，具有概念性图形的表示就需要更高层次的特征表示，比如V2，V4。V1看像素级是像素级。V2看V1是像素级，是层次递进的，高层表达由底层表达的组合而成；以图像的基basis说明。V1层提出的basis是边缘，然后V2层是V1层这些basis的组合，这时候V2区得到的又是高一层的basis，上上层又是上一层的组合basis结果 $\cdots \cdots$

直观的，以Bruno Olshausen和 David Field的实验为例，就是就是找到有意义的小碎片（patch），再将其进行组合（combine），就得到了上一层的特征(feature)，递归地向上学习特征（learning feature）。在不同对象(object)上做训练时，所得的边缘基（edge basis）是非常相似的，但对象部分（object parts）和模式(models)完全不同。这样便于图像的准确识别。