任高舉，白亞男（平頂山學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，河南 平頂山　467000）

多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)挖掘方法研究

任高舉，白亞男
（平頂山學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，河南 平頂山467000）

對(duì)多媒體教學(xué)系統(tǒng)中特定關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確挖掘，可以提高多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)的信息兼容和數(shù)據(jù)訪問(wèn)能力。傳統(tǒng)方法采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)特征分解方法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，當(dāng)多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)規(guī)模的擴(kuò)大、信息融合度的提高時(shí)，數(shù)據(jù)挖掘的準(zhǔn)確度下降。提出一種基于尺度仿射變換和特定數(shù)據(jù)信息流相空間重構(gòu)的數(shù)據(jù)挖掘算法，首先建立多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)模型，采用尺度仿射變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合處理，對(duì)融合后的數(shù)據(jù)信息流進(jìn)行相空間重構(gòu)，在重構(gòu)的高維相空間中提取多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的高階矩特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)特征數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確挖掘。仿真結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘的準(zhǔn)確識(shí)別概率較高，抗干擾性能較強(qiáng)。

多媒體；教學(xué)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)挖掘；相空間重構(gòu)

數(shù)據(jù)挖掘包括數(shù)據(jù)特征提取和數(shù)據(jù)采集，是通過(guò)數(shù)據(jù)特征提取方法對(duì)用戶所需信息進(jìn)行檢索識(shí)別，達(dá)到數(shù)據(jù)高效利用的目的。多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)包含課程的分類信息、多媒體圖像信息、教學(xué)內(nèi)容信息等，對(duì)多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)中的特定數(shù)據(jù)和關(guān)鍵信息進(jìn)行準(zhǔn)確挖掘，可以提高教學(xué)系統(tǒng)的使用效率和數(shù)據(jù)調(diào)度訪問(wèn)能力，具有重要意義，受到相關(guān)專家學(xué)者的普遍重視。

傳統(tǒng)算法對(duì)多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的特征提取和挖掘主要采用基于時(shí)頻分析的數(shù)據(jù)挖掘算法、基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的多媒體智能教學(xué)信息數(shù)據(jù)挖掘算法、基于譜特征提取的多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)特定數(shù)據(jù)挖掘算法等［1-3］，這些方法通過(guò)建立多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的特征提取模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行時(shí)頻特征、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)特征和高階譜等特征信息的提取和抗干擾分析。但傳統(tǒng)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘時(shí)，將數(shù)據(jù)信息流看作一組嚴(yán)平穩(wěn)的線性時(shí)間序列，忽視了數(shù)據(jù)信息流中的非線性特征，導(dǎo)致數(shù)據(jù)挖掘中受到的干擾較大，降低了挖掘的準(zhǔn)確性［4-5］。因此，相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了算法的改進(jìn)，其中，文獻(xiàn)［6］提出一種基于多傳感組網(wǎng)時(shí)頻特征盲分離和高斯級(jí)聯(lián)濾波的多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)挖掘和特征提取算法，通過(guò)提取多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)時(shí)頻特征，通過(guò)子空間降維實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)化訪問(wèn)，但該算法計(jì)算開(kāi)銷較大，收斂性差；文獻(xiàn)［7］提出一種基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換和高階累積量后置聚焦的多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)挖掘算法，采用雙門限能量挖掘進(jìn)行多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的波束特征提取，提高數(shù)據(jù)挖掘的指向性，但該方法挖掘精度較差；文獻(xiàn)［8］采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)特征分解方法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，但當(dāng)多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)規(guī)模的擴(kuò)大、信息融合度的提高時(shí)，數(shù)據(jù)挖掘的準(zhǔn)確度下降［9-10］。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于尺度仿射變換和特定數(shù)據(jù)信息流相空間重構(gòu)的數(shù)據(jù)挖掘算法，并通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測(cè)試。

1　多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)模型建立與信息融合處理

1.1多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)模型建立

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的挖掘，首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析和數(shù)據(jù)融合預(yù)處理。本文研究對(duì)象為跨平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的多媒體遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，以該系統(tǒng)用戶在所有終端和位置的服務(wù)器的高速運(yùn)算和數(shù)據(jù)管理結(jié)果為依據(jù)，對(duì)模型內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，假設(shè)代表模型中多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)感知層中任一節(jié)點(diǎn)，即v∈V，e代表多媒體教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用業(yè)務(wù)層的任一連邊，e∈E，多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)源就是采用連邊-節(jié)點(diǎn)的形式分布在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理陣元中，其中數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)幀分為N×N單位線列陣，信道帶寬為Ts=KbTf。假設(shè)VMj代表嵌入式多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中信息流矢量長(zhǎng)度，E｛［X-E（X）］［YE（Y）］｝為模糊分類隨機(jī)變量X與Y的協(xié)方差，記為Cov（X，Y），對(duì)多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型屬性權(quán)重進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)，在多層矢量自回歸特征空間中構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)中的特定數(shù)據(jù)分布的矢量場(chǎng)X，在多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中，局部離群點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生交叉型數(shù)據(jù)集，通過(guò)公式（1）建立特定數(shù)據(jù)挖掘中的局部離群點(diǎn)信息流模型：

其中，wu，v表示多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)u 和v之間的權(quán)值，|S|指無(wú)向圖 S中的數(shù)據(jù)特征交叉性結(jié)點(diǎn)數(shù)。本文利用上述離群點(diǎn)信息流模型，構(gòu)建一組有交集的稠密子圖，用來(lái)反映多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中的交叉型數(shù)據(jù)集特征，并提取多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定大數(shù)據(jù)信息流的時(shí)間序列｛x（t0+iΔt）｝，i=0，1，L，N-1，假設(shè)A=｛a1，a2，…，an｝代表多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)特定數(shù)據(jù)特征矢量的模糊聚類中心，利用模糊聚類中心對(duì)特定數(shù)據(jù)的差異屬性進(jìn)行分類，建立跨平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐層下的多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)的無(wú)向圖模型G=（V，E），即多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)圖模型，如圖1所示。

1.2數(shù)據(jù)的信息融合處理

在上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，文中采用尺度仿射變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合處理，具體步驟如下：

采用連續(xù)小波變換對(duì)上述模型中分布的特定數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)特征分解，得到一組表征多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)內(nèi)部細(xì)節(jié)特征的時(shí)間尺度a和時(shí)間平移b的二維函數(shù)，利用公式（2）在二維投影面上對(duì)多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)進(jìn)行概率特征分解：

圖1　多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)圖模型

假設(shè)，rk（v+1）為采集的多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)非線性時(shí)間序列，parity（qp（z））代表數(shù)據(jù)采樣的母小波，當(dāng)采集的多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)x（k）=s（k）+w（k）為準(zhǔn)平穩(wěn)隨機(jī)信息流時(shí)，利用公式（3）獲取特征數(shù)據(jù)在教學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)分布的邊緣子帶層位信息：

利用公式（4）計(jì)算隨機(jī)選擇k個(gè)均勻分布在邊緣子帶層位的多媒體特定數(shù)據(jù)分布概率：

根據(jù)多媒體特定數(shù)據(jù)分布概率，對(duì)分布概率較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行尺度仿射變換，建立有限的信噪比下數(shù)據(jù)挖掘的信息融合模型：

其中，U（a，b）是多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的時(shí)域部分的分?jǐn)?shù)階Fourier變換，因子保證了該分?jǐn)?shù)階Fourier變換的能量歸一化，通過(guò)上述處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的信息融合。

2　特定數(shù)據(jù)挖掘算法改進(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在上述分析了多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)模型，采用尺度仿射變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘算法改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)多媒體教學(xué)系統(tǒng)中的特定關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的信息特征提取和挖掘，提高多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)的信息兼容和數(shù)據(jù)訪問(wèn)能力。文中提出一種基于尺度仿射變換和特定數(shù)據(jù)信息流相空間重構(gòu)的數(shù)據(jù)挖掘算法，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

假設(shè)多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中的特定數(shù)據(jù)融合最優(yōu)權(quán)系數(shù)β、懲罰因子C，利用公式（6）構(gòu)建特定數(shù)據(jù)前饋增益調(diào)節(jié)均方差函數(shù)：

多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理通多分布式數(shù)據(jù)庫(kù)模型而實(shí)現(xiàn)，在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)集成了大量的云數(shù)據(jù)，需要利用前饋增益調(diào)節(jié)均方差函數(shù)對(duì)多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中的云數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)信息挖掘的準(zhǔn)確性和效率，并利用公式（7）的相空間重構(gòu)方法進(jìn)行特定數(shù)據(jù)流信息高頻成分的衰減特性分解：

在完成高頻成分的衰減特性分解后，利用多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的多維相空間的指向性波束特征，利用公式（8）獲取多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)幅頻響應(yīng)特征的非均勻采樣輸出：

其中，τ為特定數(shù)據(jù)信息流的相空間重構(gòu)采樣時(shí)延，ck為相空間重構(gòu)的嵌入維數(shù)，φ為采樣間隔的相位差，bk為空間指向性增益調(diào)節(jié)系數(shù)。在非均勻采樣輸出結(jié)果中，假設(shè)y（k）為多維參量混合估計(jì)后得到的多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的近似統(tǒng)計(jì)平均，根據(jù)高斯隨機(jī)線性分離特定數(shù)據(jù)的不變特性，在高維相空間中對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行特定數(shù)據(jù)不變特征挖掘，提高信號(hào)的頻域聚焦能力，利用公式（9）獲取多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的時(shí)移不變特性和頻移不變性特征：

其中，x（t）為原始數(shù)據(jù)的奇異值分解結(jié)果，t0為初始采樣時(shí)間點(diǎn)，Wy（t，v）為觀測(cè)向量，v0為特定數(shù)據(jù)的功率譜密度，v為教學(xué)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)受到干擾的強(qiáng)度，通過(guò)上述分析，利用公式（10）在時(shí)間尺度上對(duì)特定數(shù)據(jù)的時(shí)移不變特性和頻移不變性特征進(jìn)行迭代求解：

奇異值進(jìn)行分解后，可以利用公式（12）對(duì)重構(gòu)的高維相空間中提取多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的高階矩特征：

其中，多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的高階矩特征可以很大程度的反映特定數(shù)據(jù)特征，通過(guò)對(duì)高階矩特征的定位，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)挖掘。

3　仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)分析

為了測(cè)試本文算法在實(shí)現(xiàn)多源多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的特征提取和挖掘中的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)的硬件環(huán)境采用個(gè)人PC機(jī)，配置參數(shù)為：CPU 3.0G，12G內(nèi)存，操作系統(tǒng)為Windows 7。采用Matlab 7數(shù)學(xué)仿真語(yǔ)言進(jìn)行算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)樣本測(cè)試集采集于某大型遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)系統(tǒng)。多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)的樣本數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中，測(cè)試樣本集合的平均采樣率為fs=10*f0Hz=10 kHz，多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的訓(xùn)練樣本長(zhǎng)度為1 024，對(duì)多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)次數(shù)為189 283次，自適應(yīng)迭代步長(zhǎng)參數(shù)u=0.000 2，教學(xué)系統(tǒng)中其他數(shù)據(jù)的干擾為n（k）＝nr（k）＋jni（k），全局迭代次數(shù)為500次，干擾數(shù)據(jù)信息的離散樣本數(shù)為990，通過(guò)上述數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行多媒體教學(xué)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息模型構(gòu)建，得到多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)采樣的帶寬B=1 000 Hz，相空間重構(gòu)的嵌入維數(shù)m為30，時(shí)延為12，根據(jù)上述仿真環(huán)境，得到多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)訓(xùn)練樣本采集的頻域圖如圖2所示。

圖2　多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)訓(xùn)練樣本采集的頻域圖

采用尺度仿射變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合處理，對(duì)融合后的數(shù)據(jù)信息流進(jìn)行相空間重構(gòu)，得到相空間重構(gòu)后的數(shù)據(jù)分布時(shí)頻圖如圖3所示。

圖3　融合后的數(shù)據(jù)信息流相空間重構(gòu)結(jié)果

通過(guò)上述仿真結(jié)果可見(jiàn)，數(shù)據(jù)融合后的數(shù)據(jù)信息流相空間頻譜特征指向性明顯，旁瓣抑制性能較高，通過(guò)相空間重構(gòu)，提高了特定數(shù)據(jù)在高維空間中的頻譜分解和抗干擾能力，在重構(gòu)的高維相空間中提取多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的高階矩特征，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘。為了對(duì)比算法性能，采用本文方法和傳統(tǒng)方法，以數(shù)據(jù)挖掘的準(zhǔn)確度為測(cè)試指標(biāo)，得到仿真對(duì)比結(jié)果如圖4所示，從圖可見(jiàn)，采用本文算法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘的準(zhǔn)確識(shí)別率較傳統(tǒng)方法高很多，展示了較好的性能。

圖4　數(shù)據(jù)挖掘準(zhǔn)確識(shí)別率

4　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)中的特定數(shù)據(jù)和關(guān)鍵信息進(jìn)行準(zhǔn)確挖掘，提高教學(xué)系統(tǒng)的使用效率和數(shù)據(jù)調(diào)度訪問(wèn)能力。文中提出一種基于尺度仿射變換和特定數(shù)據(jù)信息流相空間重構(gòu)的數(shù)據(jù)挖掘算法，對(duì)融合后的數(shù)據(jù)信息流進(jìn)行相空間重構(gòu)，在重構(gòu)的高維相空間中提取多媒體智能教學(xué)系統(tǒng)中特定數(shù)據(jù)的高階矩特征，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，采用該算法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘的準(zhǔn)確性好，收斂度較高，展示了較好的應(yīng)用價(jià)值。

第三，通過(guò)完善“互聯(lián)網(wǎng)+”的建設(shè)，使基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)具有整合性的特質(zhì)，從而保證數(shù)據(jù)的方向型傳輸。進(jìn)而使數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)的運(yùn)用、數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存能在校園數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行整合、分析和處理。特別是需要根據(jù)“互聯(lián)網(wǎng)+”的功能分層做出相應(yīng)調(diào)研，使教學(xué)、管理和信息的傳遞功能不會(huì)因數(shù)據(jù)的混亂而造成整合發(fā)生偏差。

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Research on specific data mining methods in multimedia intelligent tutoring system

REN Gao-ju，BAI Ya-nan
（Computer College，Pingdingshan University，Pingdingshan 467000，China）

The multimedia teaching system in particular key data are accurate，could improve the compatibility and multimedia intelligent teaching system of information data access capabilities.The traditional method using empirical mode decomposition method for data mining，when the scale enlargement of multimedia data intelligent teaching system，the improvement of information alignment，the accuracy of data mining.In this paper，a criterion based on affine transformation and specific data stream data mining algorithm of phase space reconstruction，multimedia intelligent teaching system established by the structure model of the distribution of data of the data by dimensional affine transform information fusion processing，phase space reconstruction was carried out on the merged data traffic，in higher dimensional phase space reconstruction to extract the smart multimedia teaching systems of higher order moments of the specific data in feature，realize the characteristic data of accurate mining.The simulation results show that by using this method to the accuracy of the data mining to identify probability is higher，anti-interference performance is stronger.

multimedia；teaching system；data mining；phase space reconstruction

TP391

A

1674－6236（2016）11-0004-04

2016-03-18稿件編號(hào)：201603240

國(guó)家“863”計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（20167AA01Z146）；2014年度河南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（142102210226）

任高舉（1979—），男，河南葉縣人，碩士研究生，助教。研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、人工智能。