Графикалық кесуді оңтайландыру - Graph cut optimization

Графикалық кесуді оңтайландыру Бұл комбинаторлық оңтайландыру отбасына қолданылатын әдіс функциялары туралы дискретті айнымалылар тұжырымдамасымен аталған кесу теориясында ағындық желілер. Арқасында максималды ағын минималды теорема, анықтау минималды кесу астам график ағындық желіні ұсыну - есептеуге тең максималды ағын желі арқылы. Берілген псевдо-буль функциясы , егер оң салмақпен ағынды желі құру мүмкін болса

  • әрбір кесу желіні айнымалылар тағайындауға болады дейін (және керісінше), және
  • құны тең (аддитивті тұрақтыға дейін)

онда табуға болады жаһандық оңтайлы туралы жылы көпмүшелік уақыт графиктің минималды кесуін есептеу арқылы. Қысқартулар мен айнымалыларды тағайындау арасындағы сызба әр айнымалыны графикте бір түйінмен ұсыну арқылы жүзеге асырылады және қиылысу берілгенде, егер сәйкес түйін дереккөзге қосылған компонентке жататын болса, әр айнымалының мәні 0 болады, егер ол 1 болса раковинаға қосылған компонентке жатады.

Логикалық функциялардың барлығы бірдей ағынды желі арқылы ұсыныла бермейді, ал жалпы жағдайда жаһандық оңтайландыру проблемасы NP-hard. Графикалық кесінділер арқылы оңтайландырылатын функциялардың отбасыларын сипаттауға жеткілікті жағдайлар бар, мысалы субмодульдік квадраттық функциялар. Графикалық кесуді оңтайландыру дискретті айнымалылардың функцияларына дейін кеңейтілуі мүмкін, оларды әр итерацияда бір граф кесуді есептей отырып, оңтайлылық қасиеттері бар итерациялық алгоритмдермен жақындатуға болады.

Графикалық кесуді оңтайландыру қорытынды шығарудың маңызды құралы болып табылады графикалық модельдер сияқты Марков кездейсоқ өрістер немесе шартты кездейсоқ өрістер және ол бар компьютерлік көру проблемаларындағы қосымшалар сияқты кескінді сегментациялау,[1][2] denoising,[3] тіркеу[4][5] және стерео сәйкестігі.[6][7]

Өкілдік

A псевдо-буль функциясы деп айтылады ұсынылатын егер график болса теріс емес салмақтармен және бастапқы және раковиналық түйіндермен және сәйкесінше, және түйіндер жиынтығы бар әрбір мәндер үшін айнымалыларға берілген, ағынның минимуммен анықталған мәніне (тұрақтыға дейін) тең кесу график осындай егер және егер .[8]

Бұлев функцияларын жалған бульді әр бір мүшеге ықпал ететін айнымалылардың максималды санымен анықталатын реті бойынша жіктеуге болады. Әрбір термин ең көбі бір айнымалыға тәуелді болатын барлық бірінші ретті функциялар әрқашан ұсынылады. Квадраттық функциялар

олар субмодульді болған жағдайда ғана ұсынылады, яғни әрбір квадраттық мүше үшін келесі шарт қанағаттандырылады

Кубтық функциялар

олар болған жағдайда ғана ұсынылады тұрақты, яғни қалған айнымалының мәнін бекіту арқылы алынған екі айнымалының барлық мүмкін екілік проекциялары субмодульді болады. Жоғары деңгейлі функциялар үшін жүйелілік - бұл бейнелеудің қажетті шарты.[8]

Графикалық құрылым

Көрсетілетін функцияға арналған графиктің құрылысы екі ұсынылатын функцияның қосындысымен жеңілдетілген және ұсынылған және оның графигі графиктердің бірігуі болып табылады және екі функцияны білдіреді. Мұндай теорема әр терминді бейнелейтін бөлек графиктерді құруға және оларды біріктіріп бүкіл функцияны бейнелейтін графиканы алуға мүмкіндік береді.[8]

Квадраттық функциясын білдіретін график айнымалылар бар шыңдар, олардың екеуі көзді және раковинаны, ал қалғандары айнымалыларды білдіреді. Жоғары ретті функцияларды ұсыну кезінде графикте жоғары ретті өзара әрекеттесуді модельдеуге мүмкіндік беретін көмекші түйіндер бар.

Бірыңғай шарттар

Бірыңғай термин тек бір айнымалыға тәуелді және бір терминалды емес түйіні бар графикамен ұсынылуы мүмкін және бір шеті салмақпен егер , немесе салмақпен егер .[8]

Екілік терминдер

Квадраттық мүшені бейнелейтін графиктің мысалы Егер және .

Квадрат (немесе екілік) мүше екі терминалды емес түйіні бар графикпен ұсынылуы мүмкін және . Терминді келесідей етіп жазуға болады

бірге

Бұл өрнекте бірінші мүше тұрақты және ол ешқандай жиекпен ұсынылмайды, келесі екі мүше бір айнымалыға тәуелді және алдыңғы бөлімде бірыңғай мүшелер үшін көрсетілгендей, бір шетпен ұсынылған, ал үшінші мүше шеті салмақпен (субмодулярлық салмақтың теріс емес екеніне кепілдік береді).[8]

Үштік терминдер

Куб (немесе үштік) термин төрт терминалды емес түйіні бар графикпен ұсынылуы мүмкін, оның үшеуі (, және ) үш айнымалыға және төртінші көмекші түйінге байланысты .[1 ескерту] Жалпы үштік терминді тұрақты, үш унарлы мүшенің, үш екілік мүшенің және үштік мүшенің қосындысы ретінде жеңілдетілген түрде жазуға болады. Белгісіне сәйкес екі түрлі жағдай болуы мүмкін . Егер содан кейін

Үштік терминді бейнелейтін графиктің мысалы қашан (сол жақта) және қашан (оң жақта).

бірге

Егер конструкциясы ұқсас, бірақ айнымалылар қарама-қарсы мәнге ие болады. Егер функция тұрақты болса, онда оның екі айнымалының барлық проекциялары субмодульді болады, демек , және позитивті, содан кейін жаңа ұсынудағы барлық терминдер модульдік болып табылады.

Бұл ыдырауда тұрақты, унарлы және екілік мүшелерді алдыңғы бөлімдерде көрсетілгендей етіп көрсетуге болады. Егер үштік терминді төрт шеті бар графикамен ұсынуға болады , , , , барлығы салмақпен , егер болса термин төрт шетінен ұсынылуы мүмкін , , , салмақпен .[8]

Минималды кесу

Псевдо-буль функциясын бейнелейтін графикті құрғаннан кейін, ағындық желілер үшін жасалған әртүрлі алгоритмдердің ішінен біреуін пайдаланып, минималды кесуді есептеуге болады, мысалы. Форд – Фулкерсон, Эдмондс – Карп, және Бойков – Колмогоров алгоритмі. Нәтижесінде екі қосылған компоненттердегі графиктің бөлімі болады және осындай және , және функция қашан жаһандық минимумға жетеді әрқайсысы үшін сәйкес түйін , және әрқайсысы үшін сәйкес түйін .

Бойков-Колмогоров сияқты максималды ағындық алгоритмдер іс жүзінде дәйекті есептеу үшін өте тиімді, бірақ оларды параллельдеу қиын, сондықтан оларды қолайсыз етеді таратылған есептеу қосымшалар және олардың қазіргі заманғы әлеуетін пайдалануға жол бермеу CPU. Сияқты максималды ағынның параллель алгоритмдері жасалды push-relabel[9] және су тасқыны,[1] ол сонымен қатар аппараттық жеделдетудің артықшылығын қолдана алады GPGPU іске асыру.[10][1][11]

Екі мәннен артық дискретті айнымалылардың функциялары

Алдыңғы конструкция тек псевдо-буль функцияларын жаһандық оңтайландыруға мүмкіндік береді, бірақ оны дискретті айнымалылардың квадраттық функцияларына ақырғы саны бар мәндер түрінде кеңейтуге болады

қайда және . Функция әрбір айнымалының бірыңғай үлесін білдіреді (көбінесе осылай аталады) деректер мерзімі), ал функция айнымалылар арасындағы екілік өзара әрекеттесуді білдіреді (тегістік мерзімі). Жалпы жағдайда мұндай функцияларды оңтайландыру а NP-hard проблема, және стохастикалық оңтайландыру сияқты әдістер имитациялық күйдіру сезімтал жергілікті минимумдар және іс жүзінде олар ерікті түрде оңтайлы нәтиже бере алады.[2 ескерту] Графикалық кесінділер арқылы полиномдық уақытта практикалық қызығушылық тудыратын квадраттық функциялардың кең жанұясы үшін оңтайлы қасиеттері бар жергілікті минимумға қол жеткізуге мүмкіндік беретін алгоритмдер құруға болады (екілік өзара әрекеттесу кезінде) Бұл метрикалық немесе а семиметриялық ), ерітіндідегі функцияның мәні жаһандық оптимумнан тұрақты және белгілі фактордың шеңберінде болатындай.[12]

Функция берілген бірге және мәндердің белгілі бір тағайындалуы айнымалыларға, әр тапсырманы байланыстыруға болады бөлімге айнымалылар жиынтығының, . Екі нақты тапсырма беріңіз және және мән , өзгертетін қозғалыс ішіне деп аталады - кеңейту және . Бірнеше мән берілген және , қозғалыс ан деп аталады - егер ауыстыру . Интуитивті түрде - кеңейту жылжуы мәнін тағайындайды басқа мәні бар кейбір айнымалыларға , ал ан - орын ауыстыру мәні бар кейбір айнымалыларға жылы және керісінше.

Әрбір қайталану үшін - кеңейту алгоритмі әрбір мүмкін мәнге есептейді , барлық тапсырмалар арасындағы функцияның минимумы бұған жалғыз қолмен жетуге болады - ағымдағы уақытша шешімнен кеңейту қозғалысы , және оны жаңа уақытша шешім ретінде қабылдайды.

уақыт :        әрқайсысы үшін :                егер :                        

The -алмастыру алгоритмі ұқсас, бірақ ол барлық тапсырмалар арасында минимумды іздейді бір қол жетімді - ауыстыру .

уақыт :        әрқайсысы үшін :                егер :                        

Екі жағдайда да ішкі циклдегі оңтайландыру мәселесін графикалық кесіндімен дәл және тиімді түрде шешуге болады. Екі алгоритм де сыртқы циклдің қайталануының шектелген санында аяқталады, ал іс жүзінде мұндай сан аз, жетілдірудің көп бөлігі бірінші қайталану кезінде жүреді. Алгоритмдер бастапқы болжамға байланысты әр түрлі шешімдер шығара алады, бірақ іс жүзінде олар инициализацияға қатысты берік болады, және барлық айнымалылар бірдей кездейсоқ мәнге тағайындалатын нүктеден басталуы жақсы нәтиже беру үшін жеткілікті.[12]

Мұндай алгоритмдермен шығарылатын шешім міндетті түрде жаһандық оптимум емес, бірақ оның оңтайлылықтың кепілдіктері бар. Егер Бұл метрикалық және шешімі болып табылады - кеңейту алгоритмі, немесе егер Бұл семиметриялық және шешімі болып табылады - ауыстыру алгоритмі, содан кейін жаһандық минимумнан белгілі және тұрақты факторға жатады :[12]

Модульдік емес функциялар

Жалпы айтқанда субмодульді емес псевдо-буль функциясын оңтайландыру мәселесі туындайды NP-hard және қарапайым график кесіндісімен полиномды уақытта шешуге болмайды. Қарапайым тәсіл - функцияны ұқсас, бірақ субмодулярмен жақындастыру, мысалы барлық субмодульдік емес терминдерді қысқарту немесе оларды ұқсас субмодульді өрнектермен ауыстыру. Мұндай тәсіл негізінен суб-оңтайлы болып табылады және ол модульдік емес терминдердің саны салыстырмалы түрде аз болған жағдайда ғана қолайлы нәтижелер береді.[13]

Квадраттық субмодульдік емес функциялар жағдайында полиномдық уақытта ішінара шешімді, мысалы, алгоритмдерді қолдана отырып есептеуге болады. QPBO.[13] Жоғары ретті функцияларды полиномдық уақытта QPBO көмегімен оңтайландыруға болатын квадраттық түрге келтіруге болады.[14]

Жоғары ретті функциялар

Квадраттық функциялар жан-жақты зерттелген және егжей-тегжейлі сипатталған, бірақ жалпы нәтижелер жоғары ретті функциялар үшін де алынған. Квадраттық функциялар шынымен де практикалық қызығушылық тудыратын көптеген мәселелерді модельдей алатын болса да, олар айнымалылар арасындағы екілік өзара әрекеттесуді ғана көрсете алатындығымен шектеледі. Жоғары деңгейлі өзара әрекеттесуді алу мүмкіндігі мәселенің табиғатын жақсы алуға мүмкіндік береді және квадраттық модельдермен қол жеткізуге қиын болатын жоғары сапалы нәтижелер бере алады. Мысалы компьютерлік көру қосымшалар, мұндағы әрбір айнымалы а пиксел немесе воксел Кескіннің жоғары деңгейлі өзара әрекеттесуі тек квадраттық функцияларды қолдану арқылы түсіру қиын болатын текстуралық ақпаратты модельдеу үшін қолданыла алады.[15]

Полиномдық уақытта оңтайландыруға болатын жоғары ретті псевдо-буль функцияларын сипаттау үшін субмодулярлыққа ұқсас жеткілікті жағдайлар жасалды,[16] және ұқсас алгоритмдер бар - кеңейту және - жоғары деңгейлі функциялардың кейбір отбасыларын ауыстыру.[15] Мәселе жалпы жағдайда NP-қиын, сондықтан мұндай шарттарды қанағаттандырмайтын функцияларды жылдам оңтайландырудың жуық әдістері жасалды.[16][17]

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б c Пенг және басқалар. (2015).
  2. ^ Ротер және басқалар. (2012).
  3. ^ Ломбаерт және Чериет (2012).
  4. ^ Сонымен, т.б. (2011).
  5. ^ Тан және Чун (2007).
  6. ^ Ким және басқалар. (2003).
  7. ^ Хонг пен Чен (2004).
  8. ^ а б c г. e f Колмогоров пен Забин (2004).
  9. ^ Голдберг және Тарджан (1988).
  10. ^ Vineet and Narayanan (2008).
  11. ^ Стих (2009).
  12. ^ а б c Бойков және басқалар. (2001).
  13. ^ а б Колмогоров және Ротер (2007).
  14. ^ Ишикава (2014).
  15. ^ а б Колли және басқалар. (2009).
  16. ^ а б Freedman & Drineas (2005).
  17. ^ Колли және басқалар. (2008).

Ескертулер

  1. ^ Бір түйінді қосу қажет, қосалқы түйіндері жоқ графиктер айнымалылар арасындағы екілік өзара әрекеттесуді ғана көрсете алады.
  2. ^ Сияқты алгоритмдер имитациялық күйдіру температураны шексіздікке дейін жоспарлау үшін күшті теориялық конвергенция қасиеттері бар. Мұндай жоспарлауды іс жүзінде жүзеге асыру мүмкін емес.

Сыртқы сілтемелер