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聚类与稀疏表示

1.聚类与稀疏表示的关系

聚类,也可以称为向量量化（vector quantization,VQ），可以看作稀疏表示的一种特殊情况，反过来，稀疏表示则可以当成广义的聚类。在聚类中，每个样本（信号）都被表示成与之最近的码字（codeword），且系数为1；gain-shape VQ的系数可以使任意的，但是表示的codeword的数目也是一个，即也只能用一个codeword表示样本；而稀疏表示则是用原子字典中原子的线性组合来表示样本，即原子个数是任意的（但是是有限制的，否则稀疏表示没有意义），且系数也是任意的。当用于表示样本的原子数目为1时，则稀疏表示相当于gain-shape VQ，若原子的系数也为1，此时，稀疏表示就相当于聚类。

2.K-means算法

构造聚类码书（codebook）最常用的算法是K-means算法，K-means算法的目的是求得一个codebook使得逼近误差最小，即

聚类与稀疏表示

其中，聚类与稀疏表示是样本集合，是由codeword组成的codebook矩阵，是系数矩阵，是自然基。

K-means算法构造聚类codebook时，首先初始化一个随机的codebook，即从样本集中随机抽取K个样本作为codebook，然后根据最近邻分配将每个样本分配到与之最近的codeword，聚成K个类，每个codeword就是一个类的聚簇中心；接着，对每个类中的样本坐标取平均值，作为新的codeword，从而完成对codebook的更新。也就是说，K-means算法构造聚类codebook是一个迭代更新的过程，每次迭代主要的步骤有：

1）稀疏编码，即固定codebook矩阵C，求样本集Y的系数矩阵X；

2）更新codebook，即对每个类的样本坐标取平均，求得新的codeword；

K-means算法求聚类codebook的流程图，如图1所示，

聚类与稀疏表示

图1 K-means算法求聚类码书流程图

可以保证的是，在每次迭代中MSE值减小或者没有变化，，算法保证了MSE的值是单调减少的，且至少收敛到局部最优值。

3.K-SVD算法

构造稀疏表示过完备字典的算法有最大似然估计（maximum likelihood method）、最优方向算法（method of optimal directions,MOD）、最大后验概率（maximum a-posteriori probability）、联合标准正交基（unions of orthonormal bases）以及K-SVD等，这些算法都可以看成是广义的K-means算法。K-SVD由于其有效的稀疏编码以及高斯·赛德尔似的加速字典更新过程，使得K-SVD算法非常高效。K-SVD与前几种广义K-means算法明显不同之处是，K-SVD是逐列更新字典的，一次只更新字典的一列，除了要更新的列之外，固定字典中的其他列，而且更新列的同时还更新相应的系数，这使得K-SVD收敛得更快。在某种意义上，K-SVD是K-means更直接的推广，因为K-SVD和K-means一样，都是逐列更新的。还有人建议省去稀疏编码阶段，只保留更新字典阶段，但是这是不可取的，因为如果只有更新字典的步骤，表示系数的支撑集不变，算法必然陷入局部最优。

与K-means算法类似，K-SVD算法的目的也是找到一个原子字典使得逼近误差最小，K-SVD算法的目标函数为：

聚类与稀疏表示

K-SVD算法跟K-means算法一样，每次迭代只有两个主要的步骤：

1）稀疏编码，固定字典D，求系数矩阵X；

2）逐列更新字典的列以及相应的系数；

在第一个步骤中，相当于对每个样本应用某种追踪算法，求得表示系数的逼近，因为在实际中，一般很难求得全局最优解；在第二个步骤中，将惩罚项中的乘积DX分解为K个秩为1矩阵的和，进一步地，只保留要更新的字典原子聚类与稀疏表示的那一项，即

聚类与稀疏表示

其中，聚类与稀疏表示为没有的情况下所有样本的误差矩阵。

至此，可以对聚类与稀疏表示进行SVD分解，得到和的近似值，从而更新字典的原子以及相应的系数。但是，如果直接对进行SVD分解，得到的的近似值的项全部是非零的，这样的话，不满足目标函数（式（2））稀疏度的限制，从而需要对聚类与稀疏表示做一定的处理后再进行SVD分解。

假设需要当前更新原子聚类与稀疏表示表示的样本为和，用表示样本的索引，表示集合的势，即 , .取中与相对应的列组成新的误差矩阵，则相当于误差矩阵右乘相应的变换矩阵，其中，是的矩阵，除了项为1外，其余的项都为0.对系数聚类与稀疏表示右乘效果是一样的，只保留原子表示样本和的系数，此时，惩罚项变为

聚类与稀疏表示

这样做能保证SVD分解后得到的系数聚类与稀疏表示与原来的系数有相同的支撑集。对进行SVD分解，即，将U的第一列作为新的原子，V的第一列与相乘作为新的，对每个原子进行上述的过程实现字典的更新。K-SVD算法求稀疏表示字典的流程图如图2所示，

聚类与稀疏表示

图2 K-SVD求稀疏表示字典流程图

4.小结

聚类只使用一个codeword来表示样本且系数为1，而稀疏表示则使用原子的线性组合来表示样本，可以将聚类看成是稀疏表示的一种特殊情况，而把稀疏表示当成是广义的聚类。聚类中是采用K-means算法来求得聚类所用的codebook的，由于二者直接的相似性，我们自然想到了用类似K-means的算法来求得稀疏表示所用的原字字典，从而有了K-SVD算法。聚类与稀疏表示的比较如图3所示，

聚类与稀疏表示