The selection of penalty hyperparameters is a critical aspect in Nonnegative Matrix Factorization (NMF), since these values control the trade-off between reconstruction accuracy and adherence to desired constraints. In this work, we focus on an NMF problem involving the Itakura-Saito (IS) divergence, which is particularly effective for extracting low spectral density components from spectrograms of mixed signals, and benefits from the introduction of sparsity constraints. We propose a new algorithm called SHINBO, which introduces a bi-level optimization framework to automatically and adaptively tune the row-dependent penalty hyperparameters, enhancing the ability of IS-NMF to isolate sparse, periodic signals in noisy environments. Experimental results demonstrate that SHINBO achieves accurate spectral decompositions and demonstrates superior performance in both synthetic and real-world applications. In the latter case, SHINBO is particularly useful for noninvasive vibration-based fault detection in rolling bearings, where the desired signal components often reside in high-frequency subbands but are obscured by stronger, spectrally broader noise. By addressing the critical issue of hyperparameter selection, SHINBO improves the state-of-the-art in signal recovery for complex, noise-dominated environments.


翻译:惩罚超参数的选择是非负矩阵分解(NMF)中的一个关键环节,因为这些参数控制着重建精度与满足期望约束之间的权衡。本文聚焦于一个涉及Itakura-Saito(IS)散度的NMF问题,该散度对于从混合信号的谱图中提取低谱密度分量特别有效,并能从引入稀疏约束中获益。我们提出了一种名为SHINBO的新算法,该算法引入了一个双层优化框架,以自动且自适应地调整与行相关的惩罚超参数,从而增强了IS-NMF在噪声环境中分离稀疏周期性信号的能力。实验结果表明,SHINBO实现了精确的谱分解,并在合成数据与实际应用场景中均表现出优越的性能。在实际应用中,SHINBO对于滚动轴承中基于振动的非侵入式故障检测尤为有用,因为期望的信号分量通常位于高频子带中,但被更强、频谱更宽的噪声所掩盖。通过解决超参数选择这一关键问题,SHINBO提升了在复杂、噪声主导环境下的信号恢复技术水平。

0
下载
关闭预览

相关内容

在贝叶斯统计中,超参数是先验分布的参数; 该术语用于将它们与所分析的基础系统的模型参数区分开。
UnHiPPO:面向不确定性的状态空间模型初始化方法
专知会员服务
11+阅读 · 2025年6月6日
【NeurIPS2024】几何轨迹扩散模型
专知会员服务
24+阅读 · 2024年10月20日
NeurIPS 2021 | 寻找用于变分布泛化的隐式因果因子
专知会员服务
17+阅读 · 2021年12月7日
专知会员服务
23+阅读 · 2021年6月22日
AAAI 2022 | ProtGNN:自解释图神经网络
专知
10+阅读 · 2022年2月28日
【CVPR2021】跨模态检索的概率嵌入
专知
17+阅读 · 2021年3月2日
图节点嵌入(Node Embeddings)概述,9页pdf
专知
15+阅读 · 2020年8月22日
【NeurIPS2019】图变换网络:Graph Transformer Network
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
相关VIP内容
UnHiPPO:面向不确定性的状态空间模型初始化方法
专知会员服务
11+阅读 · 2025年6月6日
【NeurIPS2024】几何轨迹扩散模型
专知会员服务
24+阅读 · 2024年10月20日
NeurIPS 2021 | 寻找用于变分布泛化的隐式因果因子
专知会员服务
17+阅读 · 2021年12月7日
专知会员服务
23+阅读 · 2021年6月22日
相关资讯
AAAI 2022 | ProtGNN:自解释图神经网络
专知
10+阅读 · 2022年2月28日
【CVPR2021】跨模态检索的概率嵌入
专知
17+阅读 · 2021年3月2日
图节点嵌入(Node Embeddings)概述,9页pdf
专知
15+阅读 · 2020年8月22日
【NeurIPS2019】图变换网络:Graph Transformer Network
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员