聚类 Vector Quantization

来源:互联网 发布:知乎专栏 kindle 推送 编辑:程序博客网 时间:2024/05/21 16:29

Clustering 中文翻译作“聚类”,简单地说就是把相似的东西分到一组,同 Classification (分类)不同,对于一个 classifier ,通常需要你告诉它“这个东西被分为某某类”这样一些例子,理想情况下,一个 classifier 会从它得到的训练集中进行“学习”,从而具备对未知数据进行分类的能力,这种提供训练数据的过程通常叫做 supervised learning (监督学习),而在聚类的时候,我们并不关心某一类是什么,我们需要实现的目标只是把相似的东西聚到一起,因此,一个聚类算法通常只需要知道如何计算相似 度就可以开始工作了,因此 clustering 通常并不需要使用训练数据进行学习,这在 Machine Learning 中被称作 unsupervised learning (无监督学习)。

举一个简单的例子:现在有一群小学生,你要把他们分成几组,让组内的成员之间尽量相似一些,而组之间则差别大一些。最后分出怎样的结果,就取决于你对于“相似”的定义了,比如,你决定男生和男生是相似的,女生和女生也是相似的,而男生和女生之间则差别很大”,这样,你实际上是用一个可能取两个值“男”和“女”的离散变量来代表了原来的一个小学生,我们通常把这样的变量叫做“特征”。实际上,在这种情况下,所有的小学生都被映射到了两个点的其中一个上,已经很自然地形成了两个组,不需要专门再做聚类了。另一种可能是使用“身高”这个特征。我在读小学候,每周五在操场开会训话的时候会按照大家住的地方的地域和距离远近来列队,这样结束之后就可以结队回家了。除了让事物映射到一个单独的特征之外,一种常见的做法是同时提取 N 种特征,将它们放在一起组成一个 N 维向量,从而得到一个从原始数据集合到 N 维向量空间的映射——你总是需要显式地或者隐式地完成这样一个过程,因为许多机器学习的算法都需要工作在一个向量空间中。

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Vector Quantization 这个名字听起来有些玄乎,其实它本身并没有这么高深。大家都知道,模拟信号是连续的值,而计算机只能处理离散的数字信号,在将模拟信号转换为数字信号的时候,我们可以用区间内的某一个值去代替着一个区间,比如,[0, 1) 上的所有值变为 0 ,[1, 2) 上的所有值变成 1 ,如此类推。其这就是一个 VQ 的过程。一个比较正式一点的定义是:VQ 是将一个向量空间中的点用其中的一个有限子集来进行编码的过程。

一个典型的例子就是图像的编码。最简单的情况,考虑一个灰度图片,0 为黑色,1 为白色,每个像素的值为 [0, 1] 上的一个实数。现在要把它编码为 256 阶的灰阶图片,一个最简单的做法就是将每一个像素值 x 映射为一个整数 floor(x*255) 。当然,原始的数据空间也并不以一定要是连续的。比如,你现在想要把压缩这个图片,每个像素只使用 4 bit (而不是原来的 8 bit)来存储,因此,要将原来的 [0, 255] 区间上的整数值用 [0, 15] 上的整数值来进行编码,一个简单的映射方案是 x*15/255 。


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