稀疏子空间聚类综述

稀疏子空间聚类(Sparse subspace clustering, SSC)是一种基于谱聚类的数据聚类框架. 高维数据通常分布于若干个低维子空间的并上, 因此高维数据在适当字典下的表示具有稀疏性. 稀疏子空间聚类利用高维数据的稀疏表示系数构造相似度矩阵, 然后利用谱聚类方法得到数据的子空间聚类结果. 其核心是设计能够揭示高维数据真实子空间结构的表示模型, 使得到的表示系数及由此构造的相似度矩阵有助于精确的子空间聚类. 稀疏子空间聚类在机器学习、计算机视觉、图像处理和模式识别等领域已经得到了广泛的研究和应用, 但仍有很大的发展空间. 本文对已有稀疏子空间聚类方法的模型、算法和应用等方面进行详细阐述, 并分析存在的不足, 指出进一步研究的方向.     

基于子空间聚类的高维数据可视分析方法综述

随着信息技术的飞速发展和大数据时代的来临,数据呈现出高维性、非线性等复杂特征。对于高维数据来说,在全维空间上往往很难找到反映分布模式的特征区域,而大多数传统聚类算法仅对低维数据具有良好的扩展性。因此,传统聚类算法在处理高维数据的时候,产生的聚类结果可能无法满足现阶段的需求。而子空间聚类算法搜索存在于高维数据子空间中的簇,将数据的原始特征空间分为不同的特征子集,减少不相关特征的影响,保留原数据中的主要特征。通过子空间聚类方法可以发现高维数据中不易展现的信息,并通过可视化技术展现数据属性和维度的内在结构,为高维数据可视分析提供了有效手段。总结了近年来基于子空间聚类的高维数据可视分析方法研究进展,从基于特征选择、基于子空间探索、基于子空间聚类的3种不同方法进行阐述,并对其交互分析方法和应用进行分析,同时对高维数据可视分析方法的未来发展趋势进行了展望。     

基于图信息的自监督多视角子空间聚类

多视角子空间聚类方法通常用于处理高维度、复杂结构的数据. 现有的大多数多视角子空间聚类方法通过挖掘潜在图信息进行数据分析与处理, 但缺乏对潜在子空间表示的监督过程. 针对这一问题, 本文提出一种新的多视角子空间聚类方法, 即基于图信息的自监督多视角子空间聚类(SMSC). 它将谱聚类与子空间表示相结合形成统一的深度学习框架. SMSC首先通过挖掘多视角数据的一阶图和二阶图构成潜在图信息, 其次利用聚类结果监督多个视角的公共潜在子空间学习过程. 通过在4个标准数据集上进行的广泛实验, 结果验证本文所提方法相较于传统的多视角子空间聚类方法更具有效性.     

一种基于极大熵的快速无监督线性降维方法

现实世界中高维数据无处不在,然而在高维数据中往往存在大量的冗余和噪声信息,这导致很多传统聚类算法在对高维数据聚类时不能获得很好的性能.实践中发现高维数据的类簇结构往往嵌入在较低维的子空间中.因而,降维成为挖掘高维数据类簇结构的关键技术.在众多降维方法中,基于图的降维方法是研究的热点.然而,大部分基于图的降维算法存在以下两个问题:(1)需要计算或者学习邻接图,计算复杂度高;(2)降维的过程中没有考虑降维后的用途.针对这两个问题,提出一种基于极大熵的快速无监督降维算法MEDR. MEDR算法融合线性投影和极大熵聚类模型,通过一种有效的迭代优化算法寻找高维数据嵌入在低维子空间的潜在最优类簇结构. MEDR算法不需事先输入邻接图,具有样本个数的线性时间复杂度.在真实数据集上的实验结果表明,与传统的降维方法相比, MEDR算法能够找到更好地将高维数据投影到低维子空间的投影矩阵,使投影后的数据有利于聚类.     

基于分式函数约束的稀疏子空间聚类方法

针对现有稀疏子空间聚类算法获取的系数矩阵不能准确反应高维空间中数据分布的稀疏性的不足,提出一种分式函数约束的稀疏子空间聚类模型,并利用交替方向迭代方法给出该模型的解。在无噪声情形下,证明了该方法获取的系数矩阵具有块对角结构,这为其准确获取数据结构提供了理论保证;在含噪声情形下,对异常点噪声同样采用分式函数约束作为正则项,提高了模型的鲁棒性。在人工数据集、Extended Yale B库和Hopkins155数据集上的实验结果表明,基于分式函数约束的稀疏子空间聚类方法不仅提高了聚类结果的准确率,而且对异常点噪声具有更好的鲁棒性。     

基于三支决策的多视图低秩稀疏子空间聚类算法

多视图子空间聚类是一种从子空间中学习所有视图共享的统一表示, 挖掘数据潜在聚类结构的方法. 作为一种处理高维数据的聚类方法, 子空间聚类是多视图聚类领域的研究热点之一. 多视图低秩稀疏子空间聚类是一种结合了低秩表示和稀疏约束的子空间聚类方法. 该算法在构造亲和矩阵过程中, 利用低秩稀疏约束同时捕捉了数据的全局结构和局部结构, 优化了子空间聚类的性能. 三支决策是一种基于粗糙集模型的决策思想, 常被应用于聚类算法来反映聚类过程中对象与类簇之间的不确定性关系. 本文基于三支决策的思想, 设计了一种投票制度作为决策依据, 将其与多视图稀疏子空间聚类组成一个统一框架, 从而形成一种新的算法. 在多个人工数据集和真实数据集上的实验表明, 该算法可提高多视图聚类的准确性.     

k近邻约束的稀疏子空间聚类

稀疏子空间聚类是近年提出的高维数据聚类框架，针对实际数据并不完全满足线性子空间模型的假设，提出[k]近邻约束的稀疏子空间聚类算法。该算法结合数据的子空间结构，[k]近邻及距离信息，在稀疏子空间模型上，添加[k]近邻约束项。添加的约束项符合距离越小，相似系数越大的直观认识且不改变系数矩阵的稀疏性。在人脸数据集Extended YaleB、ORL、AR，物体图像数据集COIL20及手写数据集USPS上的聚类实验表明提出的算法具有良好的性能。     

高维数据聚类方法综述*

总结了高维数据聚类算法的研究现状,分析比较了算法性能的主要差异,并指出其今后的发展趋势,即在子空间聚类过程中融入其他传统聚类方法的思想,以提高聚类性能。     

Distance metric learning guided adaptive subspace semi-supervised clustering

Most existing semi-supervised clustering algorithms are not designed for handling high-dimensional data. On the other hand, semi-supervised dimensionality reduction methods may not necessarily improve the clustering performance, due to the fact that the inherent relationship between subspace selection and clustering is ignored. In order to mitigate the above problems, we present a semi-supervised clustering algorithm using adaptive distance metric learning (SCADM) which performs semi-supervised clustering and distance metric learning simultaneously. SCADM applies the clustering results to learn a distance metric and then projects the data onto a low-dimensional space where the separability of the data is maximized. Experimental results on real-world data sets show that the proposed method can effectively deal with high-dimensional data and provides an appealing clustering performance.     

结构约束的对称低秩表示子空间聚类算法

通过子空间聚类可获得高维数据的潜在子空间结构,但现有算法不能同时揭示数据全局低秩结构和局部稀疏结构特性,致使聚类性能受限。提出一种结构约束的对称低秩表示算法用于子空间聚类。在目标函数中添加结构约束和对称约束来限制低秩表示解的结构,构造一个加权稀疏和对称低秩的亲和度图,在此基础上,结合谱聚类方法实现高效的子空间聚类。实验结果表明,该算法能够准确表示复杂子空间结构,其在Extended Yale B和Hopkins 155基准数据集上的平均聚类误差分别为1.37%和1.43%,聚类性能优于LRR、SSC、LRRSC等算法。     

嵌入式深度神经网络高光谱图像聚类

目的 高光谱图像的高维特性和非线性结构给聚类任务带来了"维数灾难"和线性不可分问题，以往的工作将特征提取过程与聚类过程互相剥离，难以同时优化。为了解决上述问题，提出了一种新的嵌入式深度神经网络模糊C均值聚类方法（EDFCC）。方法 EDFCC算法为了提取更加有效的深层特征，联合优化高光谱图像的特征提取和聚类过程，将模糊C均值聚类算法嵌入至深度自编码器网络中，可以保持两任务联合优化的优势，同时利用深度自编码器网络降维以及逼近任意非线性函数的能力，逐步将原始数据映射到潜在特征空间，提取数据的深层特征。所提方法采用模糊C均值聚类算法约束特征提取过程，学习适用于聚类的高光谱数据深层特征，动态调整聚类指示矩阵。结果 实验结果表明，EDFCC算法在Indian Pines和Pavia University两个高光谱数据集上的聚类精度分别达到了42.95%和60.59%，与当前流行的低秩子空间聚类算法（LRSC）相比分别提高了3%和4%，相比于基于自编码器的数据聚类算法（AEKM）分别提高了2%和3%。结论 EDFCC算法能够从高光谱图像的高维光谱信息中提取更加有效的深层特征，提升聚类精度，并且由于EDFCC算法不需要额外的训练过程，大大提升了聚类效率。     

自适应的软子空间聚类算法

软子空间聚类是高维数据分析的一种重要手段.现有算法通常需要用户事先设置一些全局的关键参数,且没有考虑子空间的优化.提出了一个新的软子空间聚类优化目标函数,在最小化子空间簇类的簇内紧凑度的同时,最大化每个簇类所在的投影子空间.通过推导得到一种新的局部特征加权方式,以此为基础提出一种自适应的k-means型软子空间聚类算法.该算法在聚类过程中根据数据集及其划分的信息,动态地计算最优的算法参数.在实际应用和合成数据集上的实验结果表明,该算法大幅度提高了聚类精度和聚类结果的稳定性.     

基于Krylov子空间方法的网络入侵数据聚类

网络信息安全中的数据具有维数高、规模复杂等特性。网络入侵检测需要对网络入侵信息进行合理的分析,筛选出危险的带有攻击性的行为。随着数据维数的不断升高,传统的基于距离的聚类分析方法不再适用。针对此,本文提出一种基于Krylov子空间方法的高维数据聚类分析算法,首先将高维数据投影到低维空间,实现数据的降维,再用基于遗传算法的K-means算法在低维空间中进行数据的聚类,避免了数据属性的丢失,同时也提高了高维数据聚类分析的效率。最后,使用KDD Cup 99数据进行实验,实验验证了方法的有效性和精确性。     

类属型数据核子空间聚类算法

现有的类属型数据子空间聚类方法大多基于特征间相互独立假设,未考虑属性间存在的线性或非线性相关性.提出一种类属型数据核子空间聚类方法.首先引入原作用于连续型数据的核函数将类属型数据投影到核空间,定义了核空间中特征加权的类属型数据相似性度量.其次,基于该度量推导了类属型数据核子空间聚类目标函数,并提出一种高效求解该目标函数的优化方法.最后,定义了一种类属型数据核子空间聚类算法.该算法不仅在非线性空间中考虑了属性间的关系,而且在聚类过程中赋予每个属性衡量其与簇类相关程度的特征权重,实现了类属型属性的嵌入式特征选择.还定义了一个聚类有效性指标,以评价类属型数据聚类结果的质量.在合成数据和实际数据集上的实验结果表明,与现有子空间聚类算法相比,核子空间聚类算法可以发掘类属型属性间的非线性关系,并有效提高了聚类结果的质量.     

改进的基于谱聚类的子空间聚类模型

子空间聚类的目的是将来自不同子空间的数据分割到其本质上所属的低维子空间。现有的基于数据的自我表示和谱聚类的子空间聚类算法将该问题分为两个连续的阶段：首先从高维数据中学习数据的相似性矩阵,然后通过将谱聚类应用于所学相似性矩阵来推断数据的聚类隶属。通过定义一种新的数据自适应稀疏正则项,并将其与结构稀疏子空间聚类（SSSC）模型和改进的稀疏谱聚类（SSpeC）模型相结合,给出了一个新的统一优化模型。新模型利用数据的相似度和聚类指标的相互引导克服了SSpeC稀疏性惩罚的盲目性,并使得相似度具有了判别性,这有利于将不同子空间的数据分为不同类,弥补了SSSC模型只强制来自相同子空间的数据具有相同标签的缺陷。常用数据集上的实验结果表明,所提模型增强了聚类判别的能力,优于一些经典的两阶段法和SSSC模型。     

融合自动权重学习的深度子空间聚类

子空间聚类算法是一种面向高维数据的聚类方法,具有独特的数据自表示方式和较高的聚类精度。传统子空间聚类算法聚焦于对输入数据构建最优相似图再进行分割,导致聚类效果高度依赖于相似图学习。自适应近邻聚类（CAN）算法改进了相似图学习过程,根据数据间的距离自适应地分配最优邻居以构建相似图和聚类结构。然而,现有CAN算法在进行高维数据非线性聚类时,难以很好地捕获局部数据结构,从而导致聚类准确性及算法泛化能力有限。提出一种融合自动权重学习与结构化信息的深度子空间聚类算法。通过自编码器将数据映射到非线性潜在空间并降维,自适应地赋予潜在特征不同的权重从而处理噪声特征,最小化自编码器的重构误差以保留数据的局部结构信息。通过CAN方法学习相似图,在潜在表示下迭代地增强各特征间的相关性,从而保留数据的全局结构信息。实验结果表明,在ORL、COIL-20、UMIST数据集上该算法的准确率分别达到0.780 1、0.874 3、0.742 1,聚类性能优于LRR、LRSC、SSC、KSSC等算法。     

一种基于网格方法的高维数据流子空间聚类算法

基于对网格聚类方法的分析，结合由底向上的网格方法和自顶向下的网格方法，设计了一个能在线处理高维数据流的子空间聚类算法。通过利用由底向上网格方法对数据的压缩能力和自顶向下网格方法处理高维数据的能力，算法能基于对数据流的一次扫描，快速识别数据中位于不同子空间内的簇。理论分析以及在多个数据集上的实验表明算法具有较高的计算精度与计算效率。     

高维数据流的自适应子空间聚类算法

高维数据流聚类是数据挖掘领域中的研究热点。由于数据流具有数据量大、快速变化、高维性等特点,许多聚类算法不能取得较好的聚类质量。提出了高维数据流的自适应子空间聚类算法SAStream。该算法改进了HPStream中的微簇结构并定义了候选簇,只在相应的子空间内计算新来数据点到候选簇质心的距离,减少了聚类时被检查微簇的数目,将形成的微簇存储在金字塔时间框架中,使用时间衰减函数删除过期的微簇;当数据流量大时,根据监测的系统资源使用情况自动调整界限半径和簇选择因子,从而调节聚类的粒度。实验结果表明,该算法具有良好的聚类质量和快速的数据处理能力。     

基于单元区域的高维数据聚类算法

高维数据空间维数较高,数据点分布稀疏、密度平均,从中发现数据聚类比较困难,而用基于距离的方法进行高维数据聚类,维数的增多会使得计算对象间距离的时间开销增大. CAHD(clustering algorithm of high-dimensional data)算法首先采用双向搜索策略在指定的n维空间或其子空间上发现数据点密集的单元区域,然后采用逐位与的方法为这些密集单元区域进行聚类分析.双向搜索策略能够有效地减少搜索空间,从而提高算法效率,同时,聚类密集单元区域只用到逐位与和位移两种机器指令,使得算法效率得到进一步提高.算法CAHD可以有效地处理高维数据的聚类问题.基于数据集的实验表明,算法具有很好的有效性.     

一种基于数据流的软子空间聚类算法

针对高维数据的聚类研究表明,样本在不同数据簇往往与某些特定的数据特征子集相对应.因此,子空间聚类技术越来越受到关注.然而,现有的软子空间聚类算法都是基于批处理技术的聚类算法,不能很好地应用于高维数据流或大规模数据的聚类研究中.为此,利用模糊可扩展聚类框架,与熵加权软子空间聚类算法相结合,提出了一种有效的熵加权流数据软子空间聚类算法——EWSSC(entropy-weighting streaming subspace clustering).该算法不仅保留了传统软子空间聚类算法的特性,而且利用了模糊可扩展聚类策略,将软子空间聚类算法应用于流数据的聚类分析中.实验结果表明,EWSSC 算法对于高维数据流可以得到与批处理软子空间聚类方法近似一致的实验结果.