题目:压缩感知重构算法之子空间追踪(SP)
如果掌握了压缩采样匹配追踪(CoSaMP)后,再去学习子空间追踪(Subspace Pursuit)是一件非常简单的事情,因为它们几乎是完全一样的。
SP的提出时间比CoSaMP提出时间略晚,首个论文版本是参考文献[1],后来更新了两次,最后在IEEE Transactions on Information Theory发表[2]。从算法角度来讲,SP与CoSaMP差别非常小,这一点作者也意识到了,在文献[1]首页的左下角就有注释:
在文献[2]第2页提到了SP与CoSaMP的具体不同:
从上面可以知道,SP与CoSaMP主要区别在于“Ineach iteration, in the SP algorithm, only K new candidates are added, while theCoSAMP algorithm adds 2K vectors.”,即SP每次选择K个原子,而CoSaMP则选择2K个原子;这样带来的好处是“This makes the SP algorithm computationally moreefficient,”。
以下是文献[2]中的给出的SP算法流程:
这个算法流程的初始化(Initialization)其实就是类似于CoSaMP的第1次迭代,注意第(1)步中选择了K个原子:“K indices corresponding to the largest magnitude entries”,在CoSaMP里这里要选择2K个最大的原子,后面的其它流程都一样。这里第(5)步增加了一个停止迭代的条件:当残差经过迭代后却变大了的时候就停止迭代。
不只是SP作者认识到了自己的算法与CoSaMP的高度相似性,CoSaMP的作者也同样关注到了SP算法,在文献[3]中就提到:
文献[3]是CoSaMP原始提出文献的第2个版本,文献[3]的早期版本[4]是没有提及SP算法的。
鉴于SP与CoSaMP如此相似,这里不就再单独给出SP的步骤了,参考《压缩感知重构算法之压缩采样匹配追踪(CoSaMP)》,只需将第(2)步中的2K改为K即可。
引用文献[5]的3.5节中的几句话:“贪婪类算法虽然复杂度低运行速度快,但其重构精度却不如BP类算法,为了寻求复杂度和精度更好地折中,SP算法应运而生”,“SP算法与CoSaMP算法一样其基本思想也是借用回溯的思想,在每步迭代过程中重新估计所有候选者的可信赖性”,“SP算法与CoSaMP算法有着类似的性质与优缺点”。
子空间追踪代码可实现如下(CS_SP.m),通过对比可以知道该程序与CoSaMP的代码基本完全一致。本代码未考虑文献[2]中的给出的SP算法流程的第(5)步。代码可参见参考文献[6]中的Demo_CS_SP.m。function [ theta ] = CS_SP( y,A,K ) %CS_SP Summary of this function goes here %Version: 1.0 written by jbb0523 @2015-05-01 % Detailed explanation goes here % y = Phi * x % x = Psi * theta % y = Phi*Psi * theta % 令 A = Phi*Psi, 则y=A*theta % K is the sparsity level % 现在已知y和A,求theta % Reference:Dai W,Milenkovic O.Subspace pursuit for compressive sensing % signal reconstruction[J].IEEE Transactions on Information Theory, % 2009,55(5):2230-2249. [y_rows,y_columns] = size(y); if y_rows<y_columns y = y';%y should be a column vector end [M,N] = size(A);%传感矩阵A为M*N矩阵 theta = zeros(N,1);%用来存储恢复的theta(列向量) Pos_theta = [];%用来迭代过程中存储A被选择的列序号 r_n = y;%初始化残差(residual)为y for kk=1:K%最多迭代K次 %(1) Identification product = A'*r_n;%传感矩阵A各列与残差的内积 [val,pos]=sort(abs(product),'descend'); Js = pos(1:K);%选出内积值最大的K列 %(2) Support Merger Is = union(Pos_theta,Js);%Pos_theta与Js并集 %(3) Estimation %At的行数要大于列数,此为最小二乘的基础(列线性无关) if length(Is)<=M At = A(:,Is);%将A的这几列组成矩阵At else%At的列数大于行数,列必为线性相关的,At'*At将不可逆 break;%跳出for循环 end %y=At*theta,以下求theta的最小二乘解(Least Square) theta_ls = (At'*At)^(-1)*At'*y;%最小二乘解 %(4) Pruning [val,pos]=sort(abs(theta_ls),'descend'); %(5) Sample Update Pos_theta = Is(pos(1:K)); theta_ls = theta_ls(pos(1:K)); %At(:,pos(1:K))*theta_ls是y在At(:,pos(1:K))列空间上的正交投影 r_n = y - At(:,pos(1:K))*theta_ls;%更新残差 if norm(r_n)<1e-6%Repeat the steps until r=0 break;%跳出for循环 end end theta(Pos_theta)=theta_ls;%恢复出的theta end鉴于SP与CoSaMP的极其相似性,这里就不再给出单次重构和测量数M与重构成功概率关系曲线绘制例程代码了,只需将CoSaMP中调用CS_CoSaMP函数的部分改为调用CS_SP即可,无须任何其它改动。这里给出对比两种重构算法所绘制的测量数M与重构成功概率关系曲线的例程代码,只有这样才可以看出两种算法的重构性能优劣,以下是在分别运行完SP与CoSaMP的测量数M与重构成功概率关系曲线绘制例程代码的基础上,即已经存储了数据CoSaMPMtoPercentage1000.mat和SPMtoPercentage1000.mat:
clear all;close all;clc; load CoSaMPMtoPercentage1000; PercentageCoSaMP = Percentage; load SPMtoPercentage1000; PercentageSP = Percentage; S1 = ['-ks';'-ko';'-kd';'-kv';'-k*']; S2 = ['-rs';'-ro';'-rd';'-rv';'-r*']; figure; for kk = 1:length(K_set) K = K_set(kk); M_set = 2*K:5:N; L_Mset = length(M_set); plot(M_set,PercentageCoSaMP(kk,1:L_Mset),S1(kk,:));%绘出x的恢复信号 hold on; plot(M_set,PercentageSP(kk,1:L_Mset),S2(kk,:));%绘出x的恢复信号 end hold off; xlim([0 256]); legend('CoSaK=4','SPK=4','CoSaK=12','SPK=12','CoSaK=20',... 'SPK=20','CoSaK=28','SPK=28','CoSaK=36','SPK=36'); xlabel('Number of measurements(M)'); ylabel('Percentage recovered'); title('Percentage of input signals recovered correctly(N=256)(Gaussian)');
运行结果如下:
可以发现在M较小时SP略好于CoSaMP,当M变大时二者重构性能几乎一样。
参考文献:
[1]Dai W,Milenkovic O. Subspace pursuitfor compressive sensing: Closing the gap between performance and complexity.http://arxiv.org/pdf/0803.0811v1.pdf
[2]Dai W,Milenkovic O.Subspacepursuit for compressive sensing signal reconstruction[J].IEEETransactions on Information Theory,2009,55(5):2230-2249.
[3]D. Needell, J.A. Tropp.CoSaMP: Iterative signal recoveryfrom incomplete and inaccurate samples. http://arxiv.org/pdf/0803.2392v2.pdf
[4]D. Needell, J.A. Tropp.CoSaMP: Iterative signal recoveryfrom incomplete and inaccurate samples. http://arxiv.org/pdf/0803.2392v1.pdf
[5]杨真真,杨震,孙林慧.信号压缩重构的正交匹配追踪类算法综述[J]. 信号处理,2013,29(4):486-496.
[6]Li Zeng. CS_Reconstruction. http://www.pudn.com/downloads518/sourcecode/math/detail2151378.html