1. 論文基本信息
這篇筆記主要針對濾波器求解的推導過程進行分析(拉格朗日乘子法),主要參考內容是原文的補充材料,關於論文其餘部分創新點及其總體思路會在後續文章中進行分析。(筆記1的連接:http://blog.csdn.net/discoverer100/article/details/78182306 )html
2. 濾波器求解目標函數的構建
在多通道狀況下,目標函數爲python
arg min h ∑ d = 1 N d ( ∥ f d ⊙ h d − g ∥ 2 + λ ∥ h d ∥ 2 ) = arg min h ∑ d = 1 N d ( ∥ ∥ h ^ H d d i a g ( f ^ d ) − g ^ d ∥ ∥ 2 + λ ∥ ∥ h ^ d ∥ ∥ 2 ) (1)
(1)
arg
min
h
∑
d
=
1
N
d
(
‖
f
d
⊙
h
d
−
g
‖
2
+
λ
‖
h
d
‖
2
)
=
arg
min
h
∑
d
=
1
N
d
(
‖
h
^
d
H
d
i
a
g
(
f
^
d
)
−
g
^
d
‖
2
+
λ
‖
h
^
d
‖
2
)
其中,
h
h
表示濾波器,
d = 1 t o N d
d
=
1
t
o
N
d
表示
N d
N
d
個通道,
g
g
表示指望的響應輸出,
λ
λ
表示正則項用於防止過擬合(關於正則項爲何能夠防止過擬合能夠參考:
http://www.cnblogs.com/alexanderkun/p/6922428.html )
根據上述(1)式,爲簡化推導過程,將多通道狀況改成單通道狀況模式,則目標函數爲 git
arg min h ∥ f ⊙ h − g ∥ 2 + λ ∥ h ∥ 2 = arg min h ∥ ∥ h ^ H d i a g ( f ^ ) − g ^ ∥ ∥ 2 + λ ∥ ∥ h ^ ∥ ∥ 2 (2)
(2)
arg
min
h
‖
f
⊙
h
−
g
‖
2
+
λ
‖
h
‖
2
=
arg
min
h
‖
h
^
H
d
i
a
g
(
f
^
)
−
g
^
‖
2
+
λ
‖
h
^
‖
2
引入變量
h c
h
c
並定義約束條件
h c − h m = 0 (3)
(3)
h
c
−
h
m
=
0
其中,
h m ≡ m ⊙ h
h
m
≡
m
⊙
h
,而
m
m
表示論文中的空間置信圖(spatial reliability map),也能夠理解爲一個mask,具體概念能夠參考前面的一篇文章:
http://blog.csdn.net/discoverer100/article/details/78182306 ,上述(3)式中引入的變量
h c
h
c
能夠先不理會其物理意義,它的主要做用是讓算法可以收斂(論文原文表述:prohibits a closed-form solution),我的猜想:這裏的下標命名爲c,可能就是取constrained的第一個字母。
對(2)式引入上述約束條件,並進一步調整,獲得最終的目標函數 github
arg min h c , h m ∥ ∥ h ^ H c d i a g ( f ^ ) − g ^ ∥ ∥ 2 + λ 2 ∥ ∥ h ^ m ∥ ∥ 2 s . t . h c − h m = 0 (4)
(4)
arg
min
h
c
,
h
m
‖
h
^
c
H
d
i
a
g
(
f
^
)
−
g
^
‖
2
+
λ
2
‖
h
^
m
‖
2
s
.
t
.
h
c
−
h
m
=
0
上述的正則項前面多出了一個係數
1 / 2
1
/
2
,其主要意圖是求導數後係數能夠變爲
1
1
,便於公式書寫。
這樣,公式(4)就是咱們推導的起始表達式。web
3. 構建Lagrange表達式
根據上述目標函數,以及Augmented Lagrangian方法(參考Distributed optimization and statistical learning via the alternating direction method of multipliers ),構建Lagrang表達式,以下 算法
L ( h ^ c , h , I ^ | m ) = ∥ ∥ h ^ H c d i a g ( f ^ ) − g ^ ∥ ∥ 2 + λ 2 ∥ h m ∥ 2 + [ I ^ H ( h ^ c − h ^ m ) + I ^ H ( h ^ c − h ^ m ) ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ] + μ ∥ ∥ h ^ c − h ^ m ∥ ∥ 2 (5)
(5)
L
(
h
^
c
,
h
,
I
^
|
m
)
=
‖
h
^
c
H
d
i
a
g
(
f
^
)
−
g
^
‖
2
+
λ
2
‖
h
m
‖
2
+
[
I
^
H
(
h
^
c
−
h
^
m
)
+
I
^
H
(
h
^
c
−
h
^
m
)
¯
]
+
μ
‖
h
^
c
−
h
^
m
‖
2
其中,字母
I
I
表示Lagrange乘數,字母上面的橫槓表示
共軛矩陣 ,字母右上方的
H
H
表示
共軛轉置矩陣 ,所以有規律:
A ¯ T = A H
A
¯
T
=
A
H
(後面的推導中可能同時存在兩種表示,須要留意)。將上述(5)式進行向量化表示,可得
L ( h ^ c , h , I ^ | m ) = ∥ ∥ h ^ H c d i a g ( f ^ ) − g ^ ∥ ∥ 2 + λ 2 ∥ h m ∥ 2 + [ I ^ H ( h ^ c − D − − √ F M h ) + I ^ H ( h ^ c − D − − √ F M h ) ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ] + μ ∥ ∥ h ^ c − D − − √ F M h ∥ ∥ 2 (6)
(6)
L
(
h
^
c
,
h
,
I
^
|
m
)
=
‖
h
^
c
H
d
i
a
g
(
f
^
)
−
g
^
‖
2
+
λ
2
‖
h
m
‖
2
+
[
I
^
H
(
h
^
c
−
D
F
M
h
)
+
I
^
H
(
h
^
c
−
D
F
M
h
)
¯
]
+
μ
‖
h
^
c
−
D
F
M
h
‖
2
不難看出,上述(5)式到(6)式,主要變化就是將變量
h ^ m
h
^
m
的表達式替換爲
D − − √ F M h
D
F
M
h
,其中
F
F
表示離散傅里葉變換矩陣,它至關於一個常量,
D
D
是
F
F
的大小(
F
F
是一個
D × D
D
×
D
的方陣),
M = d i a g ( m )
M
=
d
i
a
g
(
m
)
將上述(6)式簡單表述爲四個項的和,爲 微信
L ( h ^ c , h , I ^ ) = L 1 + L 2 + L 3 + L 4 (7)
(7)
L
(
h
^
c
,
h
,
I
^
)
=
L
1
+
L
2
+
L
3
+
L
4
其中,
⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ L 1 = ∥ ∥ h ^ H c d i a g ( f ^ ) − g ^ ∥ ∥ 2 = ( h ^ H c d i a g ( f ^ ) − g ^ ) ( h ^ H c d i a g ( f ^ ) − g ^ ) ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ T L 2 = λ 2 ∥ h m ∥ 2 L 3 = I ^ H ( h ^ c − D − − √ F M h ) + I ^ H ( h ^ c − D − − √ F M h ) ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ L 4 = μ ∥ ∥ h ^ c − D − − √ F M h ∥ ∥ 2 = μ ( h ^ c − D − − √ F M h ) ( h ^ c − D − − √ F M h ) ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ T (8)
(8)
{
L
1
=
‖
h
^
c
H
d
i
a
g
(
f
^
)
−
g
^
‖
2
=
(
h
^
c
H
d
i
a
g
(
f
^
)
−
g
^
)
(
h
^
c
H
d
i
a
g
(
f
^
)
−
g
^
)
¯
T
L
2
=
λ
2
‖
h
m
‖
2
L
3
=
I
^
H
(
h
^
c
−
D
F
M
h
)
+
I
^
H
(
h
^
c
−
D
F
M
h
)
¯
L
4
=
μ
‖
h
^
c
−
D
F
M
h
‖
2
=
μ
(
h
^
c
−
D
F
M
h
)
(
h
^
c
−
D
F
M
h
)
¯
T
4. 開始優化,首先對h_c求偏導數
對上述公式(4)的優化能夠表述爲下面的迭代過程 svg
h ^ o p t c = arg min h c L ( h ^ c , h , I ^ ) h o p t = arg min h L ( h ^ o p t c , h , I ^ ) (9)
(9)
h
^
c
o
p
t
=
arg
min
h
c
L
(
h
^
c
,
h
,
I
^
)
h
o
p
t
=
arg
min
h
L
(
h
^
c
o
p
t
,
h
,
I
^
)
如今看關於變量
h ^ c
h
^
c
的優化,須要令知足
∇ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ L ≡ 0
∇
h
^
c
¯
L
≡
0
,也就是
∇ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ L 1 + ∇ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ L 2 + ∇ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ L 3 + ∇ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ L 4 ≡ 0 (10)
(10)
∇
h
^
c
¯
L
1
+
∇
h
^
c
¯
L
2
+
∇
h
^
c
¯
L
3
+
∇
h
^
c
¯
L
4
≡
0
對各個份量求偏導數,有
∇ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ L 1 = ∂ ∂ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ [ ( h ^ H c d i a g ( f ^ ) − g ^ ) ( h ^ H c d i a g ( f ^ ) − g ^ ) ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ T ] = ∂ ∂ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ [ h ^ H c d i a g ( f ^ ) d i a g ( f ^ ) H h ^ c − h ^ H c d i a g ( f ^ ) g ^ H − g ^ d i a g ( f ^ ) H h ^ c + g ^ g ^ H ] = d i a g ( f ^ ) d i a g ( f ^ ) H h ^ c − d i a g ( f ^ ) g ^ H − 0 + 0 = d i a g ( f ^ ) d i a g ( f ^ ) H h ^ c − d i a g ( f ^ ) g ^ H (11)
(11)
∇
h
^
c
¯
L
1
=
∂
∂
h
^
c
¯
[
(
h
^
c
H
d
i
a
g
(
f
^
)
−
g
^
)
(
h
^
c
H
d
i
a
g
(
f
^
)
−
g
^
)
¯
T
]
=
∂
∂
h
^
c
¯
[
h
^
c
H
d
i
a
g
(
f
^
)
d
i
a
g
(
f
^
)
H
h
^
c
−
h
^
c
H
d
i
a
g
(
f
^
)
g
^
H
−
g
^
d
i
a
g
(
f
^
)
H
h
^
c
+
g
^
g
^
H
]
=
d
i
a
g
(
f
^
)
d
i
a
g
(
f
^
)
H
h
^
c
−
d
i
a
g
(
f
^
)
g
^
H
−
0
+
0
=
d
i
a
g
(
f
^
)
d
i
a
g
(
f
^
)
H
h
^
c
−
d
i
a
g
(
f
^
)
g
^
H
∇ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ L 2 = ∇ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ [ λ 2 ∥ h m ∥ 2 ] = 0 (12)
(12)
∇
h
^
c
¯
L
2
=
∇
h
^
c
¯
[
λ
2
‖
h
m
‖
2
]
=
0
∇ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ L 3 = ∂ ∂ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ [ I ^ H ( h ^ c − D − − √ F M h ) + I ^ H ( h ^ c − D − − √ F M h ) ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ] = ∂ ∂ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ [ I ^ H h ^ c − I ^ H D − − √ F M h + I ^ T h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ − I ^ T D − − √ F M h ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ] = 0 − 0 + I ^ T − 0 = I ^ (13)
(13)
∇
h
^
c
¯
L
3
=
∂
∂
h
^
c
¯
[
I
^
H
(
h
^
c
−
D
F
M
h
)
+
I
^
H
(
h
^
c
−
D
F
M
h
)
¯
]
=
∂
∂
h
^
c
¯
[
I
^
H
h
^
c
−
I
^
H
D
F
M
h
+
I
^
T
h
^
c
¯
−
I
^
T
D
F
M
h
¯
]
=
0
−
0
+
I
^
T
−
0
=
I
^
∇ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ L 4 = ∂ ∂ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ [ μ ( h ^ c − D − − √ F M h ) ( h ^ c − D − − √ F M h ) ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ T ] = ∂ ∂ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ [ μ ( h ^ c ⋅ h ^ H c − h ^ c ⋅ D − − √ h H M F H − D − − √ F M h h ^ H c + D − − √ F M h ⋅ D − − √ h H M F H ) ] = ∂ ∂ h ^ c ¯ ¯ ¯ ¯ ¯ [ μ ( h ^ c ⋅ h ^ H c − h ^ c ⋅ D − − √ h H M F H − D − − √ F M h h ^ H c + D F M h h H M F H ) ] = μ ( h ^ c − 0 − D − − √ F M h + 0 ) = μ h ^ c − μ D − − √ F M h (14)
(14)
∇
h
^
c
¯
L
4
=
∂
∂
h
^
c
¯
[
μ
(
h
^
c
−
D
F
M
h
)
(
h
^
c
−
D
F
M
h
)
¯
T
]
=
∂
∂
h
^
c
¯
[
μ
(
h
^
c
⋅
h
^
c
H
−
h
^
c
⋅
D
h
H
M
F
H
−
D
F
M
h
h
^
c
H
+
D
F
M
h
⋅
D
h
H
M
F
H
)
]
=
∂
∂
h
^
c
¯
[
μ
(
h
^
c
⋅
h
^
c
H
−
h
^
c
⋅
D
h
H
M
F
H
−
D
F
M
h
h
^
c
H
+
D
F
M
h
h
H
M
F
H
)
]
=
μ
(
h
^
c
−
0
−
D
F
M
h
+
0
)
=
μ
h
^
c
−
μ
D
F
M
h
因而,上述公式(10)能夠寫成 函數
d i a g ( f ^ ) d i a g ( f ^ ) H h ^ c − d i a g ( f ^ ) g ^ H + 0 + I ^ + μ ( h ^ c − 0 − D − − √ F M h + 0 ) ≡ 0 d i a g ( f ^ ) d i a g ( f ^ ) H h ^ c − d i a g ( f ^ ) g ^ H + I ^ + μ ( h ^ c − 0 − D − − √ F M h + 0 ) ≡ 0 (15)
(15)
d
i
a
g
(
f
^
)
d
i
a
g
(
f
^
)
H
h
^
c
−
d
i
a
g
(
f
^
)
g
^
H
+
0
+
I
^
+
μ
(
h
^
c
−
0
−
D
F
M
h
+
0
)
≡
0
d
i
a
g
(
f
^
)
d
i
a
g
(
f
^
)
H
h
^
c
−
d
i
a
g
(
f
^
)
g
^
H
+
I
^
+
μ
(
h
^
c
−
0
−
D
F
M
h
+
0
)
≡
0
回顧公式(6),咱們曾將變量
h ^ m
h
^
m
的表達式替換爲
D − − √ F M h
D
F
M
h
,如今咱們將它替換回來,得
d i a g ( f ^ ) d i a g ( f ^ ) H h ^ c − d i a g ( f ^ ) g ^ H + I ^ + μ ( h ^ c − 0 − h ^ m + 0 ) ≡ 0 (16)
(16)
d
i
a
g
(
f
^
)
d
i
a
g
(
f
^
)
H
h
^
c
−
d
i
a
g
(
f
^
)
g
^
H
+
I
^
+
μ
(
h
^
c
−
0
−
h
^
m
+
0
)
≡
0
針對
h ^ c
h
^
c
合併同類項,得
h ^ c ⋅ [ d i a g ( f ^ ) d i a g ( f ^ ) H + μ ] = μ h ^ m + d i a g ( f ^ ) g ^ H −