数据分析中的持久同调方法研究
批准号:
61471409
项目类别:
面上项目
资助金额:
55.0 万元
负责人:
夏省祥
依托单位:
学科分类:
F0116.图像信息处理
结题年份:
2018
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
王凤和、綦明男、刘红平、张艳、殷艳敏、邓伟、张青洁、王文
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中文摘要
现代科学和工程正以空前的速度产生带有噪音的高维海量数据,传统的数学对这样的数据分析几乎无任何意义。本项目将研究数据分析中刚诞生的持久同调理论和算法,特别是,基于小样本数据的高维系统重构理论和算法。以图像数据为例,研究图像数据空间的局部特性,首先提取图像的高对比度小块构成样本数据空间S,利用最近邻居求得S的不同的核心子集。其次基于S的核心子集,利用lazy witness-复形构建合理的组合结构K (高维拓扑空间),得到S的基本空间X的近似表示。利用持久同调及JavaPlex软件编程计算K的条码,用这些条码消除样本数据的噪音,获得K的特性,同时获得S的核心子集的几何结构,特别地,在S中找到与Klein瓶具有相同拓扑的最大子空间,并由此恢复基本空间X的整体特性。项目的完成,将有效解决图像压缩领域中的一些前沿问题,改进图像的压缩技术,使持久同调成为有噪音的、高维、非齐次样本数据的强有力分析工具。
英文摘要
Modern science and engineering is producing noisy high dimensional huge data at an unprecedented rate, the traditional mathematics is almost useless for such data analysis. The theory and algorithms of persistent homology, that had just been born in data analysis, are studied systematically in this project, especially the theory and algorithms of the high-dimensional system reconstruction based on small sampled data. Taking data of image analysis as an example, We research local features of image data spaces. Firstly, the sampled data S is obtained by extracting and processing high-contrast patches from images, some core subsets of S are found by using nearest neighbors. Secondly, a reasonable combinatorial structure K (a higher dimensional topological space) is constructed by using lazy witness complex based on S, thus an approximate representation of the underlying space X of the sampled data S is found. According to persistent homology, the barcodes of K are calculated by using JavaPlex software and a program, they can be used to remove noise in sampled data, thus the features of K are obtained, at same time the geometric structures of core subsets of S are obtained by using persistent homology, particularly, the largest subspace of S that has the homology of the Klein bottle is found, hence the global features of the underlying space X are recovered. Some frontier problems in the field of image compression are effectively solved, image compression technology is improved after completion of the project, that enables persistent homology to become a powerful analysis tool for noisy, high-dimensional, inhomogeneous sampled data.
本项目研究了数据分析中的持久同调理论和算法,特别是,基于小样本数据的高维系统重构理论和算法。主要研究了自然图像、Optical flow、和Range图像数据空间的局部特性,实现了预期的研究目标:.(1) 对给定样本数据S,首先用lazy witness-复形构建合理的组合结构K,根据持久同调的代数结构,编程计算组合结构K的条码,利用这些拓扑不变量消除样本数据的噪音,获得S的基本空间X的特性。其次用Cell-复形与Morse理论结合的最新的高维数据分析方法,构建新的组合结构K',并计算K'的拓扑不变量。用两种组合结构的结果检验样本数据的适当性,并由此恢复基本空间X的整体特性。.(2) 提取图像的不同大小的高对比度小块构成样本数据空间,利用持久同调获得样本数据空间的核心(core)子集的几何结构。特别地,获得样本数据空间的与Klein瓶具有相同拓扑的最大子空间。 .完全解决了项目中的三个关键问题:(a) 基于样本数据构建合理的组合结构;(b) 样本数据的适当性,提取的样本能否真实反映其基本空间的特性;(c) 求出图像数据空间的与Klein瓶具有相同拓扑的最大子空间。在自然图像、Optical flow和Range图像方面分别取得了如下重要成果。. (i) 对于自然图像的n*n小块数据空间(n=3, 4, 5, 6, 7, 8, 9),证明了存在子空间与圆具有相同的拓扑,利用最近邻居在n*n小块数据空间中找到与Klein瓶具有相同拓扑的最大子空,并且最大子空间的大小随着小块的大小n的增加而减小。. (ii) 对于Optical flow的n*n小块数据空间(n=3, 4, 5, 6, 7, 8, 9),证明了存在子空间与圆具有相同的拓扑,在3*3小块数据空间中找到与Klein瓶具有相同拓扑的最大子空, 对8*8和9*9小块这样的最大子空间基本消失。. (iii) 对于Range图像的n*n小块数据空间(n= 4, 6),证明了存在子空间与圆具有相同的拓扑,利用最近邻居在n*n小块数据空间中找到与Klein瓶具有相同拓扑的最大子空。.这些结果可用于图像和Optical flow的压缩领域中,改进图像和Optical flow的压缩技术。我们的研究结果初步展示了持久同调方法是处理、分析有噪音的、高维非线性数据及高维数据的降维处理的有效工具。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.3233/jifs-18170
发表时间:2019
期刊:Journal of Intelligent and Fuzzy Systems
影响因子:2
作者:Hongping Liu Shuang Wang;Wenping Fan
通讯作者:Wenping Fan
DOI:10.22436/jnsa.009.04.18
发表时间:2016-04
期刊:J. Nonlinear Science Appl.
影响因子:--
作者:Shengxiang Xia
通讯作者:Shengxiang Xia
DOI:10.2174/1874110x01509010275
发表时间:2015-04
期刊:The Open Cybernetics & Systemics Journal
影响因子:--
作者:Qingli Yin;Wen Wang
通讯作者:Wen Wang
Topology Data Analysis of 9×9 Range Image Patches
9×9范围图像块的拓扑数据分析
DOI:10.1088/1742-6596/960/1/012019
发表时间:2018
期刊:Journal of Physics: Conf. Ser.
影响因子:--
作者:Wen Wang
通讯作者:Wen Wang
DOI:10.1631/fitee.1500219
发表时间:2016-08
期刊:Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering
影响因子:3
作者:Fenghe Wang;Chunxiao Wang;Z. Liu
通讯作者:Fenghe Wang;Chunxiao Wang;Z. Liu
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