Machine Learning学习路线

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和机器学习和计算机视觉相关的数学：http://blog.renren.com/blog/221579461/723942980

来源： 吴松涛的日志 

1. 线性代数 (Linear Algebra)：

我想国内的大学生都会学过这门课程，但是，未必每一位老师都能贯彻它的精要。这门学科对于Learning是必备的基础，对它的透彻掌握是必不可少的。我在科大一年级的时候就学习了这门课，后来到了香港后，又重新把线性代数读了一遍，所读的是
Introduction to Linear Algebra (3rd Ed.) by Gilbert Strang.
这本书是MIT的线性代数课使用的教材，也是被很多其它大学选用的经典教材。它的难度适中，讲解清晰，重要的是对许多核心的概念讨论得比较透彻。我个人觉得，学习线性代数，最重要的不是去熟练矩阵运算和解方程的方法——这些在实际工作中MATLAB可以代劳，关键的是要深入理解几个基础而又重要的概念：子空间(Subspace)，正交(Orthogonality)，特征值和特征向量(Eigenvalues and eigenvectors)，和线性变换(Linear transform)。从我的角度看来，一本线代教科书的质量，就在于它能否给这些根本概念以足够的重视，能否把它们的联系讲清楚。Strang的这本书在这方面是做得很好的。
而且，这本书有个得天独厚的优势。书的作者长期在MIT讲授线性代数课(18.06)，课程的video在MIT的Open courseware网站上有提供。有时间的朋友可以一边看着名师授课的录像，一边对照课本学习或者复习。

http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Mathematics/18-06Spring-2005/CourseHome/index.htm

2. 概率和统计 (Probability and Statistics):
概率论和统计的入门教科书很多，我目前也没有特别的推荐。我在这里想介绍的是一本关于多元统计的基础教科书：
Applied Multivariate Statistical Analysis (5th Ed.) by Richard A. Johnson and Dean W. Wichern
这本书是我在刚接触向量统计的时候用于学习的，我在香港时做研究的基础就是从此打下了。实验室的一些同学也借用这本书学习向量统计。这本书没有特别追求数学上的深度，而是以通俗易懂的方式讲述主要的基本概念，读起来很舒服，内容也很实用。对于Linear regression, factor analysis, principal component analysis (PCA), and canonical component analysis (CCA)这些Learning中的基本方法也展开了初步的论述。
之后就可以进一步深入学习贝叶斯统计和Graphical models。一本理想的书是
Introduction to Graphical Models (draft version). by M. Jordan and C. Bishop.

我不知道这本书是不是已经出版了（不要和Learning in Graphical Models混淆，那是个论文集，不适合初学）。这本书从基本的贝叶斯统计模型出发一直深入到复杂的统计网络的估计和推断，深入浅出，statistical learning的许多重要方面都在此书有清楚论述和详细讲解。MIT内部可以access，至于外面，好像也是有电子版的。

3. 分析 (Analysis)：
我想大家基本都在大学就学过微积分或者数学分析，深度和广度则随各个学校而异了。这个领域是很多学科的基础，值得推荐的教科书莫过于
Principles of Mathematical Analysis, by Walter Rudin
有点老，但是绝对经典，深入透彻。缺点就是比较艰深——这是Rudin的书的一贯风格，适合于有一定基础后回头去看。
在分析这个方向，接下来就是泛函分析(Functional Analysis)。
Introductory Functional Analysis with Applications, by Erwin Kreyszig.
适合作为泛函的基础教材，容易切入而不失全面。我特别喜欢它对于谱论和算子理论的特别关注，这对于做learning的研究是特别重要的。Rudin也有一本关于functional analysis的书，那本书在数学上可能更为深刻，但是不易于上手，所讲内容和learning的切合度不如此书。

在分析这个方向，还有一个重要的学科是测度理论(Measure theory)，但是我看过的书里面目前还没有感觉有特别值得介绍的。

4. 拓扑 (Topology)：
在我读过的基本拓扑书各有特色，但是综合而言，我最推崇：
Topology (2nd Ed.) by James Munkres

这本书是Munkres教授长期执教MIT拓扑课的心血所凝。对于一般拓扑学(General topology)有全面介绍，而对于代数拓扑(Algebraic topology)也有适度的探讨。此书不需要特别的数学知识就可以开始学习，由浅入深，从最基本的集合论概念（很多书不屑讲这个）到Nagata-Smirnov Theorem和Tychonoff theorem等较深的定理（很多书避开了这个）都覆盖了。讲述方式思想性很强，对于很多定理，除了给出证明过程和引导你思考其背后的原理脉络，很多令人赞叹的亮点——我常读得忘却饥饿，不愿释手。很多习题很有水平。

5. 流形理论 (Manifold theory)：
对于拓扑和分析有一定把握时，方可开始学习流形理论，否则所学只能流于浮浅。我所使用的书是
Introduction to Smooth Manifolds. by John M. Lee
虽然书名有introduction这个单词，但是实际上此书涉入很深，除了讲授了基本的manifold, tangent space, bundle, sub-manifold等，还探讨了诸如纲理论(Category theory)，德拉姆上同调(De Rham cohomology)和积分流形等一些比较高级的专题。对于李群和李代数也有相当多的讨论。行文通俗而又不失严谨，不过对某些记号方式需要熟悉一下。
虽然李群论是建基于平滑流形的概念之上，不过，也可能从矩阵出发直接学习李群和李代数——这种方法对于急需使用李群论解决问题的朋友可能更加实用。而且，对于一个问题从不同角度看待也利于加深理解。下面一本书就是这个方向的典范：
Lie Groups, Lie Algebras, and Representations: An Elementary Introduction. by Brian C. Hall
此书从开始即从矩阵切入，从代数而非几何角度引入矩阵李群的概念。并通过定义运算的方式建立exponential mapping，并就此引入李代数。这种方式比起传统的通过“左不变向量场(Left-invariant vector field)“的方式定义李代数更容易为人所接受，也更容易揭示李代数的意义。最后，也有专门的论述把这种新的定义方式和传统方式联系起来。
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无论是研究Vision, Learning还是其它别的学科，数学终究是根基所在。学好数学是做好研究的基石。学好数学的关键归根结底是自己的努力，但是选择一本好的书还是大有益处的。不同的人有不同的知识背景，思维习惯和研究方向，因此书的选择也因人而异，只求适合自己，不必强求一致。上面的书仅仅是从我个人角度的出发介绍的，我的阅读经历实在非常有限，很可能还有比它们更好的书（不妨也告知我一声，先说声谢谢了）。
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Learning中的代数结构的建立
Learning是一个融会多种数学于一体的领域。说起与此有关的数学学科，我们可能会迅速联想到线性代数以及建立在向量空间基础上的统计模型——事实上，主流的论文中确实在很大程度上基于它们。
R^n (n-维实向量空间) 是我们在paper中见到最多的空间，它确实非常重要和实用，但是，仅仅依靠它来描述我们的世界并不足够。事实上，数学家们给我们提供了丰富得多的工具。
“空间”(space)，这是一个很有意思的名词，几乎出现在所有的数学分支的基础定义之中。归纳起来，所谓空间就是指一个集合以及在上面定义的某种数学结构。关于这个数学结构的定义或者公理，就成为这个数学分支的基础，一切由此而展开。
还是从我们最熟悉的空间——R^n 说起吧。大家平常使用这个空间的时候，除了线性运算，其实还用到了别的数学结构，包括度量结构和内积结构。
· 第一，它是一个拓扑空间(Topological space)。而且从拓扑学的角度看，具有非常优良的性质：Normal (implying Hausdorff and Regular),Locally Compact, Paracompact, with Countable basis, Simply connected (implying connected and path connected),Metrizable.
· 第二，它是一个度量空间(Metric space)。我们可以计算上面任意两点的距离。
· 第三，它是一个有限维向量空间(Finite dimensional space)。因此，我们可以对里面的元素进行代数运算（加法和数乘），我们还可以赋予它一组有限的基，从而可以用有限维坐标表达每个元素。
·第四，基于度量结构和线性运算结构，可以建立起分析(Analysis)体系。我们可以对连续函数进行微分，积分，建立和求解微分方程，以及进行傅立叶变换和小波分析。
· 第五，它是一个希尔伯特空间（也就是完备的内积空间）(Hilbert space, Complete inner product space)。它有一套很方便计算的内积(inner product)结构——这个空间的度量结构其实就是从其内积结构诱导出来。更重要的，它是完备的(Complete)——代表任何一个柯西序列(Cauchy sequence)都有极限——很多人有意无意中其实用到了这个特性，不过习惯性地认为是理所当然了。
· 第六，它上面的线性映射构成的算子空间仍旧是有限维的——一个非常重要的好处就是，所有的线性映射都可以用矩阵唯一表示。特别的，因为它是有限维完备空间，它的泛函空间和它本身是同构的，也是R^n。因而，它们的谱结构，也就可以通过矩阵的特征值和特征向量获得。
· 第七，它是一个测度空间——可以计算子集的大小（面积/体积）。正因为此，我们才可能在上面建立概率分布(distribution)——这是我们接触的绝大多数连续统计模型的基础。
我 们可以看到，这是一个非常完美的空间，为我们的应用在数学上提供了一切的方便，在上面，我们可以理所当然地认为它具有我们希望的各种良好性质，而无须特 别的证明；我们可以直接使用它的各种运算结构，而不需要从头建立；而且很多本来不一样的概念在这里变成等价的了，我们因此不再需要辨明它们的区别。
以此为界，Learning的主要工作分成两个大的范畴：
1. 建立一种表达形式，让它处于上面讨论的R^n空间里面。
2. 获得了有限维向量表达后，建立各种代数算法或者统计模型进行分析和处理。
这里只讨论第一个范畴。先看看，目前用得比较广泛的一些方法：
1. 直接基于原始数据建立表达。 我们关心的最终目标是一个个现实世界中的对象：一幅图片，一段语音，一篇文章，一条交易记录，等等。这些东西大部分本身没有附着一个数值向量的。为了构造 一个向量表达，我们可以把传感器中记录的数值，或者别的什么方式收集的数值数据按照一定的顺序罗列出来，就形成一个向量了。如果有n个数字，就认为它们在R^n里面。
不过，这在数学上有一点小问题，在大部分情况下，根据数据产生的物理原理，这些向量的值域并不能充满整个空间。比如图像的像素值一般是正值，而且在一个有界闭集之中。这带来的问题是，对它们进行线性运算很可能得到的结果会溢出正常的范围——在大部分paper中，可能只是采用某些heuristics的手段进行简单处理，或者根本不管，很少见到在数学上对此进行深入探讨的——不过如果能解决实际问题，这也是无可厚非的，毕竟不是所有的工作都需要像纯数学那样追求严谨。
2. 量化(quantization)。这是在处理连续信号时被广泛采用的方式。只是习以为常，一般不提名字而已。比如一个空间信号（Vision中的image）或者时间信号，它们的domain中的值是不可数无限大的(uncountably infinite)，不要说表示为有限维向量，即使表达为无限序列也是不可能的。在这种情况下，一般在有限域内，按照一定顺序每隔一定距离取一个点来代表其周围的点，从而形成有限维的表达。这就是信号在时域或空域的量化。
这样做不可避免要丢失信息。但是，由于小邻域内信号的高度相关，信息丢失的程度往往并不显著。而且，从理论上说，这相当于在频域中的低通过率。对于有限能量的连续信号，不可能在无限高的频域中依然保持足够的强度，只要采样密度足够，丢失的东西可以任意的少。
除了表示信号，对于几何形体的表达也经常使用量化，比如表示curve和surface。
3. 找出有限个数充分表达一个对象也许不是最困难的。不过,在 其上面建立数学结构却未必了。一般来说，我们要对其进行处理，首先需要一个拓扑结构用以描述空间上的点是如何联系在一起。直接建立拓扑结构在数学上往往非 常困难，也未必实用。因此，绝大部分工作采取的方式是首先建立度量结构。一个度量空间，其度量会自然地诱导出一个拓扑结构——不过，很多情况下我们似乎会无视它的存在。
最简单的情况，就是使用原始向量表达的欧氏距离(Euclidean distance)作为metric。 不过，由于原始表达数值的不同特性，这种方式效果一般不是特别好，未必能有效表达实际对象的相似性（或者不传感器中记录的数值，或者别的什么方式收集的数值数据按照一定的顺序罗列出来，就形成一个向量了。如果有n个数字，就认为它们在R^n里面。
不过，这在数学上有一点小问题，在大部分情况下，根据数据产生的物理原理，这些向量的值域并不能充满整个空间。比如图像的像素值一般是正值，而且在一个有界闭集之中。这带来的问题是，对它们进行线性运算很可能得到的结果会溢出正常的范围——在大部分paper中，可能只是采用某些heuristics的手段进行简单处理，或者根本不管，很少见到在数学上对此进行深入探讨的——不过如果能解决实际问题，这也是无可厚非的，毕竟不是所有的工作都需要像纯数学那样追求严谨。
2. 量化(quantization)。这是在处理连续信号时被广泛采用的方式。只是习以为常，一般不提名字而已。比如一个空间信号（Vision中的image）或者时间信号，它们的domain中的值是不可数无限大的(uncountably infinite)，不要说表示为有限维向量，即使表达为无限序列也是不可能的。在这种情况下，一般在有限域内，按照一定顺序每隔一定距离取一个点来代表其周围的点，从而形成有限维的表达。这就是信号在时域或空域的量化。
这样做不可避免要丢失信息。但是，由于小邻域内信号的高度相关，信息丢失的程度往往并不显著。而且，从理论上说，这相当于在频域中的低通过率。对于有限能量的连续信号，不可能在无限高的频域中依然保持足够的强度，只要采样密度足够，丢失的东西可以任意的少。
除了表示信号，对于几何形体的表达也经常使用量化，比如表示curve和surface。
3. 找出有限个数充分表达一个对象也许不是最困难的。不过,在 其上面建立数学结构却未必了。一般来说，我们要对其进行处理，首先需要一个拓扑结构用以描述空间上的点是如何联系在一起。直接建立拓扑结构在数学上往往非 常困难，也未必实用。因此，绝大部分工作采取的方式是首先建立度量结构。一个度量空间，其度量会自然地诱导出一个拓扑结构——不过，很多情况下我们似乎会无视它的存在。
最简单的情况，就是使用原始向量表达的欧氏距离(Euclidean distance)作为metric。 不过，由于原始表达数值的不同特性，这种方式效果一般不是特别好，未必能有效表达实际对象的相似性（或者不相似性）。因此，很多工作会有再此基础上进行度 量的二次建立。方式是多种多样的，一种是寻求一个映射，把原空间的元素变换到一个新的空间，在那里欧氏距离变得更加合适。这个映射发挥的作用包括对信息进 行筛选，整合，对某些部分进行加强或者抑制。这就是大部分关于feature selection，feature extraction，或者subspace learning的文章所要做的。另外一种方式，就是直接调节距离的计算方式（有些文章称之为metric learning）。
这两种方式未必是不同的。如果映射是单射，那么它相当于在原空间建立了一个不同的度量。反过来，通过改变距离计算方式建立的度量在特定的条件下对应于某种映射。
4. 大家可能注意到，上面提到的度量建立方法，比如欧氏距离，它需要对元素进行代数运算。对于普通的向量空间，线性运算是天然赋予的，我们无须专门建立，所以可以直接进行度量的构造——这也是大部分工作的基础。可是，有些事物其原始表达不是一个n-tuple，它可能是一个set，一个graph，或者别的什么特别的object。怎么建立代数运算呢？
一 种方法是直接建立。就是给这些东西定义自己的加法和数乘。这往往不是那么直接（能很容易建立的线性运算结构早已经被建立好并广泛应用了），可能需要涉及 很深的数学知识，并且要有对问题本身的深入了解和数学上的洞察力。不过，一个新的代数结构一旦建立起来，其它的数学结构，包括拓扑，度量，分析，以及内积 结构也随之能被自然地诱导出来，我们也就具有了对这个对象空间进行各种数学运算和操作的基础。加法和数乘看上去简单，但是如果我们对于本来不知道如何进行 加法和数乘的空间建立了这两样东西，其理论上的贡献是非常大的。
（一个小问题：大家常用各种graphical model，但是，每次这些model都是分别formulate，然后推导出estimation和evaluation的步骤方法。是否可能对'the space of graphical model'或者它的某个特定子集建立某种代数结构呢？（不一定是线性空间，比如群，环，广群， etc）从而使得它们在代数意义上统一起来，而相应的estimation或者evaluation也可以用过代数运算derive。这不是我的研究范围，也超出了我目前的能力和知识水平，只是我相信它在理论上的重要意义，留作一个远景的问题。事实上，数学中确实有一个分支叫做 Algebraic statistics 可能在探讨类似的问题，不过我现在对此了解非常有限。）
5. 回到我们的正题，除了直接建立运算定义，另外一种方式就是嵌入(embedding)到某个向量空间，从而继承其运算结构为我所用。当然这种嵌入也不是乱来，它需要保持原来这些对象的某种关系。最常见的就是保距嵌入(isometric embedding)，我们首先建立度量结构（绕过向量表达，直接对两个对象的距离通过某种方法进行计算），然后把这个空间嵌入到目标空间，通常是有限维向量空间，要求保持度量不变。
“嵌入”是一种在数学上应用广泛的手段，其主要目标就是通过嵌入到一个属性良好，结构丰富的空间，从而利用其某种结构或者运算体系。在拓扑学中，嵌入到metric space是对某个拓扑空间建立度量的重要手段。而在这里，我们是已有度量的情况下，通过嵌入获取线性运算的结构。除此以来，还有一种就是前些年比较热的manifold embedding，这个是通过保持局部结构的嵌入，获取全局结构，后面还会提到。
6. 接下来的一个重要的代数结构，就是内积(inner product)结构。内积结构一旦建立，会直接诱导出一种性质良好的度量，就是范数(norm)，并且进而诱导出拓扑结构。一般来说，内积需要建立在线性空间的基础上，否则连一个二元运算是否是内积都无法验证。不过，kernel理论指出，对于一个空间，只要定义一个正定核(positive kernel)——一个符合正定条件的二元运算，就必然存在一个希尔伯特空间，其内积运算等效于核运算。这个结论的重要意义在于，我们可以绕开线性空间，通过首先定义kernel的方式，诱导出一个线性空间(叫做再生核希尔伯特空间 Reproducing Kernel Hilbert Space)，从而我们就自然获得我们所需要的度量结构和线性运算结构。这是kernel theory的基础。
在很多教科书中，以二次核为例子，把二维空间变成三维，然后告诉大家kernel用于升维。对于这种说法，我一直认为在一定程度上是误导的。事实上，kernel的最首要意义是内积的建立（或者改造），从而诱导出更利于表达的度量和运算结构。对于一个问题而言，选择一个切合问题的kernel比起关注“升维”来得更为重要。
kernel被视为非线性化的重要手段，用于处理非高斯的数据分布。这是有道理的。通过nonlinear kernel改造的内积空间，其结构和原空间的结构确实不是线性关联，从这个意义上说，它实施了非线性化。不过，我们还应该明白，它的最终目标还是要回到线性空间，新的内积空间仍旧是一个线性空间，它一旦建立，其后的运算都是线性的，因此，kernel的使用就是为了寻求一个新的线性空间，使得线性运算更加合理——非线性化的改造最终仍旧是要为线性运算服务。
值得一提的是，kernelization本质上说还是一种嵌入过程：对于一个空间先建立内积结构，并且以保持内积结构不变的方式嵌入到一个高维的线性空间，从而继承其线性运算体系。
7. 上面说到的都是从全局的方式建立代数结构的过程，但是那必须以某种全局结构为基础（无论预先定义的是运算，度量还是内积，都必须适用于全空间。）但是，全局结构未必存在或者适合，而局部结构往往简单方便得多。这里就形成一种策略，以局部而达全局——这就是流形(manifold)的思想，而其则根源于拓扑学。
从拓扑学的角度说，流形就是一个非常优良的拓扑空间：符合Hausdorff分离公理（任何不同的两点都可以通过不相交的邻域分离），符合第二可数公理（具有可数的拓扑基），并且更重要的是，局部同胚于R^n。因此，一个正则(Regular)流形基本就具有了各种最良好的拓扑特性。而局部同胚于R^n，代表了它至少在局部上可以继承R^n的各种结构，比如线性运算和内积，从而建立分析体系。事实上，拓扑流形继承这些结构后形成的体系，正是现代流形理论研究的重点。继承了分析体系的流形，就形成了微分流形(Differential manifold)，这是现代微分几何的核心。而微分流形各点上的切空间(Tangent Space)，则获得了线性运算的体系。而进一步继承了局部内积结构的流形，则形成黎曼流形(Riemann manifold)，而流形的全局度量体系——测地距离(geodesics)正是通过对局部度量的延伸来获得。进一步的，当流行本身的拓扑结构和切空间上的线性结构发生关系——也就获得一簇拓扑关联的线性空间——向量丛(Vector bundle)。
虽然manifold theory作为现代几何学的核心，是一个博大精深的领域，但是它在learning中的应用则显得非常狭窄。事实上，对于manifold，很多做learning的朋友首先反应的是ISOMAP, LLE, eigenmap之类的算法。这些都属于embedding。当然，这确实是流形理论的一个重要方面。严格来说，这要求是从原空间到其映像的微分同胚映射，因此，嵌入后的空间在局部上具有相同的分析结构，同时也获得了各种好处——全局的线性运算和度量。不过，这个概念在learning的应用中被相当程度的放宽了——微分同胚并不能被完全保证，而整个分析结构也不能被完全保持。大家更关注的是保持局部结构中的某个方面——不过这在实际应用中的折衷方案也是可以理解的。事实表明，当原空间中的数据足够密集的情况下，这些算法工作良好。
Learning中流形应用的真正问题在于它被过滥地运用于稀疏空间(Sparse space)，事实上在高维空间中撒进去几千乃至几十万点，即使最相邻的几点也难称为局部了，局部的范围和全局的范围其实已经没有了根本差别，连局部的概念都立不住脚的时候，后面基于其展开的一切工作也都没有太大的意义。事实上，稀疏空间有其本身的规律和法则，通过局部形成全局的流形思想从本质上是不适合于此的。虽然，流形是一种非常美的理论，但是再漂亮的理论也需要用得其所——它应该用于解决具有密集数据分布的低维空间。至于，一些paper所报告的在高维空间（比如人脸）运用流形方法获得性能提升，其实未必是因为“流形”本身所起的作用，而很可能是其它方面的因素。
8. 流形在实际应用中起重要作用的还有两个方面：一个是研究几何形体的性质（我们暂且不谈这个），还有就是它和代数结构的结合形成的李群(Lie group)和李代数(Lie algebra)。当我们研究的对象是变换本身的时候，它们构成的空间是有其特殊性的，比如所有子空间投影形成了Grassmann流形，所有的可逆线性算子，或者仿射算子，也形成各自的流形。对他们的最重要操作是变换的结合，而不是加法数乘，因此，它们上面定义的更合适的代数结构应该是群和不是线性空间。而群和微分流形的结合体——李群则成为它们最合适的描述体系——而其切空间则构成了一种加强的线性空间：李代数，用于描述其局部变化特性。
李代数和李群的关系是非常漂亮的。它把变换的微变化转换成了线性空间的代数运算，使得移植传统的基于线性空间的模型和算法到李空间变得可能。而且李代数中的矩阵比起变换本身的矩阵甚至更能反映变换的特性。几何变换的李代数矩阵的谱结构就能非常方便地用于分析变换的几何特性。
最后，回头总结一下关于嵌入这个应用广泛的策略，在learning中的isometry, kernel和manifold embedding都属于此范畴，它们分别通过保持原空间的度量结构，内积结构和局部结构来获得到目标（通常是向量空间）的嵌入，从而获得全局的坐标表达，线性运算和度量，进而能被各种线性算法和模型所应用。
在获得这一系列好处的同时，也有值得我们注意的地方。首先，嵌入只是一种数学手段，并不能取代对问题本身的研究和分析。一种不恰当的原始结构或者嵌入策略，很多时候甚至适得其反——比如稀疏空间的流形嵌入，或者选取不恰当的kernel。另外，嵌入适合于分析，而未必适合于重建或者合成。这是因为嵌入是一个单射(injection)，目标空间不是每一个点都和原空间能有效对应的。嵌入之后的运算往往就打破了原空间施加的限制。比如两个元素即使都是从原空间映射过来，它们的和却未必有原像，这时就不能直接地回到原空间了。当然可以考虑在原空间找一个点它的映射与之最近，不过这在实际中的有效性是值得商榷的。
和Learning有关的数学世界是非常广博的，我随着学习和研究的深入，越来越发现在一些我平常不注意的数学分支中有着适合于问题的结构和方法。比如，广群(groupoid)和广代数(algebroid)能克服李群和李代数在表示连续变换过程中的一些困难——这些困难困扰了我很长时间。解决问题和建立数学模型是相辅相成的，一方面，一个清晰的问题将使我们有明确的目标去寻求合适的数学结构，另一方面，对数学结构的深入理解对于指导问题的解决也是有重要作用的。对于解决一个问题来说，数学工具的选择最重要的是适合，而不是高深，但是如果在现有数学方法陷入困难的时候，寻求更高级别的数学的帮助，往往能柳暗花明。数学家长时间的努力解决的很多问题，并不都是理论游戏，他们的解决方案中很多时候蕴含着我们需要的东西，而且可能导致对更多问题的解决——但是我们需要时间去学习和发现它们。
拓扑：游走于直观与抽象之间
近日来，抽空再读了一遍点集拓扑(Point Set Topology)，这是我第三次重新学习这个理论了。我看电视剧和小说，极少能有兴致看第二遍，但是，对于数学，每看一次都有新的启发和收获。
代数，分析，和拓扑，被称为是现代数学的三大柱石。最初读拓扑，是在两三年前，由于学习流形理论的需要。可是，随着知识的积累，发现它是很多理论的根基。可以说，没有拓扑，就没有现代意义的分析与几何。我们在各种数学分支中接触到的最基本的概念，比如，极限，连续，距离（度量），边界，路径，在现代数学中，都源于拓扑。
拓扑学是一门非常奇妙的学科，它把最直观的现象和最抽象的概念联系在一起了。拓扑描述的是普遍使用的概念（比如开集，闭集，连续），我们对这些概念习以为常，理所当然地使用着，可是，真要定义它，则需要对它们本质的最深刻的洞察。数学家们经过长时间的努力，得到了这些概念的现代定义。这里面很多第一眼看上去，会感觉惊奇——怎么会定义成这个样子。
首先是开集。在学习初等数学时，我们都学习开区间 (a, b)。可是，这只是在一条线上的，怎么推广到二维空间，或者更高维空间，或者别的形体上呢？最直观的想法，就是“一个不包含边界的集合”。可是，问题来了，给一个集合，何谓“边界”？在拓扑学里面，开集(Open Set)是最根本的概念，它是定义在集合运算的基础上的。它要求开集符合这样的条件：开集的任意并集和有限交集仍为开集。
我最初的时候，对于这样的定义方式，确实百思不解。不过，读下去，看了和做了很多证明后，发现，这样的定义一个很重要的意义在于：它保证了开集中每个点都有一个邻域包含在这个集合内——所有点都和外界（补集）保持距离。这样的理解应该比使用集合运算的定义有更明晰的几何意义。但是，直观的东西不容易直接形成严谨的定义，使用集合运算则更为严格。而集合运算定义中，任意并集的封闭性是对这个几何特点的内在保证。
另外一个例子就是“连续函数”(Continuous Function)。在学微积分时，一个耳熟能详的定义是“对任意的epsilon > 0，存在delta > 0，使得。。。。”，背后最直观的意思就是“足够近的点保证映射到任意小的范围内”。可是，epsilon, delta都依赖于实空间，不在实空间的映射又怎么办呢？拓扑的定义是“如果一个映射的值域中任何开集的原象都是开集，那么它连续。”这里就没有epsilon什么事了。“开集的原象是开集”
这里的关键在于，在拓扑学中，开集的最重要意义就是要传递“邻域”的意思——开集本身就是所含点的邻域。这样连续定义成这样就顺理成章了。稍微把说法调节一下，上面的定义就变成了“对于f(x)的任意邻域U，都有x的一个邻域V，使得V里面的点都映射到U中。”
这里面，我们可以感受到为什么开集在拓扑学中有根本性的意义。既然开集传达“邻域”的意思，那么，它最重要的作用就是要表达哪些点靠得比较近。给出一个拓扑结构，就是要指出哪些是开集，从而指出哪些点靠得比较近，这样就形成了一个聚集结构——这就是拓扑。
可是这也可以通过距离来描述，为什么要用开集呢，反而不直观了。某种意义上说，拓扑是“定性”的，距离度量是“定量”的。随着连续变形，距离会不断变化，但是靠近的点还是靠近，因此本身固有的拓扑特性不会改变。拓扑学研究的就是这种本质特性——连续变化中的不变性。
在拓扑的基本概念中，最令人费解的，莫过于“紧性”(Compactness)。它描述一个空间或者一个集合“紧不紧”。正式的定义是“如果一个集合的任意开覆盖都有有限子覆盖，那么它是紧的”。乍一看，实在有点莫名其妙。它究竟想描述一个什么东西呢？和“紧”这个形容词又怎么扯上关系呢？
一个直观一点的理解，几个集合是“紧”的，就是说，无限个点撒进去，不可能充分散开。无论邻域多么小，必然有一些邻域里面有无限个点。上面关于compactness的这个定义的玄机就在有限和无限的转换中。一个紧的集合，被无限多的小邻域覆盖着，但是，总能找到其中的有限个就能盖全。那么，后果是什么呢？无限个点撒进去，总有一个邻域包着无数个点。邻域们再怎么小都是这样——这就保证了无限序列中存在极限点。
Compact这个概念虽然有点不那么直观，可是在分析中有着无比重要的作用。因为它关系到极限的存在性——这是数学分析的基础。了解泛函分析的朋友都知道，序列是否收敛，很多时候就看它了。微积分中，一个重要的定理——有界数列必然包含收敛子列，就是根源于此。
在学习拓扑，或者其它现代数学理论之前，我们的数学一直都在有限维欧氏空间之中，那是一个完美的世界，具有一切良好的属性，Hausdorff, Locally compact, Simply connected，Completed，还有一套线性代数结构，还有良好定义的度量，范数，与内积。可是，随着研究的加深，终究还是要走出这个圈子。这个时候，本来理所当然的东西，变得不那么必然了。
· 两个点必然能分开？你要证明空间是Hausdorff的。
· 有界数列必然存在极限点？这只在locally compact的空间如此。
· 一个连续体内任意两点必然有路径连接？这可未必。
一切看上去有悖常理，而又确实存在。从线性代数到一般的群，从有限维到无限维，从度量空间到拓扑空间，整个认识都需要重新清理。而且，这些绝非仅是数学家的概念游戏，因为我们的世界不是有限维向量能充分表达的。当我们研究一些不是向量能表达的东西的时候，度量，代数，以及分析的概念，都要重新建立，而起点就在拓扑。
和机器学习和计算机视觉相关的数学（转载）
（以下转自一位MIT牛人的空间文章，写得很实际：）
作者：Dahua
感觉数学似乎总是不够的。这些日子为了解决research中的一些问题，又在图书馆捧起了数学的教科书。从大学到现在，课堂上学的和自学的数学其实不算少了，可是在研究的过程中总是发现需要补充新的数学知识。Learning和Vision都是很多种数学的交汇场。看着不同的理论体系的交汇，对于一个researcher来说，往往是非常exciting的enjoyable的事情。不过，这也代表着要充分了解这个领域并且取得有意义的进展是很艰苦的。记得在两年前的一次blog里面，提到过和learning有关的数学。今天看来，我对于数学在这个领域的作用有了新的思考。对于Learning的研究，
1、Linear Algebra (线性代数) 和 Statistics (统计学) 是最重要和不可缺少的。这代表了Machine Learning中最主流的两大类方法的基础。一种是以研究函数和变换为重点的代数方法，比如Dimension reduction，feature extraction，Kernel等，一种是以研究统计模型和样本分布为重点的统计方法，比如Graphical model, Information theoretical models等。它们侧重虽有不同，但是常常是共同使用的，对于代数方法，往往需要统计上的解释，对于统计模型，其具体计算则需要代数的帮助。以代数和统计为出发点，继续往深处走，我们会发现需要更多的数学。
2、Calculus (微积分)，只是数学分析体系的基础。其基础性作用不言而喻。Learning研究的大部分问题是在连续的度量空间进行的，无论代数还是统计，在研究优化问题的时候，对一个映射的微分或者梯度的分析总是不可避免。而在统计学中，Marginalization和积分更是密不可分——不过，以解析形式把积分导出来的情况则不多见。
3、Partial Differential Equation （偏微分方程)，这主要用于描述动态过程，或者仿动态过程。这个学科在Vision中用得比Learning多，主要用于描述连续场的运动或者扩散过程。比如Level set, Optical flow都是这方面的典型例子。
4、Functional Analysis (泛函分析)，通俗地，可以理解为微积分从有限维空间到无限维空间的拓展——当然了，它实际上远不止于此。在这个地方，函数以及其所作用的对象之间存在的对偶关系扮演了非常重要的角色。Learning发展至今，也在向无限维延伸——从研究有限维向量的问题到以无限维的函数为研究对象。Kernel Learning 和Gaussian Process 是其中典型的例子——其中的核心概念都是Kernel。很多做Learning的人把Kernel简单理解为Kernel trick的运用，这就把kernel的意义严重弱化了。在泛函里面，Kernel (Inner Product)是建立整个博大的代数体系的根本，从metric, transform到spectrum都根源于此。
5、Measure Theory (测度理论)，这是和实分析关系非常密切的学科。但是测度理论并不限于此。从某种意义上说，Real Analysis可以从Lebesgue Measure（勒贝格测度）推演，不过其实还有很多别的测度体系——概率本身就是一种测度。测度理论对于Learning的意义是根本的，现代统计学整个就是建立在测度理论的基础之上——虽然初级的概率论教科书一般不这样引入。在看一些统计方面的文章的时候，你可能会发现，它们会把统计的公式改用测度来表达，这样做有两个好处：所有的推导和结论不用分别给连续分布和离散分布各自写一遍了，这两种东西都可以用同一的测度形式表达：连续分布的积分基于Lebesgue测度，离散分布的求和基于计数测度，而且还能推广到那种既不连续又不离散的分布中去（这种东西不是数学家的游戏，而是已经在实用的东西，在Dirchlet Process或者Pitman-Yor Process里面会经常看到)。而且，即使是连续积分，如果不是在欧氏空间进行，而是在更一般的拓扑空间（比如微分流形或者变换群），那么传统的黎曼积分（就是大学一年级在微积分课学的那种）就不work了，你可能需要它们的一些推广，比如Haar Measure或者Lebesgue-Stieltjes积分。
6、Topology（拓扑学)，这是学术中很基础的学科。它一般不直接提供方法，但是它的很多概念和定理是其它数学分支的基石。看很多别的数学的时候，你会经常接触这样一些概念：Open set / Closed set，set basis，Hausdauf, continuous function，metric space, Cauchy sequence, neighborhood, compactness, connectivity。很多这些也许在大学一年级就学习过一些，当时是基于极限的概念获得的。如果，看过拓扑学之后，对这些概念的认识会有根本性的拓展。比如，连续函数，当时是由epison法定义的，就是无论取多小的正数epsilon，都存在xxx，使得xxx。这是需要一种metric去度量距离的，在general topology里面，对于连续函数的定义连坐标和距离都不需要——如果一个映射使得开集的原像是开集，它就是连续的——至于开集是基于集合论定义的，不是通常的开区间的意思。这只是最简单的例子。当然，我们研究learning也许不需要深究这些数学概念背后的公理体系，但是，打破原来定义的概念的局限在很多问题上是必须的——尤其是当你研究的东西它不是在欧氏空间里面的时候——正交矩阵，变换群，流形，概率分布的空间，都属于此。
7、Differential Manifold (微分流形)，通俗地说它研究的是平滑的曲面。一个直接的印象是它是不是可以用来fitting一个surface什么的——当然这算是一种应用，但是这是非常初步的。本质上说，微分流形研究的是平滑的拓扑结构。一个空间构成微分流形的基本要素是局部平滑：从拓扑学来理解，就是它的任意局部都同胚于欧氏空间，从解析的角度来看，就是相容的局部坐标系统。当然，在全局上，它不要求和欧氏空间同胚。它除了可以用于刻画集合上的平滑曲面外，更重要的意义在于，它可以用于研究很多重要的集合。一个n-维线性空间的全部k-维子空间(k
8、Lie Group Theory (李群论)，一般意义的群论在Learning中被运用的不是很多，群论在Learning中用得较多的是它的一个重要方向Lie group。定义在平滑流形上的群，并且其群运算是平滑的话，那么这就叫李群。因为Learning和编码不同，更多关注的是连续空间，因为Lie group在各种群中对于Learning特别重要。各种子空间，线性变换，非奇异矩阵都基于通常意义的矩阵乘法构成李群。在李群中的映射，变换，度量，划分等等都对于Learning中代数方法的研究有重要指导意义。
9、Graph Theory（图论)，图，由于它在表述各种关系的强大能力以及优雅的理论，高效的算法，越来越受到Learning领域的欢迎。经典图论，在Learning中的一个最重要应用就是graphical models了，它被成功运用于分析统计网络的结构和规划统计推断的流程。Graphical model所取得的成功，图论可谓功不可没。在Vision里面，maxflow (graphcut)算法在图像分割，Stereo还有各种能量优化中也广受应用。另外一个重要的图论分支就是Algebraic graph theory (代数图论)，主要运用于图的谱分析，著名的应用包括Normalized Cut和Spectral Clustering。近年来在semi-supervised learning中受到特别关注。
这是大牛们做的很好的综述啊！
据说，是MIT一牛人对数学在机器学习中的作用给的评述!
[转]图像处理与计算机视觉概述
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[转]图像处理与计算机视觉概述   2013-10-17 阅读476  评论0
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在这里，我特别声明：本文章的源作者是 杨晓冬 （个人邮箱： [email protected] ）。原文的链接是
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我非常感谢原作者辛勤地编写本文章，并愿意共享出来。我也希望转载本文的各位朋友，要注明原作者和出处，以尊重原作者！
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图像处理与计算机视觉基础，经典以及最近发展 By xdyang（杨晓冬 [email protected] ）
一、 绪论 1. 为什么要写这篇文章 从2002年到现在，接触图像快十年了。虽然没有做出什么很出色的工作，不过在这个领域摸爬滚打了十年之后，发现自己对图像处理和计算机视觉的感情越来 越深厚。下班之后看看相关的书籍和文献是一件很惬意的事情。平常的一大业余爱好就是收集一些相关的文章，尤其是经典的文章，到现在我的电脑里面已经有了几 十G的文章。写这个文档的想法源于我前一段时间整理文献时的一个突发奇想，既然有这个多文献，何不整理出其中的经典，抓住重点来阅读，同时也可以共享给大 家。于是当时即兴写了一个《图像处理与计算机视觉中的经典论文》。现在来看，那个文档写得很一般，所共享的论文也非常之有限。就算如此，还是得到了一些网 友的夸奖，心里感激不尽。因此，一直想下定决心把这个工作给完善，力求做到尽量全面。
本文是对现有的图像处理和计算机视觉的经典书籍（后面会有推荐）的一个补充。一般的图像处理书籍都是介绍性的介绍某个方法，在每个领域内都会引用几十上 百篇参考文献。有时候想深入研究这个领域的时候却发现文献太多，不知如何选择。但实际上在每个领域都有那么三五篇抑或更多是非读不可的经典文献。这些文献 除了提出了很经典的算法，同时他们的Introduction和Related work也是对所在的领域很好的总结。读通了这几篇文献也就等于深入了解了这个领域，比单纯的看书收获要多很多。写本文的目的就是想把自己所了解到的各个 领域的经典文章整理出来,不用迷失在参考文献的汪洋大海里。
2. 图像处理和计算机视觉的分类 按照当前流行的分类方法，可以分为以下三部分：
A.图像处理：对输入的图像做某种变换，输出仍然是图像，基本不涉及或者很少涉及图像内容的分析。比较典型的有图像变换，图像增强，图像去噪，图像压 缩，图像恢复，二值图像处理等等。基于阈值的图像分割也属于图像处理的范畴。一般处理的是单幅图像。
B.图像分析：对图像的内容进行分析，提取有意义的特征，以便于后续的处理。处理的仍然是单幅图像。
C.计算机视觉：对图像分析得到的特征进行分析，提取场景的语义表示，让计算机具有人眼和人脑的能力。这时处理的是多幅图像或者序列图像，当然也包括部分单幅图像。
关于图像处理，图像分析和计算机视觉的划分并没有一个很统一的标准。一般的来说，图像处理的书籍总会或多或少的介绍一些图像分析和计算机视觉的知识，比如 冈萨雷斯的数字图像处理。而计算机视觉的书籍基本上都会包括图像处理和图像分析，只是不会介绍的太详细。其实图像处理，图像分析和计算机视觉都可以纳入到 计算机视觉的范畴：图像处理->低层视觉（low level vision），图像分析->中间层视觉（middle level vision），计算机视觉->高层视觉（high level vision）。这是一般的计算机视觉或者机器视觉的划分方法。在本文中，仍然按照传统的方法把这个领域划分为图像处理，图像分析和计算机视觉。
3.图像处理和计算机视觉开源库以及编程语言选择 目前在图像处理中有两种最重要的语言：c/c++和matlab。它们各有优点：c/c++比较适合大型的工程，效率较高，而且容易转成硬件语言，是工 业界的默认语言之一。而matlab实现起来比较方便，适用于算法的快速验证，而且matlab有成熟的工具箱可以使用，比如图像处理工具箱，信号处理工 具箱。它们有一个共同的特点：开源的资源非常多。在学术界matlab使用的非常多，很多作者给出的源代码都是matlab版本。最近由于OpenCV的 兴起和不断完善，c/c++在图像处理中的作用越来越大。总的来说，c/c++和matlab都必须掌握，最好是精通，当然侧重在c/c++上对找工作会 有很大帮助。
至于开源库，个人非常推荐OpenCV，主要有以下原因：
（1）简单易入手。OpenCV进入OpenCV2.x的时代后，使用起来越来越简单,接口越来越傻瓜化，越来越matlab化。只要会imread,imwrite,imshow和了解Mat的基本操作就可以开 始入手了。
（2）OpenCV有一堆图像处理和计算机视觉的大牛在维护，bug在逐步减少，每个新的版本都会带来不同的惊喜。而且它已经或者逐步在移植到不懂的平台,并提供了对Python的很好的支持。
（3） 在OpenCV上可以尝试各种最新以及成熟的技术，而不需要自己从头去写，比如人脸检测（Harr，LBP），DPM（Latent SVM），高斯背景模型，特征检测，聚类，hough变换等等 。而且它还支持各种机器学习方法（SVM，NN，KNN，决策树，Boosting等），使用起来很简单。
（4）文档内容丰富，并且给出了很多示例程序。当然也有一些地方文档描述不清楚，不过看看代码就很清楚了。
（5）完全开源。可以从中间提取出任何需要的算法。
（6） 从学校出来后，除极少数会继续在学术圈里，大部分还是要进入工业界。现在在工 业界，c/c++仍是主流，很多公司都会优先考虑熟悉或者精通OpenCV的。事实上，在学术界，现在OpenCV也大有取代matlab之势。以前的 demo或者source code，很多作者都愿意给出matlab版本的，然后别人再呼哧呼哧改成c版本的。现在作者干脆给出c/c++版本，或者自己集成到OpenCV中去， 这样能快速提升自己的影响力。
如果想在图像处理和计算机视觉界有比较深入的研究，并且以后打算进入这个领域工作的话，建议把OpenCV作为自己的主攻方向。如果找工作的时候敢号称自己精通OpenCV的话，肯定可以找到一份满意的工作。
4. 本文的特点和结构，以及适合的对象 在本文面 向的对象是即将进入或者刚刚进入图像处理和计算机视觉领域的童鞋，可以在阅读书籍的同时参阅这些文献，能对书中提到的算法有比较深刻的理解。由于本文涉及 到的范围比较广，如果能对计算机视觉的资深从业者也有一定的帮助，我将倍感欣慰。为了不至太误人子弟，每一篇文章都或多或少的看了一下，最不济也看了摘要 (这句话实在整理之前写的，实际上由于精力有限，好多文献都只是大概扫了一眼，然后看了看google的引用数，一般在1000以上就放上来了，把这些文 章细细品味一遍也是我近一两年之内的目标)。在成文的过程中，我本人也受益匪浅，希望能对大家也有所帮助。 由 于个人精力和视野的关系，有一些我未涉足过的领域不敢斗胆推荐，只是列出了一些引用率比较高的文章，比如摄像机标定和立体视觉。不过将来，由于工作或者其 他原因，这些领域也会接触到，我会逐步增减这些领域的文章。尽管如此，仍然会有疏漏，忘见谅。同时文章的挑选也夹带了一些个人的喜好，比如我个人比较喜欢 low level方向的，尤其是IJCV和PAMI上面的文章，因此这方面也稍微多点，希望不要引起您的反感。如果有什么意见或者建议，欢迎mail我。文章和 资源我都会在我的csdn blog和sina ishare同步更新。此申明：这些论文的版权归作者及其出版商所有，请勿用于商业目的。
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本 文的安排如下。第一部分是绪论。第二部分是图像处理中所需要用到的理论基础，主要是这个领域所涉及到的一些比较好的参考书籍。第三部分是计算机视觉中所涉 及到的信号处理和模式识别文章。由于图像处理与图像分析太难区分了，第四部分集中讨论了它们。第五部分是计算机视觉部分。最后是小结。
二、 图像处理与计算机视觉相关的书籍 1. 数学 我 们所说的图像处理实际上就是数字图像处理，是把真实世界中的连续三维随机信号投影到传感器的二维平面上，采样并量化后得到二维矩阵。数字图像处理就是二维 矩阵的处理，而从二维图像中恢复出三维场景就是计算机视觉的主要任务之一。这里面就涉及到了图像处理所涉及到的三个重要属性：连续性，二维矩阵，随机性。 所对应的数学知识是高等数学（微积分），线性代数（矩阵论），概率论和随机过程。这三门课也是考研数学的三个组成部分，构成了图像处理和计算机视觉最基础 的数学基础。如果想要更进一步，就要到网上搜搜林达华推荐的数学书目了。
2. 信号处理 图像处理其实就是二维和三维信号处理，而处理的信号又有一定的随机性，因此经典信号处理和随机信号处理都是图像处理和计算机视觉中必备的理论基础。
2.1经典信号处理 信号与系统(第2版) Alan V.Oppenheim等著 刘树棠译
离散时间信号处理(第2版) A.V.奥本海姆等著 刘树棠译
数字信号处理:理论算法与实现 胡广书 (编者)
2.2随机信号处理 现代信号处理 张贤达著
统计信号处理基础:估计与检测理论 Steven M.Kay等著 罗鹏飞等译
自适应滤波器原理(第4版) Simon Haykin著 郑宝玉等译
2.3 小波变换 信号处理的小波导引:稀疏方法(原书第3版) tephane Malla著, 戴道清等译
2.4 信息论 信息论基础(原书第2版) Thomas M.Cover等著 阮吉寿等译
3. 模式识别 Pattern Recognition and Machine Learning Bishop, Christopher M. Springer
模式识别(英文版)(第4版) 西奥多里德斯著
Pattern Classification (2nd Edition) Richard O. Duda等著
Statistical Pattern Recognition, 3rd Edition Andrew R. Webb等著
模式识别(第3版) 张学工著
4. 图像处理与计算机视觉的书籍推荐 图像处理，分析与机器视觉 第三版 Sonka等著 艾海舟等译
Image Processing, Analysis and Machine Vision
( 附：这本书是图像处理与计算机视觉里面比较全的一本书了，几乎涵盖了图像视觉领域的各个方面。中文版的个人感觉也还可以，值得一看。)
数字图像处理 第三版 冈萨雷斯等著
Digital Image Processing
(附：数字图像处理永远的经典，现在已经出到了第三版，相当给力。我的导师曾经说过，这本书写的很优美，对写英文论文也很有帮助，建议购买英文版的。)
计算机视觉：理论与算法 Richard Szeliski著
Computer Vision: Theory and Algorithm
(附：微软的Szeliski写的一本最新的计算机视觉著作。内容非常丰富，尤其包括了作者的研究兴趣，比如一般的书里面都没有的Image Stitching和 Image Matting等。这也从另一个侧面说明这本书的通用性不如Sonka的那本。不过作者开放了这本书的电子版，可以有选择性的阅读。
http://szeliski.org/Book/
Multiple View Geometry in Computer Vision 第二版Harley等著
引用达一万多次的经典书籍了。第二版到处都有电子版的。第一版曾出过中文版的，后来绝版了。网上也可以找到中英文版的电子版。)
计算机视觉：一种现代方法 DA Forsyth等著
Computer Vision: A Modern Approach
MIT的经典教材。虽然已经过去十年了，还是值得一读。期待第二版
Machine vision: theory, algorithms, practicalities 第三版 Davies著
(附：为数不多的英国人写的书，偏向于工业应用。)
数字图像处理 第四版 Pratt著
Digital Image Processing
(附：写作风格独树一帜，也是图像处理领域很不错的一本书。网上也可以找到非常清晰的电子版。)
5. 小结 罗嗦了这么多，实际上就是几个建议：
（1）基础书千万不可以扔，也不能低价处理给同学或者师弟师妹。不然到时候还得一本本从书店再买回来的。钱是一方面的问题，对着全新的书看完全没有看自己当年上过的课本有感觉。
（2）遇到有相关的课，果断选修或者蹭之，比如随机过程，小波分析，模式识别，机器学习，数据挖掘，现代信号处理甚至泛函。多一些理论积累对将来科研和工作都有好处。
（3）资金允许的话可以多囤一些经典的书，有的时候从牙缝里面省一点都可以买一本好书。不过千万不要像我一样只囤不看。
三、 计算机视觉中的信号处理与模式识别 从 本章开始，进入本文的核心章节。一共分三章，分别讲述信号处理与模式识别，图像处理与分析以及计算机视觉。与其说是讲述，不如说是一些经典文章的罗列以及 自己的简单点评。与前一个版本不同的是，这次把所有的文章按类别归了类，并且增加了很多文献。分类的时候并没有按照传统的分类方法，而是划分成了一个个小 的门类，比如SIFT，Harris都作为了单独的一类，虽然它们都可以划分到特征提取里面去。这样做的目的是希望能突出这些比较实用且比较流行的方法。 为了以后维护的方便，按照字母顺序排的序。
1. Boosting Boosting 是最近十来年来最成功的一种模式识别方法之一，个人认为可以和SVM并称为模式识别双子星。它真正实现了“三个臭皮匠，赛过诸葛亮”。只要保证每个基本分 类器的正确率超过50%，就可以实现组合成任意精度的分类器。这样就可以使用最简单的线性分类器。Boosting在计算机视觉中的最成功的应用无疑就是 Viola-Jones提出的基于Haar特征的人脸检测方案。听起来似乎不可思议，但Haar+Adaboost确实在人脸检测上取得了巨大的成功，已 经成了工业界的事实标准，并且逐步推广到其他物体的检测。
Rainer Lienhart在2002 ICIP发表的这篇文章是Haar+Adaboost的最好的扩展，他把原始的两个方向的Haar特征扩展到了四个方向，他本人是OpenCV积极的参与 者。现在OpenCV的库里面实现的Cascade Classification就包含了他的方法。这也说明了盛会（如ICIP，ICPR，ICASSP）也有好文章啊，只要用心去发掘。
[1997] A Decision-Theoretic Generalization of on-Line Learning and an Application to Boosting
[1998] Boosting the margin A new explanation for the effectiveness of voting methods
[2002 ICIP TR] Empirical Analysis of Detection Cascades of Boosted Classifiers for Rapid Object Detection
[2003] The Boosting Approach to Machine Learning An Overview
[2004 IJCV] Robust Real-time Face Detection
2. Clustering 聚 类主要有K均值聚类，谱聚类和模糊聚类。在聚类的时候如果自动确定聚类中心的数目是一个一直没有解决的问题。不过这也很正常，评价标准不同，得到的聚类中 心数目也不一样。不过这方面还是有一些可以参考的文献，在使用的时候可以基于这些方法设计自己的准则。关于聚类，一般的模式识别书籍都介绍的比较详细，不 过关于cluster validity讲的比较少，可以参考下面的文章看看。
[1989 PAMI] Unsupervised Optimal Fuzzy Clustering
[1991 PAMI] A validity measure for fuzzy clustering
[1995 PAMI] On cluster validity for the fuzzy c-means model
[1998] Some New Indexes of Cluster Validity
[1999 ACM] Data Clustering A Review
[1999 JIIS] On Clustering Validation Techniques
[2001] Estimating the number of clusters in a dataset via the Gap statistic
[2001 NIPS] On Spectral Clustering
[2002] A stability based method for discovering structure in clustered data
[2007] A tutorial on spectral clustering
3. Compressive Sensing 最近大红大紫的压缩感知理论。
[2006 TIT] Compressed Sensing
[2008 SPM] An Introduction to Compressive Sampling
[2011 TSP] Structured Compressed Sensing From Theory to Applications
4. Decision Trees 对决策树感兴趣的同学这篇文章是非看不可的了。
[1986] Introduction to Decision Trees
5. Dynamical Programming 动态规划也是一个比较使用的方法，这里挑选了一篇PAMI的文章以及一篇Book Chapter
[1990 PAMI] using dynamic programming for solving variational problems in vision
[Book Chapter] Dynamic Programming
6. Expectation Maximization EM是计算机视觉中非常常见的一种方法，尤其是对参数的估计和拟合，比如高斯混合模型。EM和GMM在Bishop的PRML里单独的作为一章，讲的很不错。关于EM的tutorial，网上也可以搜到很多。
[1977] Maximum likelihood from incomplete data via the EM algorithm
[1996 SPM] The Expectation-Maximzation Algorithm
7. Graphical Models 伯克利的乔丹大师的Graphical Model，可以配合这Bishop的PRML一起看。
[1999 ML] An Introduction to Variational Methods for Graphical Models
8. Hidden Markov Model HMM 在语音识别中发挥着巨大的作用。在信号处理和图像处理中也有一定的应用。最早接触它是跟小波和检索相关的，用HMM来描述小波系数之间的相互关系，并用来 做检索。这里提供一篇1989年的经典综述，几篇HMM在小波，分割，检索和纹理上的应用以及一本比较早的中文电子书，现在也不知道作者是谁，在这里对作 者表示感谢。
五、 计算机视觉 这一章是计算机视觉部分，主要侧重在底层特征提取，视频分析，跟踪，目标检测和识别方面等方面。对于自己不太熟悉的领域比如摄像机标定和立体视觉，仅仅列出上google上引用次数比较多的文献。有一些刚刚出版的文章，个人非常喜欢，也列出来了。

http://blog.csdn.net/ytlcainiao/article/details/8967314
[转]图形学入门 http://m.blog.csdn.net/blog/Augusdi/12577205
[转]图形学入门   2013-10-10 阅读194  评论0
转载自 http://www.cppblog.com/lai3d/archive/2008/12/30/70796.html temp_span3D图形学的学习策略
感谢 七星重剑 from http://www.cppblog.com/
以我现在的水平观之,3D图形学分3大块的学习内容:
a.空间几何数学: 空间几何变换, 加速算法, 多边形技术, 曲线和曲面, 相交测试, 碰撞测试。
b.光照着色系统: 光照, 纹理贴图, 高级象素着色光照, 艺术性渲染.
c.程序技术性应用: 公告板, 精灵, 天空盒, 体绘制, 材质系统, 场景图, 渲染队列.
2.在实际学习过程中,3个部分相互制约,故不能单方面突进,应保持一种平衡发展,使得相互促进,深化理解,达到比较流畅的学习曲线.
3.相对重要性以a,b,c序减(时间将无情淘汰现有的程序技术性应用),深刻掌握图形学基础才是王道。
4.3个部分都略有小成后,大量快速阅读网上各方面的杂家资料,应用基础知识去分析理解,在短时间内掌握各种程序性技巧。
5.再次通观全局基础,遍览所有细节,以图有更深的理解.
如何学习API (OpenGL/Direct3D等)
最近很多人在问，我该如何学习OpenGL？我学完了OpenGL了，该怎么用？我想在回答这些类似的问题以前先和大家谈谈怎么学习API的方法，或许谈完了，我就不需要回答了。　
首先，我认为API是工具，不是本质，OpenGL/Direct3D的本质是图形学,而不是OpenGL/Direct3D的本身,API的本身只是一些Interface而已.如果你明白图形学的原理.那么你很容易这些接口的作用,以及为什么要有这些接口的存在.所以,我要说的第一点是:你要学习3D编程,不是学会了OpenGL/Direct3D就可以了。甚至会不会这些API都不是那么的重要(虽然这么说,或许很多人不太赞同).最重要的,最根本的是,你要明白这些API背后的图形学的原理---因为那才是根本中的根本.
下面我来介绍我对API学习的看法.
我认为API的学习有两种方法:一是正向学习.二是反向学习.
一:正向学习,所谓的正向学习,就是学习API的本身.我觉得这种方法是一种Brute Force行为.不是很好.我们只要看看API的特性,有那些部分.就可以了。比如学习Direct3D的时候,我们要知道它如何初始化,以及它和 操作系统 的结合.它在Direct3D8里引入了VS/PS.最后就是创建一个Direct3D应用的步骤和方法.这些就足够了。要不然.Direct3D那么多的函数,一个几十个参数。每一个都会要了我的命.
正向学习的第二个作用就是你在熟悉了图形学和大概了解了API后,有空就来看看API的细节,然后思索一下API里提供的一些特性对你的程序有什么作用.比如Direct3D里的Two Side Stencil.OpenGL里的TextureCombine等。
二:逆向学习.这是根本的方法,到了这一步,你就可以真正的算是图形学入门了。这要求你要有一定的图形学基础.比如,你现在开始做一个demo.你预计你的demo里有一堆眩眩的效果,当然你也要明白你的这些眩眩的效果要怎么实现的.然后你去找API里对应的功能,我想如果你的想法正常,一般的功能在Direct3D/OpenGL里应该都会有的.当然你也会碰到你想要的功能在这些API里没有,但是这不重要,重要的是你又学到新东西了---这个特性在XX API里不支持^_^.
通常我是采用先正向,再逆向,同时再进行正向学习的方法.希望以上的建议,对各位初学者有一定的帮助.
关于计算机图形学的学习 原创 FatGarfield
关于计算机图形学的学习
注意：
本文尽量避免理论化的描述，试图用最通俗的语言介绍一下计算机图形学的学习，以及一些参考书目和网络资源；
本文不涉及对概念的定义，以免陷入学术讨论之中
本文是作者学习计算机图形学的体会，如果有不同的意见，请不要攻击和漫骂
本文合适的题目应当是:白话说学计算机图形学？
1． 引言
什么是计算机图形学？ 本文尽量避免给它做严格的定义，但是通常来说，计算机图形学是数字图象处理的逆过程，这只是一个不确切的定义，后面我们会看到，实际上，计算机图形学、数字图象处理和计算机视觉在很多地方的区别不是非常清晰的，很多概念是相通的。
计算机图形学是用计算机来画东西的学科，数字图象处理是把外界获得的图象用计算机进行处理的学科。在法国，图形图象是一门课程。
如何学习计算机图形学呢？除了计算机图形学的基础知识以外，你还需要有以下的知识，你懂的越多，当然做的越好。
* 英语， 你一定要把英语学好，如果你想学习计算机图形学的话，尽量看英文的书籍和资料
* 数学， 计算机图形学里面的数学用的比较多，，我们可以列举一些常用的：
高等数学，数值分析，微分几何，拓扑，概率， 插值理论，（偏）微分方程…
* 物理， 如果你要进行基于物理的建模，一些物理理论是要学习的：
力学（运动学，动力学，流体力学…），光学，有限元…
* 编程语言： C或C++是计算机图形学最通用的‘普通话’，
* 数据结构： 你需要数据结构来描述你的图形对象，除了通用的链表、树等数据结构外，图形学还有自己特殊的数据结构
* 其他类别： 有的时候你需要其他学科的知识，根据你的需要去学习吧