淺談壓縮感知(十六):感知矩陣之RIP


在壓縮感知中,總是看到"矩陣滿足RIP"之類的字眼,沒錯,這是一個壓縮感知繞不開的術語,有限等距性質(Restricted Isometry Property, RIP)。

注意:RIP性質針對的同樣是感知矩陣而非測量矩陣。

0、相關概念與符號

1、RIP定義

中文版:

英文版:

概括:

(RIP)矩陣滿足2K階RIP保證了能夠把任意一個K稀疏信號θK映射為唯一的y,也就是說要想通過壓縮觀測y恢復K稀疏信號θK,必須保證傳感矩陣滿足2K階RIP,滿足2K階RIP的矩陣任意2K列線性無關。

邊界解釋:

上述定義中不等式邊界關於1對稱,其實這只是表示的方便而已,實際中可以考慮任意邊界值。

2、RIP理解

理解1:能量說

向量的2范數的平方就是信號的能量,換成常見的公式:

RIP不等式:

這里的實際上是 ,即輸出信號的能量, 即輸入信號的能量(稀疏變換x=Ψθ為正交變換,而正交變換保持能量不變,即信號理論中的Parseval定理)。

解釋1:

解釋2:

RIP其實可以看成刻畫一個矩陣和標准正交陣的相似程度。其對於向量做變換后的 L2 能量(范數平方)相較於原向量的能量的變化不超過RIP。RIP對於Stability 的分析非常有效。RIP 是由Candes 和Tao 提出來的,可以看他們的提出這個概念的文章: Decoding by LinearProgramming。

其實取極限當δ=0時(RIP要求0<δ<1),RIP的不等式實際上表示的是觀測所得向量y的能量等於信號x的能量,在線性代數中所講的正交變換也具有這種性質,也稱為等距變換(把信號將為二維或三維時2范數的平方可形象的理解為到原點的距離),當然這里的變換因為傳感矩陣A不可能是正交矩陣(不是方陣),但當極限δ=0時也能保持能量相等(也可以稱為等距吧),而RIP要求0<δ<1,所以不可能等距,所以就稱為有限等距性質吧。

理解2:唯一映射說

在前一篇介紹spark常數的時候,已經提到了唯一映射說這一點,可以了解一下:http://www.cnblogs.com/AndyJee/p/5083726.html

RIP性質(有限等距性質)保證了感知矩陣不會把兩個不同的K稀疏信號映射到同一個集合中(保證原空間到稀疏空間的一一映射關系),要求從感知矩陣中抽取的每2K個列向量構成的矩陣是非奇異的。

當δ2s<1時可以保證零范數問題有唯一的稀疏解,而當δ2s<sqrt(2)-1時則可以保證零范數和1范數等價(零范數求解為NP-hard問題,在此前提下將其轉化為1范數求最優化問題,這時是個凸優化問題)

3、RIP補充

上面我們談到的都是感知矩陣,而實際中我們常常使用的是測量矩陣,那么怎么樣才能讓測量矩陣滿足RIP要求呢?

前面解釋中的能量說提到"RIP其實可以看成刻畫一個矩陣和標准正交陣的相似程度",如

那么對於測量矩陣而言,需要滿足的性質就是盡量保證其基向量與稀疏表示的基不相關,這個對於RIP來說比較通俗的理解,在實際中,有些矩陣如高斯隨機矩陣、二值隨機矩陣、局部傅里葉矩陣、局部哈達瑪矩陣等都能夠以很大的概率滿足RIP。

關於矩陣中任意2K列都不相關的解釋:

如果矩陣有2K列線性相關,則對於某一個2K稀疏的信號必然會有2K=0,又因為一個2K稀疏的信號可以寫成兩個K稀疏的信號相減(把2K稀疏信號的2K個非零項分成兩部分,每部分分別包含K個非零項,其余部分填零長度與原2K稀疏信號保持不變,即得到了兩個K稀疏信號,其中的一個K稀疏信號中的K個非零項乘負一,另一部分減這一部分必然等於2K稀疏信號),因此有A(θK1-θK2)=0,即K1=K2,也就是說對於兩個不同的K稀疏信號θK1和θK2,壓縮觀測后得到了同一個y,即不能保證唯一映射,所以矩陣不能有2K列線性相關,否則將不能保證唯一映射

4、參考文章

http://blog.csdn.net/jbb0523/article/details/44565647


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