Структурные методы анализа изображений и сигналов (курс лекций) / Задание 2
Материал из MachineLearning.
![]() | Статья в настоящий момент дорабатывается. Д.А. Кропотов 14:18, 30 октября 2009 (MSK) |
Содержание |
Задание 2. Скрытые марковские модели.
Начало: 31 октября 2009
Срок сдачи: 15 ноября 2009
Задание состоит из трех вариантов. Распределение вариантов задания по студентам см. здесь.
Вариант 1
Формулировка задания
Рассматривается классическая скрытая марковская модель первого порядка, в которой полное правдоподобие задается как:
Пусть скрытая компонента в произвольный момент времени может принимать значения из множества
. Априорное распределение на значение скрытой компоненты в первый момент времени задается вектором
, причем все
неотрицательны и в сумме дают единицу. Распределение
задается матрицей перехода
размера
, где в
-ой позиции стоит вероятность перехода из состояния i в состояние j. Все элементы этой матрицы неотрицательны и сумма элементов по каждой строке равна единице. Модель генерации данных задается нормальными распределениями со своими значениями вектора математического ожидания
и матрицы ковариации
для каждого состояния.
Таким образом, набор параметров модели определяется вектором
, матрицей
, значениями векторов математических ожиданий и матриц ковариаций для каждого состояния
.
Для выполнения задания необходимо реализовать:
- Алгоритм генерации выборки из вероятностной модели СММ
- EM-алгоритм обучения СММ при заданном числе состояний K.
- Алгоритм Витерби для сегментации сигнала при известных значениях параметров СММ, учитывающий заданное распределение на длительность нахождения в одном состоянии
Пояснения к варианту
При использовании стандартного алгоритма Витерби, описанного в лекциях легко показать, что априорное распределение на длительность нахождения в состоянии
является геометрическим, т.е. вероятность находиться в этом состоянии ровно
моментов времени равна
Необходимо обобщить алгоритм Витерби на случай, когда априорное распределение на длительность нахождения в состоянии имеет вид
Иными словами, в одном состоянии СММ не может находиться меньше моментов времни и больше
моментов времени. Частным случаем может быть
,
. В этом случае алгоритм сегментации должен давать результаты, аналогичные алгоритму Витерби.
Подсказки
Будут, когда сам разберусь как такую задачу решать
Среда реализации – MATLAB. Неэффективная реализация кода может негативно отразиться на оценке.
Спецификация реализуемых функций
Генерация выборки | |||||
---|---|---|---|---|---|
[X, T] = HMM_GENERATE(N, w, A, Mu, Sigmas) | |||||
ВХОД | |||||
| |||||
ВЫХОД | |||||
|
Обратите внимание: количество признаков и количество скрытых состояний определяются неявно по размеру соответствующих элементов.
Сегментация | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
T = HMM_TEST(X, w, A, Mu, Sigmas, a, b) | |||||||
ВХОД | |||||||
| |||||||
ВЫХОД | |||||||
|
Обучение | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[w, A, Mu, Sigmas, core] = HMM_EM_TRAIN(X, K) | |||||||||
[w, A, Mu, Sigmas, core] = HMM_EM_TRAIN(X, K, InputParameters) | |||||||||
ВХОД | |||||||||
| |||||||||
ВЫХОД | |||||||||
|
Оформление задания
Вариант 2
Формулировка задания
Рассматривается классическая скрытая марковская модель первого порядка, в которой полное правдоподобие задается как:
Пусть скрытая компонента в произвольный момент времени может принимать значения из множества
. Априорное распределение на значение скрытой компоненты в первый момент времени задается вектором
, причем все
неотрицательны и в сумме дают единицу. Распределение
задается матрицей перехода
размера
, где в
-ой позиции стоит вероятность перехода из состояния i в состояние j. Все элементы этой матрицы неотрицательны и сумма элементов по каждой строке равна единице. Модель генерации данных задается нормальными распределениями со своими значениями вектора математического ожидания
и матрицы ковариации
для каждого состояния.
Таким образом, набор параметров модели определяется вектором
, матрицей
, значениями векторов математических ожиданий и матриц ковариаций для каждого состояния
.
Для выполнения задания необходимо реализовать:
- Алгоритм генерации выборки из вероятностной модели СММ
- EM-алгоритм обучения СММ при заданном числе состояний K.
- Алгоритм Витерби для сегментации сигнала при известных значениях параметров СММ, работающий в реальном времени
Пояснения к варианту
При решении задачи сегментации с помощью алгоритма Витерби предполагаются, что наблюдаемые данные подаются последовательно. Необходимо модифицировать алгоритм ВИтерби, чтобы он был способен провеодить сегментацию сигнала по имеющимся данным. Здесь используется следующее предположение: поступающие в текущий момент данные не влияют на сегментацию отдаленных участков сигнала в прошлом. Иными словами, каковы бы не были наблюдения, например, начиная с момента времени и дальше, сегментация первых, скажем,
точек сигнала останется без изменений. Это позволяет нам провести окончательную сегментацию первых сорока точек сигнала, не дожидаясь получения всего объема данных, уже в сотый момент времени. По мере поступления новых данных граница окончательной сегментации (граница приятия решения) будет смещаться вправо.
Ваша задача для каждого момента времени определить на какой участок в прошлом новые наблюдения уже влияния не окажут и провести его сегментацию алгоритмом Витерби. При хорошо различимых состояниях задержка сегментации (разница между границей принятия решения и текущим моментом времени) будет незначительной.
Подсказки
Вариантом реализации такого алгоритма является прореживание таблицы функции , содержащей аргмаксы функции Беллмана. Кладем
, если
, т.е. если ни одна из оптимальных траекторий не проходит через
. В этом случае значения функции Беллмана и функции
для
интереса не представляют. В какой-то момент
окажется, что все
. Это и будет означать, что все оптимальные траектории проходят через состояние
в момент времени
. Но тогда мы можем провести сегментацию всего сигнала до момента
включительно и очистить память, удалив массивы со значениями функции Беллмана и функции
от начала до момента времени
- сегментация на этом участке уже не изменится.
--Vetrov 17:43, 30 октября 2009 (MSK)