90 research outputs found
Low Complexity Regularization of Linear Inverse Problems
Inverse problems and regularization theory is a central theme in contemporary
signal processing, where the goal is to reconstruct an unknown signal from
partial indirect, and possibly noisy, measurements of it. A now standard method
for recovering the unknown signal is to solve a convex optimization problem
that enforces some prior knowledge about its structure. This has proved
efficient in many problems routinely encountered in imaging sciences,
statistics and machine learning. This chapter delivers a review of recent
advances in the field where the regularization prior promotes solutions
conforming to some notion of simplicity/low-complexity. These priors encompass
as popular examples sparsity and group sparsity (to capture the compressibility
of natural signals and images), total variation and analysis sparsity (to
promote piecewise regularity), and low-rank (as natural extension of sparsity
to matrix-valued data). Our aim is to provide a unified treatment of all these
regularizations under a single umbrella, namely the theory of partial
smoothness. This framework is very general and accommodates all low-complexity
regularizers just mentioned, as well as many others. Partial smoothness turns
out to be the canonical way to encode low-dimensional models that can be linear
spaces or more general smooth manifolds. This review is intended to serve as a
one stop shop toward the understanding of the theoretical properties of the
so-regularized solutions. It covers a large spectrum including: (i) recovery
guarantees and stability to noise, both in terms of -stability and
model (manifold) identification; (ii) sensitivity analysis to perturbations of
the parameters involved (in particular the observations), with applications to
unbiased risk estimation ; (iii) convergence properties of the forward-backward
proximal splitting scheme, that is particularly well suited to solve the
corresponding large-scale regularized optimization problem
On the Application of Dictionary Learning to Image Compression
Signal models are a cornerstone of contemporary signal and image-processing methodology. In this chapter, a particular signal modelling method, called synthesis sparse representation, is studied which has been proven to be effective for many signals, such as natural images, and successfully used in a wide range of applications. In this kind of signal modelling, the signal is represented with respect to dictionary. The dictionary choice plays an important role on the success of the entire model. One main discipline of dictionary designing is based on a machine learning methodology which provides a simple and expressive structure for designing adaptable and efficient dictionaries. This chapter focuses on direct application of the sparse representation, i.e. image compression. Two image codec based on adaptive sparse representation over a trained dictionary are introduced. Experimental results show that the presented methods outperform the existing image coding standards, such as JPEG and JPEG2000
Recommended from our members
Frontiers in Nonparametric Statistics
The goal of this workshop was to discuss recent developments of nonparametric statistical inference. A particular focus was on high dimensional statistics, semiparametrics, adaptation, nonparametric bayesian statistics, shape constraint estimation and statistical inverse problems. The close interaction of these issues with optimization, machine learning and inverse problems has been addressed as well
Recommended from our members
Application of Prior Information to Discriminative Feature Learning
Learning discriminative feature representations has attracted a great deal of attention since it is a critical step to facilitate the subsequent classification, retrieval and recommendation tasks. In this dissertation, besides incorporating prior knowledge about image labels into the image classification as most prevalent feature learning methods currently do, we also explore some other general-purpose priors and verify their effectiveness in the discriminant feature learning. As a more powerful representation can be learned by implementing such general priors, our approaches achieve state-of-the-art results on challenging benchmarks. We elaborate on these general-purpose priors and highlight where we have made novel contributions.
We apply sparsity and hierarchical priors to the explanatory factors that describe the data, in order to better discover the data structure. More specifically, in the first approach we propose that we only incorporate sparse priors into the feature learning. To this end, we present a support discrimination dictionary learning method, which finds a dictionary under which the feature representation of images from the same class have a common sparse structure while the size of the overlapped signal support of different classes is minimised. Then we incorporate sparse priors and hierarchical priors into a unified framework, that is capable of controlling the sparsity of the neuron activation in deep neural networks. Our proposed approach automatically selects the most useful low-level features and effectively combines them into more powerful and discriminative features for our specific image classification problem.
We also explore priors on the relationships between multiple factors. When multiple independent factors exist in the image generation process and only some of them are of interest to us, we propose a novel multi-task adversarial network to learn a disentangled feature which is optimized with respect to the factor of interest to us, while being distraction factors agnostic. When common factors exist in multiple tasks, leveraging common factors cannot only make the learned feature representation more robust, but also enable the model to generalise from very few labelled samples. More specifically, we address the domain adaptation problem and propose the re-weighted adversarial adaptation network to reduce the feature distribution divergence and adapt the classifier from source to target domains
Recommended from our members
Statistische und Probabilistische Methoden der Modellwahl
Aim of this conference with more than 50 participants, was to bring together leading researchers from roughly three different scientific communities who work on the same issue, data based model selection. Their different methodological approaches can be roughly classified into (1) Frequentist model selection and testing (2) Statistical learning theory and machine learning (3) Bayesian model selection The key task in model selection is to select a proper mathematical model based on information generated by data and/or by prior knowledge. Proper might mean a model with minimal prediction error, a model which describes the main qualitative data features, such as bumps and modes, or a mode
On normalization-equivariance properties of supervised and unsupervised denoising methods: a survey
Image denoising is probably the oldest and still one of the most active
research topic in image processing. Many methodological concepts have been
introduced in the past decades and have improved performances significantly in
recent years, especially with the emergence of convolutional neural networks
and supervised deep learning. In this paper, we propose a survey of guided tour
of supervised and unsupervised learning methods for image denoising,
classifying the main principles elaborated during this evolution, with a
particular concern given to recent developments in supervised learning. It is
conceived as a tutorial organizing in a comprehensive framework current
approaches. We give insights on the rationales and limitations of the most
performant methods in the literature, and we highlight the common features
between many of them. Finally, we focus on on the normalization equivariance
properties that is surprisingly not guaranteed with most of supervised methods.
It is of paramount importance that intensity shifting or scaling applied to the
input image results in a corresponding change in the denoiser output
Nonconvex Optimization Algorithms for Structured Matrix Estimation in Large-Scale Data Applications
Το πρόβλημα της εκτίμησης δομημένου πίνακα ανήκει στην κατηγορία των προβλημάτων εύρεσης αναπαραστάσεων χαμηλής διάστασης (low-dimensional embeddings) σε
δεδομένα υψηλής διάστασης. Στις μέρες μας συναντάται σε μια πληθώρα εφαρμογών
που σχετίζονται με τις ερευνητικές περιοχές της επεξεργασίας σήματος και της μηχανικής
μάθησης. Στην παρούσα διατριβή προτείνονται νέοι μαθηματικοί φορμαλισμοί σε τρία
διαφορετικά προβλήματα εκτίμησης δομημένων πινάκων από δεδομένα μεγάλης κλίμακας.
Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται τα ερευνητικά προβλήματα α) της εκτίμησης πίνακα που
είναι ταυτόχρονα αραιός, χαμηλού βαθμού και μη-αρνητικός, β) της παραγοντοποίησης
πίνακα χαμηλού βαθμού, και γ) της ακολουθιακής (online) εκτίμησης πίνακα υποχώρου
(subspace matrix) χαμηλού βαθμού από ελλιπή δεδομένα. Για όλα τα προβλήματα αυτά
προτείνονται καινoτόμοι και αποδοτικοί αλγόριθμοι βελτιστοποίησης (optimization algorithms). Βασική υπόθεση που υιοθετείται σε κάθε περίπτωση είναι πως τα δεδομένα έχουν
παραχθεί με βάση ένα γραμμικό μοντέλο. Το σύνολο των προσεγγίσεων που ακολουθούνται χαρακτηρίζονται από μη-κυρτότητα. Όπως γίνεται φανερό στην παρούσα διατριβή, η
ιδιότητα αυτή, παρά τις δυσκολίες που εισάγει στην θεωρητική τεκμηρίωση των προτεινόμενων μεθόδων (σε αντίθεση με τις κυρτές προσεγγίσεις στις οποίες η θεωρητική ανάλυση
είναι σχετικά ευκολότερη), οδηγεί σε σημαντικά οφέλη όσον αφορά την απόδοσή τους σε
πλήθος πραγματικών εφαρμογών.
Για την εκτίμηση πίνακα που είναι ταυτόχρονα αραιός, χαμηλού βαθμού και μη-αρνητικός,
προτείνονται στην παρούσα διατριβή τρεις νέοι αλγόριθμοι, από τους οποίους οι δύο
πρώτοι ελαχιστοποιούν μια κοινή συνάρτηση κόστους και ο τρίτος μια ελαφρώς διαφορετική συνάρτηση κόστους. Κοινό χαρακτηριστικό και των δύο αυτών συναρτήσεων είναι
ότι κατά βάση αποτελούνται από έναν όρο προσαρμογής στα δεδομένα και δύο όρους
κανονικοποίησης, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την επιβολή αραιότητας και χαμηλού
βαθμού, αντίστοιχα. Στην πρώτη περίπτωση αυτό επιτυγχάνεται με την αξιοποίηση του
αθροίσματος της επανασταθμισμένης l1 νόρμας (reweighted l1 norm) και της επανασταθμισμένης πυρηνικής νόρμας (reweighted nuclear norm), οι οποίες ευθύνονται για το μη-
κυρτό χαρακτήρα της προκύπτουσας συνάρτησης κόστους. Από τους δύο προτεινόμενους αλγορίθμους που ελαχιστοποιούν τη συνάρτηση αυτή, ο ένας ακολουθεί τη μέθοδο
καθόδου σταδιακής εγγύτητας και ο άλλος βασίζεται στην πιο απαιτητική υπολογιστικά
μέθοδο ADMM. Η δεύτερη συνάρτηση κόστους διαφοροποιείται σε σχέση με την πρώτη
καθώς χρησιμοποιεί μια προσέγγιση παραγοντοποίησης για τη μοντελοποίηση του χαμηλού βαθμού του δομημένου πίνακα. Επιπλέον, λόγω της μη εκ των προτέρων γνώσης του
πραγματικού βαθμού, ενσωματώνει έναν όρο επιβολής χαμηλού βαθμού, μέσω της μη-
κυρτής έκφρασης που έχει προταθεί ως ένα άνω αυστηρό φράγμα της (κυρτής) πυρηνικής
νόρμας (σ.σ. στο εξής θα αναφέρεται ως εναλλακτική μορφή της πυρηνικής νόρμας). Και
στην περίπτωση αυτή, το πρόβλημα που προκύπτει είναι μη-κυρτό λόγω του φορμαλισμού
του μέσω της παραγοντοποίησης πίνακα, ενώ η βελτιστοποίηση πραγματοποιείται εφαρμόζοντας μια υπολογιστικά αποδοτική μέθοδο καθόδου συνιστωσών ανά μπλοκ (block
coordinate descent). Tο σύνολο των προτεινόμενων σχημάτων χρησιμοποιείται για τη
μοντελοποίηση, με καινοτόμο τρόπο, του προβλήματος φασματικού διαχωρισμού υπερφασματικών εικόνων (ΥΦΕ). Όπως εξηγείται αναλυτικά, τόσο η αραιότητα όσο και ο χαμηλός βαθμός παρέχουν πολύτιμες ερμηνείες ορισμένων φυσικών χαρακτηριστικών των ΥΦΕ, όπως π.χ. η χωρική συσχέτιση. Πιο συγκεκριμένα, η αραιότητα και ο χαμηλός βαθμός μπορούν να υιοθετηθούν ως δομές στον πίνακα αφθονίας (abundance matrix - ο πίνακας που περιέχει τα ποσοστά παρουσίας των υλικών στην περιοχή που απεικονίζει κάθε εικονοστοιχείο). Τα σημαντικά πλεονεκτήματα που προσφέρουν οι προτεινόμενες τεχνικές, σε σχέση με ανταγωνιστικούς αλγορίθμους, αναδεικνύονται σε ένα πλήθος διαφορετικών πειραμάτων που πραγματοποιούνται τόσο σε συνθετικά όσο και σε αληθινά
υπερφασματικά δεδομένα.
Στο πλαίσιο της παραγοντοποίησης πίνακα χαμηλού βαθμού (low-rank matrix factorization) περιγράφονται στη διατριβή τέσσερις νέοι αλγόριθμοι, ο καθένας εκ των οποίων
έχει σχεδιαστεί για μια διαφορετική έκφανση του συγκεκριμένου προβλήματος. Όλα τα
προτεινόμενα σχήματα έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό: επιβάλλουν χαμηλό βαθμό στους
πίνακες-παράγοντες καθώς και στο γινόμενό τους με την εισαγωγή ενός νέου όρου κανονικοποίησης. Ο όρος αυτός προκύπτει ως μια γενίκευση της εναλλακτικής έκφρασης της
πυρηνικής νόρμας με τη μετατροπή της σε σταθμισμένη μορφή. Αξίζει να επισημανθεί
πως με κατάλληλη επιλογή των πινάκων στάθμισης καταλήγουμε σε μια ειδική έκφραση
της συγκεκριμένης νόρμας η οποία ανάγει την διαδικασία επιβολής χαμηλού βαθμού σε
αυτή της από κοινού επιβολής αραιότητας στις στήλες των δύο πινάκων. Όπως αναδεικνύεται αναλυτικά, η ιδιότητα αυτή είναι πολύ χρήσιμη ιδιαιτέρως σε εφαρμογές διαχείρισης
δεδομένων μεγάλης κλίμακας. Στα πλαίσια αυτά μελετώνται τρία πολύ σημαντικά προβλήματα στο πεδίο της μηχανικής μάθησης και συγκεκριμένα αυτά της αποθορυβοποίησης
σήματος (denoising), πλήρωσης πίνακα (matrix completion) και παραγοντοποίησης μη-αρνητικού πίνακα (nonnegative matrix factorization). Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ελαχιστοποίησης άνω φραγμάτων συναρτήσεων διαδοχικών μπλοκ (block successive upper
bound minimization) αναπτύσσονται τρεις νέοι επαναληπτικά σταθμισμένοι αλγόριθμοι τύπου Newton, οι οποίοι σχεδιάζονται κατάλληλα, λαμβάνοντας υπόψη τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του εκάστοτε προβλήματος. Τέλος, παρουσιάζεται αλγόριθμος παραγοντοποίησης πίνακα ο οποίος έχει σχεδιαστεί πάνω στην προαναφερθείσα ιδέα επιβολής χαμηλού
βαθμού, υποθέτοντας παράλληλα αραιότητα στον ένα πίνακα-παράγοντα. Η επαλήθευση
της αποδοτικότητας όλων των αλγορίθμων που εισάγονται γίνεται με την εφαρμογή τους
σε εκτεταμένα συνθετικά πειράματα, όπως επίσης και σε εφαρμογές πραγματικών δεδομένων μεγάλης κλίμακας π.χ. αποθορυβοποίηση ΥΦΕ, πλήρωση πινάκων από συστήματα
συστάσεων (recommender systems) ταινιών, διαχωρισμός μουσικού σήματος και τέλος
μη-επιβλεπόμενος φασματικός διαχωρισμός.
Το τελευταίο πρόβλημα το οποίο διαπραγματεύεται η παρούσα διατριβή είναι αυτό της
ακολουθιακής εκμάθησης υποχώρου χαμηλού βαθμού και της πλήρωσης πίνακα. Το
πρόβλημα αυτό εδράζεται σε ένα διαφορετικό πλαίσιο μάθησης, την επονομαζόμενη ακολουθιακή μάθηση, η οποία αποτελεί μια πολύτιμη προσέγγιση σε εφαρμογές δεδομένων
μεγάλης κλίμακας, αλλά και σε εφαρμογές που λαμβάνουν χώρα σε χρονικά μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα. Στην παρούσα διατριβή προτείνονται δύο διαφορετικοί αλγόριθμοι,
ένας μπεϋζιανός και ένας ντετερμινιστικός. Ο πρώτος αλγόριθμος προκύπτει από την
εφαρμογή μιας καινοτόμου ακολουθιακής μεθόδου συμπερασμού βασισμένου σε μεταβολές. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για την πραγματοποίηση προσεγγιστικού συμπερασμού στο προτεινόμενο ιεραρχικό μπεϋζιανό μοντέλο. Αξίζει να σημειωθεί πως το μοντέλο
αυτό έχει σχεδιαστεί με κατάλληλο τρόπο έτσι ώστε να ενσωματώνει, σε πιθανοτικό πλαίσιο, την ίδια ιδέα επιβολής χαμηλού βαθμού που προτείνεται για το πρόβλημα παραγοντοποίησης πίνακα χαμηλού βαθμού, δηλαδή επιβάλλοντας από-κοινού αραιότητα στους
πίνακες-παράγοντες. Ωστόσο, ακολουθώντας την πιθανοτική προσέγγιση, αυτό πραγματοποιείται επιβάλλοντας πολύ-επίπεδες a priori κατανομές Laplace στις στήλες τους.
Ο αλγόριθμος που προκύπτει είναι πλήρως αυτοματοποιημένος, μιας και δεν απαιτεί
τη ρύθμιση κάποιας παραμέτρου κανονικοποίησης. Ο δεύτερος αλγόριθμος προκύπτει
από την ελαχιστοποίηση μιας κατάλληλα διαμορφωμένης συνάρτησης κόστους. Και στην
περίπτωση αυτή, χρησιμοποιείται η προαναφερθείσα ιδέα επιβολής χαμηλού βαθμού (κατάλληλα τροποποιημένη έτσι ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί στο ακολουθιακό πλαίσιο
μάθησης). Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός πως ο τελευταίος αλγόριθμος μπορεί να
θεωρηθεί ως μια ντετερμινιστική εκδοχή του προαναφερθέντος πιθανοτικού αλγορίθμου.
Τέλος, σημαντικό χαρακτηριστικό και των δύο αλγορίθμων είναι ότι δεν είναι απαραίτητη η εκ των προτέρων γνώση του βαθμού του πίνακα υποχώρου. Τα πλεονεκτήματα
των προτεινόμενων προσεγγίσεων παρουσιάζονται σε ένα μεγάλο εύρος πειραμάτων που
πραγματοποιήθηκαν σε συνθετικά δεδομένα, στο πρόβλημα της ακολουθιακής πλήρωσης ΥΦΕ και στην εκμάθηση ιδιο-προσώπων κάνοντας χρήση πραγματικών δεδομένων.Structured matrix estimation belongs to the family of learning tasks whose main goal is to reveal low-dimensional embeddings of high-dimensional data. Nowadays, this task appears in various forms in a plethora of signal processing and machine learning applications. In the present thesis, novel mathematical formulations for three different instances of structured matrix estimation are proposed. Concretely, the problems of a) simultaneously sparse, low-rank and nonnegative matrix estimation, b) low-rank matrix factorization and c) online low-rank subspace learning and matrix completion, are addressed and analyzed. In all cases, it is assumed that data are generated by a linear process, i.e., we deal with linear measurements. A suite of novel and efficient {\it optimization algorithms} amenable to handling {\it large-scale data} are presented. A key common feature of all the introduced schemes is {\it nonconvexity}. It should be noted that albeit nonconvexity complicates the derivation of theoretical guarantees (contrary to convex relevant approaches, which - in most cases - can be theoretically analyzed relatively easily), significant gains in terms of the estimation performance of the emerging algorithms have been recently witnessed in several real practical situations.
Let us first focus on simultaneously sparse, low-rank and nonnegative matrix estimation from linear measurements. In the thesis this problem is resolved by three different optimization algorithms, which address two different and novel formulations of the relevant task. All the proposed schemes are suitably devised for minimizing a cost function consisting of a least-squares data fitting term and two regularization terms. The latter are utilized for promoting sparsity and low-rankness. The novelty of the first formulation lies in the use, for the first time in the literature, of the sum of the reweighted and the reweighted nuclear norms. The merits of reweighted and nuclear norms have been exposed in numerous sparse and low-rank matrix recovery problems. As is known, albeit these two norms induce nonconvexity in the resulting optimization problems, they provide a better approximation of the norm and the rank function, respectively, as compared to relevant convex regularizers. Herein, we aspire to benefit from the use of the combination of these two norms. The first algorithm is an incremental proximal minimization scheme, while the second one is an ADMM solver. The third algorithm's main goal is to further reduce the computational complexity. Towards this end, it deviates from the other two in the use of a matrix factorization based approach for modelling low-rankness. Since the rank of the sought matrix is generally unknown, a low-rank imposing term, i.e., the variational form of the nuclear norm, which is a function of the matrix factors, is utilized. In this case, the optimization process takes place via a block coordinate descent type scheme. The proposed formulations are utilized for modelling in a pioneering way a very important problem in hyperspectral image processing, that of hyperspectral image unmixing. It is shown that both sparsity and low-rank offer meaningful interpretations of inherent natural characteristics of hyperspectral images. More specifically, both sparsity and low-rankness are reasonable hypotheses that can be made for the so-called {\it abundance} matrix, i.e., the nonnegative matrix containing the fractions of presence of the different materials, called {\it endmembers}, at the region depicted by each pixel. The merits of the proposed algorithms over other state-of-the-art hyperspectral unmixing algorithms are corroborated in a wealth of simulated and real hyperspectral imaging data experiments.
In the framework of low-rank matrix factorization (LRMF) four novel optimization algorithms are presented, each modelling a different instance of it. All the proposed schemes share a common thread: they impose low-rank on both matrix factors and the sought matrix by a newly introduced regularization term. This term can be considered as a generalized weighted version of the variational form of the nuclear norm. Notably, by appropriately selecting the weight matrix, low-rank enforcement amounts to imposing joint column sparsity on both matrix factors. This property is actually proven to be quite important in applications dealing with large-scale data, since it leads to a significant decrease of the induced computational complexity. Along these lines, three well-known machine learning tasks, namely, denoising, matrix completion and low-rank nonnegative matrix factorization (NMF), are redefined according to the new low-rank regularization approach. Then, following the block successive upper bound minimization framework, alternating iteratively reweighted least-squares, Newton-type algorithms are devised accounting for the particular characteristics of the problem that each time is addressed. Lastly, an additional low-rank and sparse NMF algorithm is proposed, which hinges upon the same low-rank promoting idea mentioned above, while also accounting for sparsity on one of the matrix factors. All the derived algorithms are tested on extensive simulated data experiments and real large-scale data applications such as hyperspectral image denoising, matrix completion for recommender systems, music signal decomposition and unsupervised hyperspectral image unmixing with unknown number of endmembers.
The last problem that this thesis touches upon is online low-rank subspace learning and matrix completion. This task follows a different learning model, i.e., online learning, which offers a valuable processing framework when one deals with large-scale streaming data possibly under time-varying conditions. In the thesis, two different online algorithms are put forth. The first one stems from a newly developed online variational Bayes scheme. This is applied for performing approximate inference based on a carefully designed novel multi-hierarchical Bayesian model. Notably, the adopted model encompasses similar low-rank promoting ideas to those mentioned for LRMF. That is, low-rank is imposed via promoting jointly column sparsity on the columns of the matrix factors. However, following the Bayesian rationale, this now takes place by assigning Laplace-type marginal priors on the matrix factors. Going one step further, additional sparsity is independently modelled on the subspace matrix thus imposing multiple structures on the same matrix. The resulting algorithm is fully automated, i.e., it does not demand fine-tuning of any parameters. The second algorithm follows a cost function minimization based strategy. Again, the same low-rank promoting idea introduced for LRMF is incorporated in this problem via the use of a - modified to the online processing scenario - low-rank regularization term. Interestingly, the resulting optimization scheme can be considered as the deterministic analogue of the Bayesian one. Both the proposed algorithms present a favorable feature, i.e., they are competent to learn subspaces without requiring the a priori knowledge of their true rank. Their effectiveness is showcased in extensive simulated data experiments and in online hyperspectral image completion and eigenface learning using real data
- …