We propose a fast, distance-preserving, binary embedding algorithm to transform a high-dimensional dataset $\mathcal{T}\subseteq\mathbb{R}^n$ into binary sequences in the cube $\{\pm 1\}^m$. When $\mathcal{T}$ consists of well-spread (i.e., non-sparse) vectors, our embedding method applies a stable noise-shaping quantization scheme to $A x$ where $A\in\mathbb{R}^{m\times n}$ is a sparse Gaussian random matrix. This contrasts with most binary embedding methods, which usually use $x\mapsto \mathrm{sign}(Ax)$ for the embedding. Moreover, we show that Euclidean distances among the elements of $\mathcal{T}$ are approximated by the $\ell_1$ norm on the images of $\{\pm 1\}^m$ under a fast linear transformation. This again contrasts with standard methods, where the Hamming distance is used instead. Our method is both fast and memory efficient, with time complexity $O(m)$ and space complexity $O(m)$. Further, we prove that the method is accurate and its associated error is comparable to that of a continuous valued Johnson-Lindenstrauss embedding plus a quantization error that admits a polynomial decay as the embedding dimension $m$ increases. Thus the length of the binary codes required to achieve a desired accuracy is quite small, and we show it can even be compressed further without compromising the accuracy. To illustrate our results, we test the proposed method on natural images and show that it achieves strong performance.


翻译:我们提出一个快速、远程保存、二进制嵌入算法,将高维数据集$mathcal{T ⁇ subseteq\mathb{R ⁇ n$在立方体中转换成二进制序列$\\ pm1\\\m美元。当$\mathcal{T}}美元包含宽度(即非扭曲)矢量,我们的嵌入方法将一个稳定的振动振动四分化方案应用到$Ax$x$,其中美元A\in\mathb{R ⁇ m\timems n$是一个稀薄的高斯随机矩阵。这与大多数二进制嵌入方法形成对比,后者通常使用$x\mapsto\ mathrm{sign}(Ax) 来嵌入。此外,当$mexclidean 距离(即显示 $mathmathcal commexcial) 和$xmexmexmal 方法被使用时,我们使用的是更精确的方法。

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