壓縮感知中的概率約束優(yōu)化模型及其D.C.近似

任詠紅, 曹麗娜, 姜 歡， 曲文靜

(遼寧師范大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院,遼寧 大連 116029)

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壓縮感知中的概率約束優(yōu)化模型及其D.C.近似

任詠紅, 曹麗娜, 姜 歡， 曲文靜

(遼寧師范大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院,遼寧 大連 116029)

帶有噪聲的壓縮感知信號重建模型可表示為l1-范數(shù)問題.為了滿足使用少量觀測值重構(gòu)出高精度的圖像，在設(shè)置觀測矩陣時需要滿足受限等距性(RIP)和非相干性，然而判斷一個矩陣的RIP是非常困難的.針對觀測矩陣的不確定性，將該模型轉(zhuǎn)化為具有概率約束的隨機(jī)優(yōu)化模型，即在約束條件以很大的概率被滿足的情況下，求解最小l1-范數(shù)問題.構(gòu)建了概率約束函數(shù)的一個D.C.近似函數(shù)，討論了函數(shù)的性質(zhì)，建立了相應(yīng)的D.C.近似問題，證明了D.C.近似問題與概率約束優(yōu)化問題的等價性.

壓縮感知；概率約束；D.C.近似

近年來,信號處理領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新穎的理論——壓縮感知(Compressive Sensing)或叫壓縮采樣. 壓縮感知的核心是利用特定矩陣把一個K-稀疏或可壓縮的高維信號投影到低維空間上，然后利用信號的稀疏先驗(yàn)條件，通過一定的線性或非線性的重建模型重建出原始信號.而壓縮感知信號重建模型可表示成l0-范數(shù)問題：

(1)

其中，Φ∈M×N為觀測矩陣，x∈N,b∈M是觀測值，N>M.

問題(1)是NP-hard問題，直接求解較困難，有效的求解方法是匹配追蹤系列算法[1-3]，此算法重建速度快，但精確度低且需要測量的數(shù)據(jù)多.

Donoho等[4-5]建立了問題(1)的等價問題l1-范數(shù)問題：

(2)

而在現(xiàn)實(shí)測量過程中，常存在各種各樣噪聲的干擾，破壞了信號的稀疏特性.因此,壓縮感知需要恢復(fù)算法具有穩(wěn)定性和對噪聲的魯棒特性.帶有噪聲ε≥0的壓縮感知信號重建模型可以表示為

(3)

關(guān)于問題(3)的求解，常集中于凸優(yōu)化算法[6-9].凸優(yōu)化算法重建誤差小，重建效果好，但是，速度慢,算法的復(fù)雜度高.

為了滿足使用少量觀測值重構(gòu)出高精度的圖像，在設(shè)置觀測矩陣Φ時需要滿足受限等距性(RIP)和非相干性，然而判斷一個矩陣的RIP是非常困難的.本文針對觀測矩陣的不確定性，將該模型轉(zhuǎn)化為具有概率約束的隨機(jī)優(yōu)化模型，即在約束條件以很大的概率被滿足的情況下，求解最小l1-范數(shù)問題.構(gòu)建了概率約束函數(shù)的一個D.C.近似函數(shù)，討論了近似函數(shù)的性質(zhì)，建立了相應(yīng)的D.C.近似問題，證明了D.C.近似問題與概率約束優(yōu)化問題的等價性.

1 概率約束優(yōu)化模型

考慮帶有噪聲的壓縮感知信號重建模型：

其中,ε≥0代表噪聲.

基于觀測矩陣Φ的不確定性，將該模型轉(zhuǎn)化為具有概率約束的隨機(jī)優(yōu)化模型如下：

(CCP)

其中,x∈X?N，‖·‖1為l1-范數(shù)，‖·‖2為l2-范數(shù)，Pr為概率，b∈M，ξ是支撐集Ξ上的隨機(jī)向量，Φ:Ξ→M×N(M>N)為隨機(jī)矩陣，ε≥0代表噪聲，α∈(0,1)是置信水平.

問題(CCP)是具有概率約束的隨機(jī)優(yōu)化問題，求解該類問題具有代表性的方法主要有凸近似方法[10]、D.C.近似方法[11]等.

考慮問題(CCP), 若記

其中,

則問題(CCP)可變形為

(P)

2 D.C.近似問題

對?t>0，定義函數(shù)

記

π(z,ε,t)=φ1(z,ε,t)-φ2(z,ε,t), ?t>0.

由于φ1(z,ε,t)和φ2(z,ε,t)都是關(guān)于z的凸函數(shù)，則π(z,ε,t)是關(guān)于z的D.C.函數(shù).

當(dāng)t>0時，對所有的z∈有

π(z,ε,t)≥1(ε,+∞)(z).

則π(z,ε,t)是特征函數(shù)1(ε,+∞)(z)的一個凸保守的D.C.近似(如圖1和圖2所示).

圖1 特征函數(shù)1(ε,+∞)(z)Fig.1 Characteristic function 1(ε,+∞)(z)

函數(shù)φ1(z,ε,t)和φ2(z,ε,t) D.C.近似函數(shù)π(z,ε,t)圖2 特征函數(shù)1(ε,+∞)(z)的D.C.近似Fig.2 D.C. approximation function of characteristic function 1(ε,+∞)(z)

下述命題描述了函數(shù)π(z,ε,t)的性質(zhì).

命題2.1 對于?t>0，函數(shù)π(z,ε,t)關(guān)于t是非減的.

證 對?t>0，則有

則對于?t1>t2>0，有

因此，當(dāng)t>0時，π(z,ε,t)關(guān)于t是非減的.

證畢.

記

(4)

假設(shè)1X?N是凸緊致子集，ξ的支撐集Ξ是包含于k的閉集，Θ是使得X?Θ的一個有界開集.

證 由命題2.1可知，當(dāng)t>0時，對?z∈,π(z,ε,t)關(guān)于t是非減的，又由于

證畢.

引理2.2 若假設(shè)1和假設(shè)2成立，則g1(x,ε,t)在Θ×(-t,+t)上是可微的，并且有

xg1(x,ε,t)=E[‖2Φ(ξ)T(Φ(ξ)x-b)·1(ε-t,+∞)(‖Φ(ξ)x-b)],

證 記

由于f(z)=[t+z-ε]+除了在點(diǎn)z=ε-t處都是可微的.則當(dāng)z≠ε-t時，有

f′(z)=1(ε-t,+∞)(z).

xg1(x,ε,t)=E[‖2Φ(ξ)T(Φ(ξ)x-b)·1(ε-t,+∞)(‖Φ(ξ)x-b)]，

由于g2(x,ε)=g1(x,ε,t)，同理可得

xg2(x,ε)=E[‖2Φ(ξ)T(Φ(ξ)x-b)·1(ε,+∞)(‖Φ(ξ)x-b)].

證 由引理2.1，

由引理2.2得

證畢.

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Probability constrained optimization model and its D.C. approximation in compressed sensing

RENYonghong,CAOLina,JIANGHuan,QUWenjing

(School of Mathematics, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China)

Compressed sensing signal reconstruction with noise can be expressed asl1-norm problem. In order to reconstruct a high-precision image with a small amount of observations, it is necessary to satisfy the restricted isometric (RIP) and non-coherence when setting the observation matrix. However, it is very difficult to judge the RIP of a matrix. In view of the uncertainty of the observation matrix, thel1-norm problem is transformed into a stochastic optimization model with probability constraint in this paper. That is, the minimuml1-norm problem is solved when the constraint is satisfied with a large probability. A D.C. approximation function of the probability constraint function is constructed. The properties of the function are discussed and the corresponding D.C. approximation problem is established. The equivalence between the D.C. approximation and the probability constrained optimization problem is proved.

compressed sensing;probability constraint;D.C. approximation

2017-01-20

遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究一般項(xiàng)目(L2015291)；遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)計劃項(xiàng)目(201602459);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11671184)

任詠紅(1973-)，女，遼寧朝陽人，遼寧師范大學(xué)副教授，博士.E-mail:ryhong@lnnu.edu.cn

1000-1735(2017)02-0154-05

10.11679/lsxblk2017020154

O221.5

A