The ability to align points across two related yet incomparable point clouds (e.g. living in different spaces) plays an important role in machine learning. The Gromov-Wasserstein (GW) framework provides an increasingly popular answer to such problems, by seeking a low-distortion, geometry-preserving assignment between these points. As a non-convex, quadratic generalization of optimal transport (OT), GW is NP-hard. While practitioners often resort to solving GW approximately as a nested sequence of entropy-regularized OT problems, the cubic complexity (in the number $n$ of samples) of that approach is a roadblock. We show in this work how a recent variant of the OT problem that restricts the set of admissible couplings to those having a low-rank factorization is remarkably well suited to the resolution of GW: when applied to GW, we show that this approach is not only able to compute a stationary point of the GW problem in time $O(n^2)$, but also uniquely positioned to benefit from the knowledge that the initial cost matrices are low-rank, to yield a linear time $O(n)$ GW approximation. Our approach yields similar results, yet orders of magnitude faster computation than the SoTA entropic GW approaches, on both simulated and real data.


翻译:在两个相关但不可比的点云(例如,位于不同空间中的点云)之间对齐点的能力在机器学习中扮演着重要角色。Gromov-Wasserstein(GW)框架通过寻找点间低失真、保持几何结构的指派,为这类问题提供了日益流行的解决方案。作为最优传输(OT)的非凸、二次推广,GW是NP难的。尽管实践者常通过将GW近似求解为嵌套序列的熵正则化OT问题,但该方法的三次复杂度(关于样本数$n$)成为瓶颈。本文中我们证明,OT问题的一个最新变体——将容许耦合集限制为具有低秩分解的形式——异常适合用于求解GW:当应用于GW时,该方法不仅能在$O(n^2)$时间内计算GW问题的驻点,还能独特地利用初始代价矩阵为低秩的先验知识,从而得到线性时间$O(n)$的GW近似。我们的方法在模拟数据和真实数据上均能产生与最先进熵正则化GW方法相似的结果,但计算速度却快数个数量级。

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