压缩感知重构算法——SP算法

SP（subspace pursuit）算法是压缩感知中一种非常重要的贪婪算法，它有较快的计算速度和较好的重构概率，在实际中应用较多。本文给出了SP算法的matlab代码，以及相应的测试函数。

参考文献：Dai W, Milenkovic O. Subspace pursuit for compressive sensing signal reconstruction[J]. Information Theory, IEEE Transactions on, 2009, 55(5): 2230-2249.

文献下载地址：http://arxiv.org/pdf/0803.0811.pdf

Matlab代码：

SP_paper.m

function x=SP_paper(Phi,y,K)
%SP算法

%获取Phi矩阵的行数和列数
[M,N]=size(Phi);

%初始化步骤
%将Phi的每列与y做相关，得到一个N*1的矩阵(列向量)
correlation=Phi'*y;
%对correlation取绝对值后排序，按从大到小的顺序
[var,pos] = sort(abs(correlation),'descend');
%声明一个空集T，用于记录Phi的列数标值
T=[];T=union(T,pos(1:K));
y_r=resid_paper(y,Phi(:,T));

%迭代
%使用如下形式的do---while结构
% while(1)
%     if(condition)
%         break;
%     end
% end
count=1;
while(1)
    %根据残差计算待增加的列数，得到T_add
    correlation=Phi'*y_r;
    [var,pos] = sort(abs(correlation),'descend');
    T_add=union([],pos(1:K));
    
    %合并已有的T和T_add
    T=union(T,T_add);
    
    %
    x_p=((Phi(:,T)'*Phi(:,T))\eye(length(T)))*Phi(:,T)'*y;%proj_paper(y,Phi(:,T));
    %更新下标记录T
    [var,pos] = sort(abs(x_p),'descend');
    %取前K个最大值
    T=union([],T(pos(1:K)));
    
    %计算新的残差
    y_r_n=resid_paper(y,Phi(:,T));
    
    %判断是否退出循环,且置为最大迭代100次
    if(norm(y_r_n)>=norm(y_r) || count>100)
        break;
    end
    
    %若不退出循环,进行新一轮的迭代
    y_r=y_r_n;
    
    count=count+1;
end

%退出循环后，做最后的数据输出
x=zeros(N,1);
x(T)=((Phi(:,T)'*Phi(:,T))\eye(length(T)))*Phi(:,T)'*y;


end





function y_r=resid_paper(y,Phi)
%计算y在Phi上的投影残差

%获取矩阵Phi的行数和列数,M没有用
[M,N]=size(Phi);

%判断矩阵(Phi'*Phi)是否可逆
if(rank(Phi'*Phi)~=N)
    error('矩阵不可逆');
end

y_p=Phi*((Phi'*Phi)\eye(N))*Phi'*y;
y_r=y-y_p;
end

测试代码：

dataGen.m

function [y,Phi,x]=dataGen(M,N,K)
% 产生贪婪算法所需要的数据


%生成-1/+1的原始信号x
x = zeros(N,1);
q = randperm(N); %y=randperm(n),是把1到n这些数随机打乱得到的一个数字序列。
x(q(1:K)) = sign(randn(K,1));

%生成测量矩阵Phi
Phi = randn(M,N);
Phi = orth(Phi')';  %求矩阵正交基,B = orth(A),B的列向量是正交向量

%生成观测向量
y = Phi*x;


end

SP_main.m

clear;clc;

%信号长度
N = 256;
%信号满足K-稀疏
K = 30;
%观测向量的长度
M = 128;

[y,Phi,x] = dataGen(M,N,K);


xp = SP_paper(Phi,y,K);
% [xp,support,iterCount]=SP_res(Phi,y,K);

figure
subplot(3,1,1),stem(x,'.'),title('原始'),axis([0,N,-1,1])
subplot(3,1,2),stem(xp,'.'),title('重构'),axis([0,N,-1,1])
subplot(3,1,3),stem(abs(xp-x),'.'),title('残差'),axis([0,N,0,max(abs(xp-x))])