京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
咱们顺着上一节的思路,参考统计学习方法一书上的内容,再来总结下kd树的最近邻搜索算法:
输入:以构造的kd树,目标点x;如果实例点是随机分布的,那么kd树搜索的平均计算复杂度是O(NlogN),这里的N是训练实例树。所以说,kd树更适用于训练实例数远大于空间维数时的k近邻搜索,当空间维数接近训练实例数时,它的效率会迅速下降,一降降到“解放前”:线性扫描的速度。
也正因为上述k最近邻搜索算法的第4个步骤中的所述:“回退到根结点时,搜索结束”,每个最近邻点的查询比较完成过程最终都要回退到根结点而结束,而导致了许多不必要回溯访问和比较到的结点,这些多余的损耗在高维度数据查找的时候,搜索效率将变得相当之地下,那有什么办法可以改进这个原始的kd树最近邻搜索算法呢?
从上述标准的kd树查询过程可以看出其搜索过程中的“回溯”是由“查询路径”决定的,并没有考虑查询路径上一些数据点本身的一些性质。一个简单的改进思路就是将“查询路径”上的结点进行排序,如按各自分割超平面(也称bin)与查询点的距离排序,也就是说,回溯检查总是从优先级最高(Best Bin)的树结点开始。
针对此BBF机制,读者Feng&书童点评道:
如此,就引出了本节要讨论的kd树最近邻搜索算法的改进:BBF(Best-Bin-First)查询算法,它是由发明sift算法的David Lowe在1997的一篇文章中针对高维数据提出的一种近似算法,此算法能确保优先检索包含最近邻点可能性较高的空间,此外,BBF机制还设置了一个运行超时限定。采用了BBF查询机制后,kd树便可以有效的扩展到高维数据集上。
伪代码如下图所示(图取自图像局部不变特性特征与描述一书):
还是以上面的查询(2,4.5)为例,搜索的算法流程为:

咱们来针对上文内容总结回顾下,针对下面这样一棵kd树:
现要找它的最近邻。
通过上文2.5节,总结来说,我们已经知道:
1、为了找到一个给定目标点的最近邻,需要从树的根结点开始向下沿树找出目标点所在的区域,如下图所示,给定目标点,用星号标示,我们似乎一眼看出,有一个点离目标点最近,因为它落在以目标点为圆心以较小长度为半径的虚线圆内,但为了确定是否可能还村庄一个最近的近邻,我们会先检查叶节点的同胞结点,然叶节点的同胞结点在图中所示的阴影部分,虚线圆并不与之相交,所以确定同胞叶结点不可能包含更近的近邻。
2、于是我们回溯到父节点,并检查父节点的同胞结点,父节点的同胞结点覆盖了图中所有横线X轴上的区域。因为虚线圆与右上方的矩形(KD树把二维平面划分成一个一个矩形)相交...
如上,我们看到,KD树是可用于有效寻找最近邻的一个树结构,但这个树结构其实并不完美,当处理不均匀分布的数据集时便会呈现出一个基本冲突:既邀请树有完美的平衡结构,又要求待查找的区域近似方形,但不管是近似方形,还是矩形,甚至正方形,都不是最好的使用形状,因为他们都有角。
什么意思呢?就是说,在上图中,如果黑色的实例点离目标点星点再远一点,那么势必那个虚线圆会如红线所示那样扩大,以致与左上方矩形的右下角相交,既然相交了,那么势必又必须检查这个左上方矩形,而实际上,最近的点离星点的距离很近,检查左上方矩形区域已是多余。于此我们看见,KD树把二维平面划分成一个一个矩形,但矩形区域的角却是个难以处理的问题。
解决的方案就是使用如下图所示的球树:
先从球中选择一个离球的中心最远的点,然后选择第二个点离第一个点最远,将球中所有的点分配到离这两个聚类中心最近的一个上,然后计算每个聚类的中心,以及聚类能够包含它所有数据点所需的最小半径。这种方法的优点是分裂一个包含n个殊绝点的球的成本只是随n呈线性增加。
使用球树找出给定目标点的最近邻方法是,首先自上而下贯穿整棵树找出包含目标点所在的叶子,并在这个球里找出与目标点最靠近的点,这将确定出目标点距离它的最近邻点的一个上限值,然后跟KD树查找一样,检查同胞结点,如果目标点到同胞结点中心的距离超过同胞结点的半径与当前的上限值之和,那么同胞结点里不可能存在一个更近的点;否则的话,必须进一步检查位于同胞结点以下的子树。
如下图,目标点还是用一个星表示,黑色点是当前已知的的目标点的最近邻,灰色球里的所有内容将被排除,因为灰色球的中心点离的太远,所以它不可能包含一个更近的点,像这样,递归的向树的根结点进行回溯处理,检查所有可能包含一个更近于当前上限值的点的球。
球树是自上而下的建立,和KD树一样,根本问题就是要找到一个好的方法将包含数据点集的球分裂成两个,在实践中,不必等到叶子结点只有两个胡数据点时才停止,可以采用和KD树一样的方法,一旦结点上的数据点打到预先设置的最小数量时,便可提前停止建树过程。
也就是上面所述,先从球中选择一个离球的中心最远的点,然后选择第二个点离第一个点最远,将球中所有的点分配到离这两个聚类中心最近的一个上,然后计算每个聚类的中心,以及聚类能够包含它所有数据点所需的最小半径。这种方法的优点是分裂一个包含n个殊绝点的球的成本只是随n呈线性增加(注:本小节内容主要来自参考条目19:数据挖掘实用机器学习技术,[新西兰]Ian H.Witten 著,第4章4.7节)。
高维特征向量的距离索引问题是基于内容的图像检索的一项关键技术,目前经常采用的解决办法是首先对高维特征空间做降维处理,然后采用包括四叉树、kd树、R树族等在内的主流多维索引结构,这种方法的出发点是:目前的主流多维索引结构在处理维数较低的情况时具有比较好的效率,但对于维数很高的情况则显得力不从心(即所谓的维数危机) 。
实验结果表明当特征空间的维数超过20 的时候,效率明显降低,而可视化特征往往采用高维向量描述,一般情况下可以达到10^2的量级,甚至更高。在表示图像可视化特征的高维向量中各维信息的重要程度是不同的,通过降维技术去除属于次要信息的特征向量以及相关性较强的特征向量,从而降低特征空间的维数,这种方法已经得到了一些实际应用。
然而这种方法存在不足之处采用降维技术可能会导致有效信息的损失,尤其不适合于处理特征空间中的特征向量相关性很小的情况。另外主流的多维索引结构大都针对欧氏空间,设计需要利用到欧氏空间的几何性质,而图像的相似性计算很可能不限于基于欧氏距离。这种情况下人们越来越关注基于距离的度量空间高维索引结构可以直接应用于高维向量相似性查询问题。
度量空间中对象之间的距离度量只能利用三角不等式性质,而不能利用其他几何性质。向量空间可以看作由实数坐标串组成的特殊度量空间,目前针对度量空间的高维索引问题提出的索引结构有很多种大致可以作如下分类,如下图所示:
读者点评:
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在大数据技术飞速迭代、数字营销竞争日趋激烈的今天,“精准触达、高效转化、成本可控”已成为企业营销的核心诉求。传统广告投放 ...
2026-04-24在游戏行业竞争白热化的当下,用户流失已成为制约游戏生命周期、影响营收增长的核心痛点。据行业报告显示,2024年移动游戏平均次 ...
2026-04-24 很多业务负责人开会常说“我们要数据驱动”,最后却变成“看哪张报表数据多就用哪个”,往往因为缺乏一套结构性的方法去搭建 ...
2026-04-24在Power BI数据可视化分析中,切片器是连接用户与数据的核心交互工具,其核心价值在于帮助使用者快速筛选目标数据、聚焦分析重点 ...
2026-04-23以数为据,以析促优——数据分析结果指导临床技术改进的实践路径 临床技术是医疗服务的核心载体,其水平直接决定患者诊疗效果、 ...
2026-04-23很多数据分析师每天盯着GMV、DAU、转化率,但当被问到“哪些指标是所有企业都需要的”“哪些指标是因行业而异的”“北极星指标和 ...
2026-04-23近日,由 CDA 数据科学研究院重磅发布的《2026 全球数智化人才指数报告》,被中国教育科学研究院官方账号正式收录, ...
2026-04-22在数字化时代,客户每一次点击、浏览、下单、咨询等行为,都在传递其潜在需求与决策倾向——这些按时间顺序串联的行为轨迹,构成 ...
2026-04-22数据是数据分析、建模与业务决策的核心基石,而“数据清洗”作为数据预处理的核心环节,是打通数据从“原始杂乱”到“干净可用” ...
2026-04-22 很多数据分析师每天盯着GMV、转化率、DAU等数字看,但当被问到“什么是指标”“指标和维度有什么区别”“如何搭建一套完整的 ...
2026-04-22在数据分析与业务决策中,数据并非静止不变的数值,而是始终处于动态波动之中——股市收盘价的每日涨跌、企业月度销售额的起伏、 ...
2026-04-21在数据分析领域,当研究涉及多个自变量与多个因变量之间的复杂关联时,多变量一般线性分析(Multivariate General Linear Analys ...
2026-04-21很多数据分析师精通描述性统计,能熟练计算均值、中位数、标准差,但当被问到“用500个样本如何推断10万用户的真实满意度”“这 ...
2026-04-21在数据处理与分析的全流程中,日期数据是贯穿业务场景的核心维度之一——无论是业务报表统计、用户行为追踪,还是风控规则落地、 ...
2026-04-20在机器学习建模全流程中,特征工程是连接原始数据与模型效果的关键环节,而特征重要性分析则是特征工程的“灵魂”——它不仅能帮 ...
2026-04-20很多数据分析师沉迷于复杂的机器学习算法,却忽略了数据分析最基础也最核心的能力——描述性统计。事实上,80%的商业分析问题, ...
2026-04-20在数字化时代,数据已成为企业决策的核心驱动力,数据分析与数据挖掘作为解锁数据价值的关键手段,广泛应用于互联网、金融、医疗 ...
2026-04-17在数据处理、后端开发、报表生成与自动化脚本中,将 SQL 查询结果转换为字符串是一项高频且实用的操作。无论是拼接多行数据为逗 ...
2026-04-17面对一份上万行的销售明细表,要快速回答“哪个地区卖得最好”“哪款产品增长最快”“不同客户类型的购买力如何”——这些看似复 ...
2026-04-17数据分析师一天的工作,80% 的时间围绕表格结构数据展开。从一张销售明细表到一份完整的分析报告,表格结构数据贯穿始终。但你真 ...
2026-04-16