子空间聚类模型与算法研究

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聚类分析是数据挖掘领域中的关键技术之一。面对低维数据,传统的聚类算法能够取得理想的结果。随着数据获取技术的不断发展,数据的维度急剧增加,传统的聚类算法受到了严重的瓶颈限制。因此,设计更为高效的、先进的聚类算法以满足高维数据挖掘需求,已成为研究的热点。一般认为高维数据嵌入在低维的流形中,子空间聚类(Subspace Clustering,SC)的目的是将源自不同子空间的高维数据,划分到其所属的低维子空间,这是实现高维数据聚类的有效途径。近年来,作为一种基于广义稀疏表示的谱聚类算法,稀疏子空间聚类由于其优越的聚类性能、易处理和计算的有效性等特点被广泛关注,已成为子空间聚类的研究热点。稀疏子空间聚类的核心任务是通过构建表示模型来揭示高维数据的真实子空间结构,通过优化模型获得低维子空间下的系数表示矩阵,进而构造有助于精确聚类的亲和度矩阵。稀疏子空间聚类在图像处理、模式识别等领域取得了成功的应用,但仍存在很多问题亦有较大的发展空间。本文在基于表示的谱聚类方法框架的基础上,针对现有模型中存在的一些问题,在适应非线性数据并抑制大尺度噪声的能力、算法的有效实现、模型推广以及应用等方面进行了探讨和研究,主要研究成果及贡献如下:(1)提出了一种基于Schatten p-范数和相关熵的鲁棒低秩核子空间聚类方法。考虑到高维数据可能包含复杂的噪声和非线性结构,在稀疏子空间聚类(Sparse Subspace Clustering,SSC)的框架下,利用“内核策略”将线性子空间聚类扩展到非线性子空间聚类上,并采用交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)对得到的优化问题进行有效求解。使用Schatten p-norm正则化可以有效地逼近特征空间中数据的秩,并给出了求解该子问题的闭式解。用相关熵来度量数据大尺度污染,可以有效提高模型的鲁棒性。同时,针对半二次优化中存在闭式解的半二次理论的特点,提出了一种有效的算法来求解模型。在多个标准数据集上的实验结果表明,该方法显著提高了聚类性能。(2)提出了一种鲁棒低秩核多视图子空间聚类方法。多视图数据可以从不同的角度全面描述目标。可以看出,多视图子空间聚类是一种有效的聚类问题。现有的多视图聚类方法通常是将原始问题凸松弛以便求解,但这类方法得到的往往是次优解。针对这个问题,我们借助(1)中提到的方法,将非凸Schatten p-范数(0
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