Vector Quantization (VQ) is a classic optimization problem and a simple approach to pattern recognition. Applications include lossy data compression, clustering and speech and speaker recognition. Although VQ has largely been replaced by time-aware techniques like Hidden Markov Models (HMMs) and Dynamic Time Warping (DTW) in some applications, such as speech and speaker recognition, VQ still retains some significance due to its much lower computational cost — especially for embedded systems. A recent study also demonstrates a multi-section VQ system which achieves performance rivaling that of DTW in an application to handwritten signature recognition, at a much lower computational cost. Adding sensitivity to temporal patterns to a VQ algorithm could help improve such results further. SOTPAR2 is such an extension of Neural Gas, an Artificial Neural Network algorithm for VQ. SOTPAR2 uses a conceptually simple approach, based on adding lateral connections between network nodes and creating “temporal activity” that diffuses through adjacent nodes. The activity in turn makes the nearest-neighbor classifier biased toward network nodes with high activity, and the SOTPAR2 authors report improvements over Neural Gas in an application to time series prediction. This report presents an investigation of how this same extension affects quantization and prediction performance of the self-organizing incremental neural network (SOINN) algorithm. SOINN is a VQ algorithm which automatically chooses a suitable codebook size and can also be used for clustering with arbitrary cluster shapes. This extension is found to not improve the performance of SOINN, in fact it makes performance worse in all experiments attempted. A discussion of this result is provided, along with a discussion of the impact of the algorithm parameters, and possible future work to improve the results is suggested. / Vektorkvantisering (VQ; eng: Vector Quantization) är ett klassiskt problem och en enkel metod för mönsterigenkänning. Bland tillämpningar finns förstörande datakompression, klustring och igenkänning av tal och talare. Även om VQ i stort har ersatts av tidsmedvetna tekniker såsom dolda Markovmodeller (HMM, eng: Hidden Markov Models) och dynamisk tidskrökning (DTW, eng: Dynamic Time Warping) i vissa tillämpningar, som tal- och talarigenkänning, har VQ ännu viss relevans tack vare sin mycket lägre beräkningsmässiga kostnad — särskilt för exempelvis inbyggda system. En ny studie demonstrerar också ett VQ-system med flera sektioner som åstadkommer prestanda i klass med DTW i en tillämpning på igenkänning av handskrivna signaturer, men till en mycket lägre beräkningsmässig kostnad. Att dra nytta av temporala mönster i en VQ-algoritm skulle kunna hjälpa till att förbättra sådana resultat ytterligare. SOTPAR2 är en sådan utökning av Neural Gas, en artificiell neural nätverk-algorithm för VQ. SOTPAR2 använder en konceptuellt enkel idé, baserad på att lägga till sidleds anslutningar mellan nätverksnoder och skapa “temporal aktivitet” som diffunderar genom anslutna noder. Aktiviteten gör sedan så att närmaste-granne-klassificeraren föredrar noder med hög aktivitet, och författarna till SOTPAR2 rapporterar förbättrade resultat jämfört med Neural Gas i en tillämpning på förutsägning av en tidsserie. I denna rapport undersöks hur samma utökning påverkar kvantiserings- och förutsägningsprestanda hos algoritmen självorganiserande inkrementellt neuralt nätverk (SOINN, eng: self-organizing incremental neural network). SOINN är en VQ-algorithm som automatiskt väljer en lämplig kodboksstorlek och också kan användas för klustring med godtyckliga klusterformer. Experimentella resultat visar att denna utökning inte förbättrar prestandan hos SOINN, istället försämrades prestandan i alla experiment som genomfördes. Detta resultat diskuteras, liksom inverkan av parametervärden på prestandan, och möjligt framtida arbete för att förbättra resultaten föreslås.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-180346 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Lundberg, Emil |
| Publisher | KTH, Skolan för datavetenskap och kommunikation (CSC) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.1513 seconds