[發(fā)明專利]一種線性動態(tài)系統(tǒng)的相似性度量計算方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410427511.1
• 申請日: 2014-08-27
• 公開（公告）號: CN104199902A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅冠;胡衛(wèi)明
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院自動化研究所
• 主分類號: G06F17/30
• 分類號: G06F17/30
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種線性動態(tài)系統(tǒng)的相似性度量計算方法。

背景技術(shù)

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，時序數(shù)據(jù)已廣泛深入地在國計民生、商業(yè)金融以及科學(xué)研究等領(lǐng)域中起著重要的作用，比如國家人口、糧食儲備隨時間變化的情況，天氣雨水隨時間變化的規(guī)律，股市匯率隨時間變化的趨勢等等，時序數(shù)據(jù)分析都能夠在其中發(fā)揮重要的作用。另一方面，視頻數(shù)據(jù)作為近年來一種與人們的日常生活緊密相關(guān)的時序數(shù)據(jù)，已被廣泛地應(yīng)用于各種場所。例如，在銀行、機(jī)場、居民生活區(qū)等地區(qū)安裝用于安防的監(jiān)控系統(tǒng)，每天會產(chǎn)生大量的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)；再例如，在互聯(lián)網(wǎng)上存儲著海量的視頻節(jié)目，而且每時每刻還在不斷地高速增長。如何在如此海量的視頻數(shù)據(jù)中快速準(zhǔn)確地檢索到所期望的內(nèi)容，是一個具有重要研究價值和巨大應(yīng)用價值的實際問題，這一問題的有效解決將對相關(guān)產(chǎn)業(yè)的深入發(fā)展起到重要的促進(jìn)和推動作用。

時序數(shù)據(jù)分析與檢索的一個重要內(nèi)容是如何快速準(zhǔn)確地計算兩個時序數(shù)據(jù)之間的相似度。目前這個問題主要有兩類解決方法：一類是通過直接計算兩個序列之間的豪斯多夫距離(Hausdorff?distance)來衡量兩個時序數(shù)據(jù)之間的相似度。這種方法的優(yōu)點是計算簡單，但是計算準(zhǔn)確度很差；另一類是通過學(xué)習(xí)時序數(shù)據(jù)的隱馬爾可夫模型來比較時序數(shù)據(jù)之間的相似性。這種方法計算準(zhǔn)確度好，但是模型計算復(fù)雜度較高。由于時序數(shù)據(jù)在一個較短的時間內(nèi)具有線性的特點，因此可以使用線性動態(tài)系統(tǒng)模型來描述時序數(shù)據(jù)。線性動態(tài)系統(tǒng)兼具以上兩類方法的優(yōu)點，因此具有很好的應(yīng)用潛力。

線性動態(tài)系統(tǒng)通過模型參數(shù)(A，C)來表達(dá)時序數(shù)據(jù)隨時間變化的特點。在如何計算兩個線性動態(tài)系統(tǒng)距離這個問題上，目前主流的做法是計算兩個線性動態(tài)系統(tǒng)所在的子空間形成的夾角。但這種方法存在一個非常明顯的缺陷是，它沒有考慮線性動態(tài)系統(tǒng)的初始狀態(tài)對于計算結(jié)果的影響。例如：對于兩個內(nèi)容相同的視頻序列，當(dāng)它們的初始幀不同時，其子空間夾角會在零附近發(fā)生較大范圍的變化。但是在實際應(yīng)用中，通常期望視頻序列之間的距離度量不受初始條件的影響，使得能夠準(zhǔn)確判斷兩個視頻序列之間內(nèi)容的相似性。為此，本發(fā)明在子空間夾角方法的基礎(chǔ)上，提供一種與初始狀態(tài)無關(guān)的線性動態(tài)系統(tǒng)距離度量的計算方法。該方法可明顯平穩(wěn)相同內(nèi)容時序數(shù)據(jù)之間的距離度量變化曲線，同時增加與不同內(nèi)容時序數(shù)據(jù)距離度量變化曲線之間的間隔，使得在時序數(shù)據(jù)檢索、識別方面的性能大幅提高。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種線性動態(tài)系統(tǒng)的相似性度量計算方法，該方法首先計算時序數(shù)據(jù)的線性動態(tài)系統(tǒng)模型參數(shù)，并求解線性動態(tài)系統(tǒng)之間的子空間夾角，在此基礎(chǔ)上通過幀偏移優(yōu)化，提供一種與初始狀態(tài)無關(guān)的線性動態(tài)系統(tǒng)距離度量的計算方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種線性動態(tài)系統(tǒng)的相似性度量計算方法，該方法包括以下步驟：

步驟1：收集待處理的時序數(shù)據(jù)；

步驟2：分別計算所述時序數(shù)據(jù)對應(yīng)的線性動態(tài)系統(tǒng)模型參數(shù)；

步驟3：通過所述線性動態(tài)系統(tǒng)模型參數(shù)計算得到對應(yīng)線性動態(tài)系統(tǒng)之間的子空間夾角；

步驟4：通過對所述子空間夾角進(jìn)行幀偏移優(yōu)化，得到所述時序數(shù)據(jù)的相似性度量。

其中，所述步驟2進(jìn)一步包括以下步驟：

步驟21，將所述時序數(shù)據(jù)表示為二維矩陣，所述二維矩陣的行表示時序數(shù)據(jù)的維度，列表示時序數(shù)據(jù)的長度；

步驟22，將所述時序數(shù)據(jù)作為一個線性動態(tài)系統(tǒng)的輸出，得到其應(yīng)滿足的線性動態(tài)系統(tǒng)模型；

步驟23，通過SVD分解和最小二乘法得到所述線性動態(tài)系統(tǒng)模型的參數(shù)。

其中，所述線性動態(tài)系統(tǒng)模型表示為：