对称正定(SPD)黎曼流形上的核稀疏子空间聚类(KSSCR)

对称正定(SPD)黎曼流形上的核稀疏子空间聚类(KSSCR)

引言

对称正定矩阵(Symmetric Positive Definite matrices, SPD)在图像处理、计算机视觉和模式识别等领域有着广泛的应用,因为它们能够有效地表示图像协方差、纹理特征和其他统计特性。

然而,SPD矩阵构成了一个非欧几里得空间——黎曼流形,这使得在传统欧式空间中使用的聚类算法(如K均值、PCA等)不再适用。

因此,开发在SPD黎曼流形上工作的聚类算法成为了一个重要的研究方向。

SPD黎曼流形

SPD矩阵构成的空间是一个特殊的黎曼流形,其中矩阵之间的距离不是通过欧氏距离来衡量,而是通过黎曼度量来定义

在SPD黎曼流形上,距离和几何运算(如平均值)都需要遵循特定的规则。

核稀疏子空间聚类(KSSCR)

核稀疏子空间聚类(KSSCR)是稀疏子空间聚类(SSC)的扩展,它不仅利用核方法处理非线性关系,而且还能在SPD黎曼流形上运行,以适应SPD矩阵的特殊性质。

KSSCR的主要目标是在SPD黎曼流形上找到数据点的稀疏表示,然后使用这些表示进行聚类。

核函数

在KSSCR中,我们使用特定的核函数来衡量SPD矩阵之间的相似度,这个核函数必须能够捕捉到黎曼流形上的几何结构。

一个常用的核函数是基于Log-Euclidean度量的核函数,例如:

k ( A , B ) = exp ⁡ ( − ∥ log ⁡ ( A − 1 2 B A − 1 2 ) ∥ F 2 2 σ 2 ) k(A, B) = \exp\left(-\frac{\| \log(A^{-\frac{1}{2}}BA^{-\frac{1}{2}}) \|_F^2}{2\sigma^2}\right) k(A,B)=exp(2σ2log(A21BA21)F2)

这里:

  • A A A B B BSPD矩阵;
  • log ⁡ ( ⋅ ) \log(\cdot) log() 是矩阵对数,用于将SPD矩阵转换到对数欧几里得空间,这使得我们能够在欧氏空间中操作;
  • ∥ ⋅ ∥ F \|\cdot\|_F F 是Frobenius范数;
  • σ \sigma σ 是核函数的带宽参数,控制着相似度的衰减速度。
目标函数

KSSCR的目标是找到一个稀疏表示矩阵 Z \mathbf{Z} Z,使得每个数据点(SPD矩阵)可以被表示为其在SPD黎曼流形上的其他数据点的线性组合。目标函数可以表示为:

min ⁡ Z ∑ i = 1 N ∥ A i − ∑ j = 1 N k ( A i , A j ) z i j A j ∥ R 2 + λ ∑ i = 1 N ∑ j = 1 N ∣ z i j ∣ \min_{\mathbf{Z}} \sum_{i=1}^N \left\| A_i - \sum_{j=1}^N k(A_i, A_j) z_{ij} A_j \right\|_{\mathcal{R}}^2 + \lambda \sum_{i=1}^N \sum_{j=1}^N |z_{ij}| Zmini=1N Aij=1Nk(Ai,Aj)zijAj R2+λi=1Nj=1Nzij

这里:

  • A i A_i Ai A j A_j AjSPD矩阵;
  • ∥ ⋅ ∥ R \left\| \cdot \right\|_{\mathcal{R}} R在SPD黎曼流形上的距离度量;
  • Z \mathbf{Z} Z稀疏表示矩阵;
  • λ \lambda λ 是正则化参数,用于控制稀疏性。

由于在SPD黎曼流形上计算直接的距离和线性组合非常复杂,我们通常会将问题转化为在Log-Euclidean空间中操作,再将结果投影回SPD黎曼流形上。

优化过程

KSSCR的优化过程涉及到在Log-Euclidean空间中寻找稀疏表示矩阵 Z \mathbf{Z} Z,然后在SPD黎曼流形上重构数据点。

这一过程可能需要使用专门的优化算法,例如基于梯度下降的算法,来处理非欧氏空间的约束。

聚类

一旦找到稀疏表示矩阵 Z \mathbf{Z} Z,我们可以通过谱聚类或其他适当的聚类算法来确定数据点的分组。

在SPD黎曼流形上,这通常涉及到构建一个相似度矩阵,然后使用这个矩阵来进行聚类。

结论

KSSCR是一种专门针对SPD矩阵的聚类方法,它利用核方法和稀疏表示的原理,结合SPD黎曼流形的几何特性,实现了在复杂数据结构上的有效聚类。

通过在Log-Euclidean空间中进行操作,KSSCR能够克服在非欧氏空间中直接进行计算的困难,从而在图像和视觉数据分析中展现出强大的性能。

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