基于流形正则化的支持向量回归及应用

利用流形正则化的思想,围绕半监督学习,提出了一种针对回归问题的新算法。该算法基于流形上的正则化项和传统的正则化项相结合的方法,利用支持向量机回归已有的结果,解决半监督学习的回归问题,提高了泛化能力。通过数值试验,验证了该算法具有较好的泛化能力,对噪音具有较强的鲁棒性,与支持向量回归相比,具有更高的学习精度。     

拉普拉斯阶梯网络

阶梯网络不仅是一种基于深度学习的特征提取器，而且能够应用于半监督学习中.深度学习在实现了复杂函数逼近的同时，也缓解了多层神经网络易陷入局部最小化的问题.传统的自编码、玻尔兹曼机等方法易忽略高维数据的低维流形结构信息，使用这些方法往往会获得无意义的特征表示，这些特征不能有效地嵌入到后续的预测或识别任务中.从流形学习的角度出发，提出一种基于阶梯网络的深度表示学习方法，即拉普拉斯阶梯网络LLN （Laplacian ladder network）.拉普拉斯阶梯网络在训练的过程中不仅对每一编码层嵌入噪声并进行重构，而且在各重构层引入图拉普拉斯约束，将流形结构嵌入到多层特征学习中，以提高特征提取的鲁棒性和判别性.在有限的有标签数据情况下，拉普拉斯阶梯网络将监督学习损失和非监督损失融合到了统一的框架进行半监督学习.在标准手写数据数据集MNIST和物体识别数据集CIFAR-10上进行了实验，结果表明，相对于阶梯网络和其他半监督方法，拉普拉斯阶梯网络都得到了更好的分类效果，是一种有效的半监督学习算法.     

半监督拉普拉斯特征映射算法

为了使流形学习方法具有半监督的特点,利用流形上某些已知低维信息的数据去学习推测出其它数据的低维信息,扩大流形学习算法的应用范围,把拉普拉斯特征映射算法(Laplacian Eigenmap,LE)与半监督的机器学习相结合,提出一种半监督的拉普拉斯特征映射算法(semi-supervised Laplacian Eigenmap,SSLE),这种半监督的流形学习算法在分类识别等问题上,具有很好的效果.模拟实验和实际例子都表明了SSLE算法的有效性.     

基于流形正则化的分类与回归算法及应用

利用流形正则化的思想,围绕半监督学习,提出了一种针对流形正则化的模式分类和回归分析的新算法.该算法基于流形上的正则化项和传统的正则化项相结合的方法,利用支持向量机分类与回归已有的结果,解决半监督学习的分类与回归问题,提高了泛化能力.该算法实现简单,无需调用其他程序.通过数值试验,验证了该算法具有较好的泛化能力,对噪音具有较强的鲁棒性.且在分类问题上,该算法在输入极少数有标签样本时,也能保持较好的分类效果;在回归问题上,也具有较好的学习精度,尤其在输入带有噪音的流形数据上时,表现就更为突出.     

流形与成对约束联合正则化半监督分类方法

半监督学习方法主要通过学习少量标记样本和大量未标记样本知识来提高学习效果,然而目前许多半监督方法注重在未标记样本的利用上深耕,忽略了对标记样本等监督信息的继续研究。鉴于此,结合流形正则化框架提出了一种流形与成对约束联合正则化半监督分类方法(semi-supervised classification method based on joint regularization of manifold and pairwise constraints,SSC-JRMPC)。SSC-JRMPC从两个方面进行研究:一方面该方法继承了流形正则化框架中的特点,将经验风险和结构风险最小化,以及对整个数据的内在数据分布进行运用;另一方面,通过将样本标签转化为成对约束的形式,并把这些扩展的知识并入到目标公式中来进一步探索监督信息包含的知识,一定程度上提高了SSC-JRMPC算法的分类准确性。通过在真实数据集上的实验,验证了上述优点。     

基于可变损失和流形正则化的生成对抗网络

针对生成对抗网络中鉴别器在少量标记样本上的分类精度较差以及对流形局部扰动的鲁棒性不足的问题,提出一种基于可变损失和流形正则化的生成对抗网络算法。当标记样本较少时,该算法在鉴别器中利用可变损失代替原有对抗损失以解决训练前期分类性能较差的鉴别器对半监督分类任务的不利影响。此外,在鉴别器可变损失的基础上加入流形正则项,通过惩罚鉴别器在流形上分类决策的变化提高鉴别器对局部扰动的鲁棒性。以生成样本的质量和半监督的分类精度作为算法的评价标准,并在数据集SVHN和CIFAR-10上完成了数值实验。与其他半监督算法的对比结果表明,该算法在使用少量带标记数据的情况下能得到质量更高的生成样本和精度更高的分类结果。     

拉普拉斯多层极速学习机

极速学习机不仅仅是有效的分类器,还能应用到半监督学习中.但是,半监督极速学习机和拉普拉斯光滑孪生支持向量机一样是一种浅层学习算法.深度学习实现了复杂函数的逼近并缓解了以前多层神经网络算法的局部最小性问题,目前在机器学习领域中引起了广泛的关注.多层极速学习机（ML-ELM）是根据深度学习和极速学习机的思想提出的算法,通过堆叠极速学习机-自动编码器算法（ELM-AE）构建多层神经网络模型,不仅实现复杂函数的逼近,并且训练过程中无需迭代,学习效率高.我们把流形正则化框架引入ML-ELM中提出拉普拉斯多层极速学习机算法（Lap-ML-ELM）.然而,ELM-AE不能很好的解决过拟合问题,针对这一问题我们把权值不确定引入ELM-AE中提出权值不确定极速学习机-自动编码器算法（WU-ELM-AE）,它学习到更为鲁棒的特征.最后,我们在前面两种算法的基础上提出权值不确定拉普拉斯多层极速学习机算法（WUL-ML-ELM）,它堆叠WU-ELM-AE构建深度模型,并且用流形正则化框架求取输出权值,该算法在分类精度上有明显提高并且不需花费太多的时间.实验结果表明,Lap-ML-ELM与WUL-ML-ELM都是有效的半监督学习算法.     

基于压缩传感的邻域嵌入

基于谱流形学习算法的一个核心问题是局部邻域的构建,可通过KNN或ε准则构建局部邻域.受压缩传感理论的启发,提出一种基于l2和l1范数重构准则的邻域构建模式,称之为基于压缩传感的邻域嵌入(CSNE).在此基础上,利用无标签数据,提出半监督的CSNE.在多个数据集上的可视化和半监督分类实验,证明该算法的有效性.     

一种偏好于查询子流形的半监督图像检索算法

在基于反馈的图像检索中,由于被用户标记为相关和不相关的图像数较少,使得检索问题变成了一个典型的小样本问题.流形可表达数据在低维空间中的内在几何结构,流形正则化的目的是利用这种几何结构来约束解空间,以使最优解能反映数据本身的几何分布.为了解决反馈检索中的小样本问题,本文在流形正则化框架下提出一个新的半监督图像检索算法.在新算法中,流形正则化项只依赖于文中定义的查询子流形,而不依赖于数据集的全局结构.在两个图像集上的实验结果对比表明,本文提出的新算法在检索效果上优于现有的4种state-of-the-art算法.     

基于Nyström 低阶近似的半监督流形排序图像检索

实际图像检索过程中,用户提供的相关反馈有限,但存在大量未标记图像数据. 本文在前期半监督流形图像检索工作的基础上,提出一种基于Nystrm低阶 近似的半监督流形排序图像检索方法.通过采用半监督的流形正则化框架, 将图像数据嵌入到低维流形结构中进行分类排序,以充分利用大量未标记数据, 并兼顾分类误差、数据分布的几何结构以及分类函数的复杂性.针对半监督学习速度缓慢的问题, 基于Nystrm低阶近似对学习过程进行加速.在较大规模的Corel图像数据集上进行了检索实验, 实验结果表明该方法能获得较好的效果.     

基于分歧的半监督学习

传统监督学习通常需使用大量有标记的数据样本作为训练例,而在很多现实问题中,人们虽能容易地获得大批数据样本,但为数据 提供标记却需耗费很多人力物力.那么,在仅有少量有标记数据时,可否通过对大量未标记数据进行利用来提升学习性能呢？为此,半监督学习 成为近十多年来机器学习的一大研究热点.基于分歧的半监督学习是该领域的主流范型之一,它通过使用多个学习器来对未标记数据进行利用, 而学习器间的"分歧"对学习成效至关重要.本文将综述简介这方面的一些研究进展.     

半监督学习研究的述评

监督学习需要利用大量的标记样本训练模型,但实际应用中,标记样本的采集费时费力。无监督学习不使用先验信息,但模型准确性难以保证。半监督学习突破了传统方法只考虑一种样本类型的局限,能够挖掘大量无标签数据隐藏的信息,辅助少量的标记样本进行训练,成为机器学习的研究热点。通过对半监督学习研究的总趋势以及具体研究内容进行详细的梳理与总结,分别从半监督聚类、分类、回归与降维以及非平衡数据分类和减少噪声数据共六个方面进行综述,发现半监督方法众多,但存在以下不足：（1）部分新提出的方法虽然有效,但仅通过特定数据集进行了实证,缺少一定的理论证明;（2）复杂数据下构建的半监督模型参数较多,结果不稳定且缺乏参数选取的指导经验;（3）监督信息多采用样本标签或成对约束形式,对混合约束的半监督学习需要进一步研究;（4）对半监督回归的研究匮乏,对如何利用连续变量的监督信息研究甚少。     

人脑半监督学习机理分类法

针对NN(nearest neighbor)和kNN(k-nearest neighbor)方法在标记样本较少时,分类正确率不高的缺陷,根据人脑分类样本时,自觉地利用未标记样本的半监督学习机理,提出一种人脑半监督学习机理分类方法。该方法利用未标记样本间的近邻关系,减少了标记样本数量对分类正确率的影响程度。在MNIST手写体数字库和ORL人脸库上的样本分类实验表明,在标记样本数较少的情况下,该方法的分类正确率比NN和kNN方法高得多。     

半监督特征选择综述

如何针对半监督数据集,利用不完整的监督信息完成特征选择,已经成为模式识别与机器学习领域的研究热点。为方便研究者系统地了解半监督特征选择领域的研究现状和发展趋势,对半监督特征选择方法进行综述。首先探讨了半监督特征选择方法的分类,将其按理论基础的不同分为基于图的方法、基于伪标签的方法、基于支持向量机的方法以及其他方法;然后详细介绍并比较了各个类别的典型方法;之后整理了半监督特征选择的热点应用;最后展望了半监督特征选择方法未来的研究方向。     

Combining Active and Semi-Supervised Learning for Video Compression

Video compression algorithms manipulate video signals to dramatically reduce the storage and bandwidth required while maximizing perceived video quality. Typical video compression methods include discrete cosine transform, vector quantization, fractal compression, and discrete wavelet transform. Recently, a machine learning based approach has been proposed which converts the color images (frames) to gray scale images (frames) and the color information for only a few representative pixels is kept. A learning model is then trained to predict the color values for the gray scale pixels across frames. Selecting the most representative pixels is essentially an active learning problem, while colorization is a semi-supervised learning problem. In this paper, we propose to combine active and semi-supervised learning for video compression. The basic idea is to minimize the size of the covariance matrix of the regularized least squares estimates, in which the regression model assumes that each pixel can be reconstructed by the other pixels with similar spatial location and intensity value. The experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed approach for video compression.     

Guided Cluster Discovery with Markov Model

Cluster discovery is an essential part of many data mining applications. While cluster discovery process is mainly unsupervised in nature, it can often be aided by a small amount of labeled data. A probabilistic model on the clustering structure is adopted and a novel unified energy equation for clustering that incorporates both labeled data and unlabeled data is introduced. This formulation is inspired by a force-field model integrating labeling constraint on labeled data and similarity information on unlabeled data for joint estimation. Experimental results show that good clusters can be identified using small amount of labeled data.     

自适应主动半监督学习方法

主动学习从大量无标记样本中挑选样本交给专家标记.现有的批抽样主动学习算法主要受3个限制：（1）一些主动学习方法基于单选择准则或对数据、模型设定假设,这类方法很难找到既有不确定性又有代表性的未标记样本;（2）现有批抽样主动学习方法的性能很大程度上依赖于样本之间相似性度量的准确性,例如预定义函数或差异性衡量;（3）噪声标签问题一直影响批抽样主动学习算法的性能.提出一种基于深度学习批抽样的主动学习方法.通过深度神经网络生成标记和未标记样本的学习表示和采用标签循环模式,使得标记样本与未标记样本建立联系,再回到相同标签的标记样本.这样同时考虑了样本的不确定性和代表性,并且算法对噪声标签具有鲁棒性.在提出的批抽样主动学习方法中,算法使用的子模块函数确保选择的样本集合具有多样性.此外,自适应参数的优化,使得主动学习算法可以自动平衡样本的不确定性和代表性.将提出的主动学习方法应用到半监督分类和半监督聚类中,实验结果表明,所提出的主动学习方法的性能优于现有的一些先进的方法.     

一种基于Tri-training的半监督多标记学习文档分类算法

多标记学习主要用于解决因单个样本对应多个概念标记而带来的歧义性问题,而半监督多标记学习是近年来多标记学习任务中的一个新的研究方向,它试图综合利用少量的已标记样本和大量的未标记样本来提高学习性能。为了进一步挖掘未标记样本的信息和价值并将其应用于文档多标记分类问题,该文提出了一种基于Tri-training的半监督多标记学习算法(MKSMLT),该算法首先利用k近邻算法扩充已标记样本集,结合Tri-training算法训练分类器,将多标记学习问题转化为标记排序问题。实验表明,该算法能够有效提高文档分类性能。     

基于集成学习的Self-training在入侵检测中的应用

针对入侵检测的标记数据难以获得的问题,提出一种基于集成学习的Self-training方法——正则化Self-training。该方法结合主动学习和正则化理论,利用无标记数据对已有的分类器（该分类器对分类模式已学习得很好）作进一步的改进。对三种主要的集成学习方法在不同标记数据比例下进行对比实验,实验结果表明：借助大量无标记数据可以改善组合分类器的分类边界,算法能显著地降低结果分类器的错误率。     

一种应用半监督学习的计量装置运行状态辨识方法

针对计量装置运行异常在供电企业经济效益稳定增长和社会稳定发展等方面造成的负面影响且电网数据标识不全的现状,提出一种应用半监督学习的计量装置运行状态辨识方法。通过对电网数据进行分析,实现在标识不全的情况下判断计量装置运行状态。