Beyond low rank + sparse: Multi-scale low rank matrix decomposition

秩(图论) 低秩近似 稀疏矩阵 矩阵分解 基质(化学分析) 计算机科学 比例(比率) 稀疏逼近 算法 一般化 数学 组合数学 物理 材料科学 高斯分布 复合材料 特征向量 数学分析 量子力学 汉克尔矩阵
作者
Frank Ong,Michael Lustig
标识
DOI:10.1109/icassp.2016.7472561
摘要

The recent low rank + sparse matrix decomposition [1,2] enables us to decompose a matrix into sparse and globally low rank components. In this paper, we present a natural generalization and consider the decomposition of matrices into low rank components of multiple scales. The proposed multi-scale low rank decomposition is well motivated in practice, since natural data often exhibit multi-scale structure instead of globally or sparsely. Concretely, we propose a multi-scale low rank modeling to represent a data matrix as a sum of block-wise low rank matrices with increasing scales of block sizes. We then consider the inverse problem of decomposing the data matrix into its multi-scale low rank components, and approach the problem via a convex formulation. Theoretically, we show that under a deterministic incoherence condition, the convex program recovers the multi-scale low rank components exactly. Empirically, we show that the multi-scale low rank decomposition provides a more intuitive decomposition than existing low rank methods, and demonstrate its effectiveness in four applications, including illumination normalization for face images, motion separation for surveillance videos, multi-scale modeling of the dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging and collaborative filtering with age information.
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