稀疏表达：向量、矩阵与张量（上）

申明：本文非笔者原创，原文转载自：http://www.cvchina.info/2010/06/01/sparse-representation-vector-matrix-tensor-1/

稀疏表达是近年来SP, ML, PR, CV领域中的一大热点，文章可谓是普天盖地，令人目不暇给。老板某门课程的课程需要大纲，我顺道给扩展了下，就有了这个上中下三篇介绍性质的东西。遗憾的是，我在绝大多数情况下实在不算是一个勤快的人，这玩意可能充满bug，更新也可能断断续续，尽请诸位看官见谅了。顺道一提，ICCV09有一个相关的 tutorial 。

据传博文里公式数量和其人气是成反比例关系的，一个公式可以驱散50%的读者，我写完这个（上）之后点了点公式数量，觉得大约是要无人问津了。所以，在介绍稀疏表达之前，让我们先来展示下其在computer vision中的应用，吸引下眼球。

首先是图像恢复（以前有人贴过Obama还记得不），由左侧图像恢复出右侧结果

然后是类似的图像inpainting

然后是图像去模糊，左上为输入模糊图像，右下为输出清晰图像及估计的相机运动（其实是PSF），中间均为迭代过程:

再然后是物体检测（自行车），左侧输入图像，中间为位置概率图，右侧为检测结果

当然我个人还推荐Yi Ma的sparse face，这个在对抗噪声的效果上很棒，比如下图中左侧的那张噪声图像（你能辨认是哪位不？这方法可以！）

且说sparse representation这个概念，早在96-97年的时候就火了一把。最著名的大约要数Nature上的某篇文章，将稀疏性加入least square的regularization，然后得到了具有方向特性图像块（basis）。这样就很好的解释了初级视皮层（V1）的工作机理，即对于线段的方向选择特性。几乎同一时期，著名的LASSO算法也被发表在 J. Royal. Statist. Soc B。Lasso比较好的解决了least square (l2 norm) error + l1 norm regularization的问题。然而，这个时候绝大多数人没有意识到（或者没法解决）这l1 norm和稀疏性之间的联系。其实早在这之前，Osher等人提出的Total Variation （TV）已经包含了l1 norm的概念了，只不过TV原本是连续域上的积分形式。（啥？你不知道Osher…想想Level Set吧）

在进入现代的压缩感知、稀疏表示这一课题前，让我们来首先回顾下这一系列问题的核心，即线性方程组
其中矩阵，通常而言是满秩的。向量。现在已知，求解。学过线性代数的同学可能都会说：这个不难啊，因为， 故而这个方程组是欠定的，所以有无穷多组解啊，咱还可以算算基础解系啥的…

但是如果我们希望其解尽可能的稀疏：比如（即中非零元个数）尽可能的小。那么问题就会变得比较微妙了，下图给出了问题的形象示意。

换言之给定m维空间中一组过完备的基，如何选择最少个数的基向量，重构给定向量，其严格定义可以写成

时光之轮播快到2003~2004年，Donoho & Elad做了一个很漂亮的证明，如果矩阵满足某种条件，具体而言：

那么上文提及的0范数优化问题具有唯一的解。这里的是个比较诡异（请允许我使用这词）的定义：最小的线性相关的列向量集所含的向量个数（吐槽：明白了么，我做TA的时候就被这个问题问倒了）。本来想在这个概念上唠叨两句，后来发现了Elad的一个talk，清晰明了。

即便是唯一性得到了证明，求解这个问题仍然是NP难的。科研的车轮滚滚向前，转眼到了2006年，传奇性的华裔数学家Terrence Tao登场了，Tao和Donoho的弟子Candes合作证明了在RIP条件下，0范数优化问题与以下1范数优化问题具有相同的解：

其中RIP条件，即存在满足某种条件的（与N相关）常数:

RIP条件是对于矩阵列向量正交性的一种衡量（此处咱就不细说了）。其实早在1993年Mallat就提出过Mutual Coherence对于正交性进行度量，并提出了下文还要提及的matching pursuit方法。

实际上以上的1范数优化问题是一个凸优化，故而必然有唯一解，至此sparse representation的大坑初步成型。总结一下：
1. 如果矩阵满足，则0范数优化问题有唯一解。
2. 进一步如果矩阵满足RIP条件，则0范数优化问题和1范数优化问题的解一致。
3. 1范数优化问题是凸优化，故其唯一解即为0范数优化问题的唯一解。

进一步可以考虑含噪声情况，即

可以得到相似的结果，有兴趣的同学可以查阅相关文献。理论坑只有大牛能挖，但一般人也能挖挖这个优化算法啊，于是SP、ML、CV邻域里都有做这个优化算法的，这个出招可就真是五花八门了。据我所知，大致可以分为三大流派：
1. 直接优化

一般的方法是greedy algorithm，代表有Matching Pursuit, Orthogonal Matching Pursuit
2. 优化

还记得上面提到的LASSO么，这就是它的模型。
3. 如果已知拉格朗日乘子，优化无约束凸优化问题

解这个的方法现在基本上soft thresholding的方法一统天下，常见的有coordinate descent, Bregman Iteration (又是Osher)等
4. 如果未知拉格朗日乘子，优化

这类方法又叫Homotopy，可以认为是3的扩展。核心出发点是objective function是的分段线性函数。

除此之外，还有利用p范数逐次逼近0范数的方法等等，此处不再赘述。顺道说一句，稀疏表示在不同的领域连名称都不同，搞信号的管这个叫basis pursuit，搞统计的叫l1 regularization….然后，让我们把话题拉回到Nature的那篇文章：如果我们不知道矩阵，只知道一堆向量。我们应当如何构造，使得在这一字典（矩阵）下的表示最稀疏？类比以上过程，这个问题被称为Dictionary Learning，可以写成以下优化问题：

这个东西可就相对麻烦了，最关键的是这个优化不是凸的（优化变量相乘）。所以一般的想法是block descent：首先固定，优化（相当于多个独立的1范数优化问题）；其次将计算出的固定，优化，这就是一个（可能带约束）的least square问题。如此反复，直到算法收敛到某个（局部）极小值。实际上解这个问题的方法目前有三种：efficient sparse coding algorithm NIPS 06; K-SVD tsp 06; Online dictionary learning for sparse coding, ICML 09 & JMLR 10。前两种都是batch的方法，后一种是online的，据个人测试最后一种的方法比前两者要快很多很多….下面这个是我利用ICML09的方法从1200张彩色图像中训练出一组过完备基，具有比较好的方向特性。

最后，还记得本文开头的那些demo么？INRIA做了一个sparse representation的matlab工具包SPAMS，虽然不开源，但其效率（大部分时候）是现有公开工具包之冠（底层用了intel的MKL），利用这个工具包，几行简单的matlab代码就可以几乎实现以上提及的所有demo了….大家有兴趣的话，欢迎尝试^_^