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Mean Shift 概述
Mean Shift 简介
Mean Shift 这个概念最早是由 Fukunaga 等人[1]于 1975 年在一篇关于概率密度梯度函数的估计中提出
来的,其最初含义正如其名,就是偏移的均值向量,在这里 Mean Shift 是一个名词,它指代的是一个向量,但随
着 Mean Shift 理论的发展,Mean Shift 的含义也发生了变化,如果我们说 Mean Shift 算法,一般是指一个迭代
的步骤,即先算出当前点的偏移均值,移动该点到其偏移均值,然后以此为新的起始点,继续移动,直到满足一
定的条件结束.
然而在以后的很长一段时间内 Mean Shift 并没有引起人们的注意,直到 20 年以后,也就是 1995 年,另外
一篇关于 Mean Shift 的重要文献[2]才发表.在这篇重要的文献中,Yizong Cheng 对基本的 Mean Shift 算法在
以下两个方面做了推广,首先 Yizong Cheng 定义了一族核函数,使得随着样本与被偏移点的距离不同,其偏
移量对均值偏移向量的贡献也不同,其次 Yizong Cheng 还设定了一个权重系数,使得不同的样本点重要性不
一样,这大大扩大了 Mean Shift 的适用范围.另外 Yizong Cheng 指出了 Mean Shift 可能应用的领域,并给出了
具体的例子.
Comaniciu 等人[3][4]把 Mean Shift 成功的运用的特征空间的分析,在图像平滑和图像分割中 Mean Shift
都得到了很好的应用. Comaniciu 等在文章中证明了,Mean Shift 算法在满足一定条件下,一定可以收敛到最
近的一个概率密度函数的稳态点,因此 Mean Shift 算法可以用来检测概率密度函数中存在的模态.
Comaniciu 等人[5]还把非刚体的跟踪问题近似为一个 Mean Shift 最优化问题,使得跟踪可以实时的进行.
在后面的几节,本文将详细的说明 Mean Shift 的基本思想及其扩展,其背后的物理含义,以及算法步骤,并
给出理论证明.最后本文还将给出 Mean Shift 在聚类,图像平滑,图像分割,物体实时跟踪这几个方面的具体应
用.
Mean Shift 的基本思想及其扩展
基本 Mean Shift
给定 d 维空间 中的 n 个样本点
i
x
,i=1,…,n,在 点的 Mean Shift 向量的基本形式定义为:
1
i h
h i
x S
M x x x
k
(1)
其中,
h
S
是一个半径为 h 的高维球区域,满足以下关系的 y 点的集合,
(2)
k 表示在这 n 个样本点 中,有 k 个点落入
h
S
区域中.
我们可以看到 是样本点 相对于点 的偏移向量,(1)式定义的 Mean Shift 向量 就是对
落入区域
h
S
中的 k 个样本点相对于点 的偏移向量求和然后再平均.从直观上看,如果样本点
i
x
从一个概率
密度
函数
f x
中采样得到
,
由于非零的概率密度梯度指向概率密度增加最大的方向
,
因此从平均上来说
,
h
S
区域内的样本点更多的落在沿着概率密度梯度的方向
.
因此
,
对应的
, Mean Shift
向量
( )
h
M x
应该指向概
率密度梯度的方向
.
图 1,Mean Shift 示意图
如上图所示, 大圆圈所圈定的范围就是
h
S
,小圆圈代表落入
h
S
区域内的样本点
i h
x S
,黑点就是 Mean
Shift 的基准点
x
,箭头表示样本点相对于基准点 的偏移向量,很明显的,我们可以看出,平均的偏移向量
( )
h
M x
会指向样本分布最多的区域,也就是概率密度函数的梯度方向.
扩展的 Mean Shift
核函数
首先我们引进核函数的概念.
定义: 代表一个 d 维的欧氏空间, 是该空间中的一个点,用一列向量表示. 的模 . 表示
实数域.如果一个函数 存在一个剖面函数 ,即
(3)
并且满足:
(1) 是非负的.
(2) 是非增的,即如果 那么 .
(3) 是分段连续的,并且
那么,函数 就被称为核函数.
举例:在 Mean Shift 中,有两类核函数经常用到,他们分别是,
单位均匀核函数:
(4)
单位高斯核函数:
(5)
这两类核函数如下图所示.
图 2, (a) 单位均匀核函数 (b) 单位高斯核函数
一个核函数可以与一个均匀核函数相乘而截尾,如一个截尾的高斯核函数为,
(6)
图 3 显示了不同的 值所对应的截尾高斯核函数的示意图.
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资源评论
- ysc7032012-09-10果然很详细,多谢
- quliuwuyi1332013-09-18排版很清楚。 支持一下。
- peterrk2011-12-14写的果然相当详细,排版也很清楚。 支持一下。
- jilaopi2012-03-28资料很齐全,其中还包括一些应用的讲解,谢谢
- hustM20102014-04-24相当详细,容易懂
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