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基于并行QR分解的快速低秩矩阵补全模型与算法研究

批准号:
62102002
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
刘清
依托单位:
学科分类:
计算机图像视频处理与多媒体技术
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘清

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
低秩矩阵补全是一种恢复矩阵缺失信息的有效方法。该方法对含有结构化缺失信息的矩阵数据较为鲁棒,现已应用于机器学习的诸多领域。现有方法的问题是其恢复速度较慢且不能同时兼顾算法速度与收敛精度。为克服这一关键科学问题,本项目拟从以下三方面进行改进:(1)提出基于QR分解的计算矩阵前几个较大奇异值的迭代方法,以避免传统方法的计算浪费问题,称之为近似SVD;(2)在加权核范数最小化方法的基础上提出泛化模型,并使用近似SVD加速模型求解。由于传统加权核范数最小化模型是改进模型的特例,改进方法同样具有较高的收敛精度;(3)提出基于多种非核范数最小化和并行QR分解的矩阵补全方法,以进一步提高算法的收敛精度和实时处理能力。本项目将在仿真数据和实际数据集上验证改进方法的算法速度和收敛精度,并给出详细的收敛性分析。本项目的研究成果将为背景建模、张量恢复等研究领域提供重要的理论基础和算法模型。
英文摘要
Low-rank matrix completion is an effective method for recovering the missing entries of matrices. Duo to its robustness to structured noises, it has been widely used in many fields of machine learning. However, most popular methods are not fast and cannot provide both convergence accuracy and convergence speed. In this project, several fast low-rank matrix completion methods based on approximate Singular Value Decomposition (SVD) will be proposed to overcome the above problems. At first, an iterative method based on QR decomposition will be proposed to calculate the largest r (r>0) singular values of a matrix for reducing the computational waste in the traditional methods, which can be called an approximate SVD. Secondly, several generalized methods of weighted nuclear norm minimization will be proposed. These methods will be very fast because of using the approximate SVD for acceleration. The proposed methods will also be as accurate as the methods based on weighted nuclear norm minimization, because the latters are the special cases of the formers. Finally, several low-rank matrix completion methods based on non-nuclear norm minimization and parallel QR decomposition will be proposed to improve their convergence accuracies and real-time data processing abilities. The speeds, accuracies and convergence analyses of the proposed methods will be verified by using some simulation datasets and real visual datasets. The results of this project will provide necessary algorithms, models and theoretical bases for many related fields, such as video background modelling, tensor recovery and so on.
低秩矩阵补全能够有效恢复矩阵中的缺失信息,在图像处理、信号处理以及视频恢复等领域受到广泛关注。针对传统方法存在的算法速度慢且不能兼顾精度与速度的问题,提出基于并行QR分解的矩阵补全模型及其相应优化算法,以获得速度快且精度高的补全算法。为实现此目标,本项目从三个方面展开研究,并取得一定的成果。. 首先,研究矩阵的UT变换,提出了一种改进的UT变换方法。该方法利用QR迭代计算矩阵的前r(r>0)个奇异值,故称其为近似SVD。改进的近似SVD迭代方法(即QR迭代格式)已经成功应用于求解本项目提出的矩阵补全模型之中。. 其次,研究并提出两种泛化的加权核范数最小化模型,分别为截断的L_2,1范数最小化模型和加权L_2,1范数最小化模型。这两种优化模型均采用近似SVD求解,且模型最终分别收敛到截断核范数最小化模型和加权核范数最小化模型。因此,这两种改进算法实际是泛化的加权核范数最优化算法。实验结果表明,截断L_2,1范数最小化方法的收敛精度与截断核范数最小化方法的收敛精度基本一致,但是其速度是后者的6~8倍。. 最后,在传统矩阵分解方法的基础上,建立非核范数最小化模型,并采用易于并行的QR分解迭代求解。提出基于矩阵双分解和L_(1,p) (0<p<1)范数最小化算法(ILMF);在矩阵三分解的基础上,提出泛化的三分解模型与算法(GTF),进一步提升恢复结果的精度;进一步泛化L_(1,p)范数,提出基于L_(p,q) (p>0,q>0)范数的矩阵补全模型与算法(LPQNM),采用近似SVD分解求解模型。此外,本项目还尝试使用粒子群优化算法自适应调节矩阵补全算法的参数,以进一步提升其的收敛精度和鲁棒性。实验结果表明,ILMF收敛精度高于加权核范数方法,GTF的收敛精度明显优于ILMF方法。LPQNM在收敛精度和算法速度方面,均优于ILMF和GTF算法。ILMF和GTF的速度是传统方法的10倍左右。. 本项目提出的改进方法,能够快速且精确地完成矩阵补全任务,具有较高的应用价值。在改进算法的基础上,可进一步提升运动目标提取,背景建模,多目标识别等众多图像/视频研究领域相关算法的性能。
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