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  • 浅谈压缩感知(二十八):压缩感知重构算法之广义正交匹配追踪(gOMP)

    主要内容:

    1. gOMP的算法流程
    2. gOMP的MATLAB实现
    3. 一维信号的实验与结果
    4. 稀疏度K与重构成功概率关系的实验与结果

    一、gOMP的算法流程

    广义正交匹配追踪(Generalized OMP, gOMP)算法可以看作为OMP算法的一种推广。OMP每次只选择与残差相关最大的一个,而gOMP则是简单地选择最大的S个。之所以这里表述为"简单地选择"是相比于ROMP之类算法的,不进行任何其它处理,只是选择最大的S个而已。

    gOMP的算法流程:

    二、gOMP的MATLAB实现(CS_gOMP.m)

    function [ theta ] = CS_gOMP( y,A,K,S )
    %   CS_gOMP
    %   Detailed explanation goes here
    %   y = Phi * x
    %   x = Psi * theta
    %    y = Phi*Psi * theta
    %   令 A = Phi*Psi, 则y=A*theta
    %   现在已知y和A,求theta
    %   Reference: Jian Wang, Seokbeop Kwon, Byonghyo Shim.  Generalized 
    %   orthogonal matching pursuit, IEEE Transactions on Signal Processing, 
    %   vol. 60, no. 12, pp. 6202-6216, Dec. 2012. 
    %   Available at: http://islab.snu.ac.kr/paper/tsp_gOMP.pdf
        if nargin < 4
            S = round(max(K/4, 1));
        end
        [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 ii=1:K%迭代K次,K为稀疏度
            product = A'*r_n;%传感矩阵A各列与残差的内积
            [val,pos]=sort(abs(product),'descend');%降序排列
            Sk = union(Pos_theta,pos(1:S));%选出最大的S个
            if length(Sk)==length(Pos_theta)
                if ii == 1
                    theta_ls = 0;
                end
                break;
            end
            if length(Sk)>M
                if ii == 1
                    theta_ls = 0;
                end
                break;
            end
            At = A(:,Sk);%将A的这几列组成矩阵At
            %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
            %At*theta_ls是y在At)列空间上的正交投影
            r_n = y - At*theta_ls;%更新残差
            Pos_theta = Sk;
            if norm(r_n)<1e-6
                break;%quit the iteration
            end
        end
        theta(Pos_theta)=theta_ls;%恢复出的theta
    end

    三、一维信号的实验与结果

    %压缩感知重构算法测试
    clear all;close all;clc;
    M = 128;%观测值个数
    N = 256;%信号x的长度
    K = 30;%信号x的稀疏度
    Index_K = randperm(N);
    x = zeros(N,1);
    x(Index_K(1:K)) = 5*randn(K,1);%x为K稀疏的,且位置是随机的
    Psi = eye(N);%x本身是稀疏的,定义稀疏矩阵为单位阵x=Psi*theta
    Phi = randn(M,N)/sqrt(M);%测量矩阵为高斯矩阵
    A = Phi * Psi;%传感矩阵
    y = Phi * x;%得到观测向量y
    
    %% 恢复重构信号x
    tic
    theta = CS_gOMP( y,A,K);
    x_r = Psi * theta;% x=Psi * theta
    toc
    
    %% 绘图
    figure;
    plot(x_r,'k.-');%绘出x的恢复信号
    hold on;
    plot(x,'r');%绘出原信号x
    hold off;
    legend('Recovery','Original')
    fprintf('
    恢复残差:');
    norm(x_r-x)%恢复残差

    四、稀疏数K与重构成功概率关系的实验与结果

    %   压缩感知重构算法测试CS_Reconstuction_KtoPercentagegOMP.m
    %   Reference: Jian Wang, Seokbeop Kwon, Byonghyo Shim.  Generalized 
    %   orthogonal matching pursuit, IEEE Transactions on Signal Processing, 
    %   vol. 60, no. 12, pp. 6202-6216, Dec. 2012. 
    %   Available at: http://islab.snu.ac.kr/paper/tsp_gOMP.pdf
    
    clear all;close all;clc;
    addpath(genpath('../../OMP/'))
    
    %% 参数配置初始化
    CNT = 1000; %对于每组(K,M,N),重复迭代次数
    N = 256; %信号x的长度
    Psi = eye(N); %x本身是稀疏的,定义稀疏矩阵为单位阵x=Psi*theta
    M_set = [128]; %测量值集合
    KIND = ['OMP      ';'ROMP     ';'StOMP    ';'SP       ';'CoSaMP   ';...
        'gOMP(s=3)';'gOMP(s=6)';'gOMP(s=9)'];
    Percentage = zeros(N,length(M_set),size(KIND,1)); %存储恢复成功概率
    
    %% 主循环,遍历每组(K,M,N)
    tic
    for mm = 1:length(M_set)
        M = M_set(mm); %本次测量值个数
        K_set = 5:5:70; %信号x的稀疏度K没必要全部遍历,每隔5测试一个就可以了
        %存储此测量值M下不同K的恢复成功概率
        PercentageM = zeros(size(KIND,1),length(K_set));
        for kk = 1:length(K_set)
           K = K_set(kk); %本次信号x的稀疏度K
           P = zeros(1,size(KIND,1));
           fprintf('M=%d,K=%d
    ',M,K);
           for cnt = 1:CNT  %每个观测值个数均运行CNT次
                Index_K = randperm(N);
                x = zeros(N,1);
                x(Index_K(1:K)) = 5*randn(K,1); %x为K稀疏的,且位置是随机的                
                Phi = randn(M,N)/sqrt(M); %测量矩阵为高斯矩阵
                A = Phi * Psi; %传感矩阵
                y = Phi * x; %得到观测向量y
                %(1)OMP
                theta = CS_OMP(y,A,K); %恢复重构信号theta
                x_r = Psi * theta; % x=Psi * theta
                if norm(x_r-x)<1e-6 %如果残差小于1e-6则认为恢复成功
                    P(1) = P(1) + 1;
                end
                %(2)ROMP
                theta = CS_ROMP(y,A,K); %恢复重构信号theta
                x_r = Psi * theta; % x=Psi * theta
                if norm(x_r-x)<1e-6 %如果残差小于1e-6则认为恢复成功
                    P(2) = P(2) + 1;
                end
                %(3)StOMP
                theta = CS_StOMP(y,A); %恢复重构信号theta
                x_r = Psi * theta; % x=Psi * theta
                if norm(x_r-x)<1e-6 %如果残差小于1e-6则认为恢复成功
                    P(3) = P(3) + 1;
                end
                %(4)SP
                theta = CS_SP(y,A,K); %恢复重构信号theta
                x_r = Psi * theta; % x=Psi * theta
                if norm(x_r-x)<1e-6 %如果残差小于1e-6则认为恢复成功
                    P(4) = P(4) + 1;
                end
                %(5)CoSaMP
                theta = CS_CoSaMP(y,A,K); %恢复重构信号theta
                x_r = Psi * theta; % x=Psi * theta
                if norm(x_r-x)<1e-6 %如果残差小于1e-6则认为恢复成功
                    P(5) = P(5) + 1;
                end
                %(6)gOMP,S=3
                theta = CS_gOMP(y,A,K,3); %恢复重构信号theta
                x_r = Psi * theta; % x=Psi * theta
                if norm(x_r-x)<1e-6 %如果残差小于1e-6则认为恢复成功
                    P(6) = P(6) + 1;
                end
                %(7)gOMP,S=6
                theta = CS_gOMP(y,A,K,6); %恢复重构信号theta
                x_r = Psi * theta; % x=Psi * theta
                if norm(x_r-x)<1e-6 %如果残差小于1e-6则认为恢复成功
                    P(7) = P(7) + 1;
                end
                %(8)gOMP,S=9
                theta = CS_gOMP(y,A,K,9); %恢复重构信号theta
                x_r = Psi * theta; % x=Psi * theta
                if norm(x_r-x)<1e-6 %如果残差小于1e-6则认为恢复成功
                    P(8) = P(8) + 1;
                end
           end
           for iii = 1:size(KIND,1)
               PercentageM(iii,kk) = P(iii)/CNT*100; %计算恢复概率
           end
        end
        for jjj = 1:size(KIND,1)
            Percentage(1:length(K_set),mm,jjj) = PercentageM(jjj,:);
        end
    end
    toc
    save KtoPercentage1000gOMP %运行一次不容易,把变量全部存储下来
    
    %% 绘图
    S = ['-ks';'-ko';'-yd';'-gv';'-b*';'-r.';'-rx';'-r+'];
    figure;
    for mm = 1:length(M_set)
        M = M_set(mm);
        K_set = 5:5:70;
        L_Kset = length(K_set);
        for ii = 1:size(KIND,1)
            plot(K_set,Percentage(1:L_Kset,mm,ii),S(ii,:)); %绘出x的恢复信号
            hold on;
        end
    end
    hold off;
    xlim([5 70]);
    legend('OMP','ROMP','StOMP','SP','CoSaMP',...
        'gOMP(s=3)','gOMP(s=6)','gOMP(s=9)');
    xlabel('Sparsity level K');
    ylabel('The Probability of Exact Reconstruction');
    title('Prob. of exact recovery vs. the signal sparsity K(M=128,N=256)(Gaussian)');

    结论:gOMP只是在OMP基础上修改了一下原子选择的个数,效果就好很多。

    六、参考文章

    http://blog.csdn.net/jbb0523/article/details/45693027

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/AndyJee/p/5138419.html
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