Многослойная скрытая марковская модель - Layered hidden Markov model

В слоистый скрытая марковская модель (LHMM) это статистическая модель полученный из скрытой марковской модели (HMM). Слоистая скрытая марковская модель (LHMM) состоит из N уровни HMMs, где HMMs на уровне я +1 соответствует символам наблюдения или генераторам вероятностей на уровне я.Каждый уровень я LHMM состоит из K_я HMM работают параллельно.^[1]

Фон

LHMM иногда полезны в конкретных структурах, потому что они могут облегчить обучение и обобщение. Например, даже несмотря на то, что полностью подключенный HMM всегда можно было использовать, если было доступно достаточно обучающих данных, часто бывает полезно ограничить модель, не допуская произвольных переходов между состояниями. Таким же образом может быть полезно встраивать HMM в многоуровневую структуру, которая теоретически может не решить какие-либо проблемы, которые не может решить базовая HMM, но может решить некоторые проблемы более эффективно, поскольку требуется меньше данных для обучения.

Многослойная скрытая марковская модель

Слоистая скрытая марковская модель (LHMM) состоит из ${\displaystyle N}$ уровни HMM, где HMM на уровне ${\displaystyle N+1}$ соответствует символам наблюдения или генераторам вероятностей на уровне ${\displaystyle N}$.Каждый уровень ${\displaystyle i}$ LHMM состоит из ${\displaystyle K_{i}}$ HMM работают параллельно.

Многослойная скрытая марковская модель

На любом уровне ${\displaystyle L}$ в LHMM последовательность ${\displaystyle T_{L}}$ символы наблюдения ${\displaystyle \mathbf {o} _{L}=\{o_{1},o_{2},\dots ,o_{T_{L}}\}}$ может использоваться для классификации ввода в один из ${\displaystyle K_{L}}$ классы, где каждый класс соответствует каждому из ${\displaystyle K_{L}}$ HMMs на уровне ${\displaystyle L}$. Затем эту классификацию можно использовать для создания нового наблюдения для уровня ${\displaystyle L-1}$ HMMs. На самом нижнем уровне, т.е. на уровне ${\displaystyle N}$, примитивные символы наблюдения ${\displaystyle \mathbf {o} _{p}=\{o_{1},o_{2},\dots ,o_{T_{p}}\}}$ будет генерироваться непосредственно из наблюдений за смоделированным процессом. Например, в задаче отслеживания траектории символы примитивного наблюдения будут происходить из квантованных значений датчиков. Таким образом, на каждом слое в LHMM наблюдения происходят из классификации нижележащего слоя, за исключением самого нижнего слоя, где символы наблюдений происходят из измерений наблюдаемого процесса.

Нет необходимости запускать все уровни одновременно с детализацией. Например, можно использовать управление окнами на любом уровне структуры, чтобы классификация учитывала среднее значение нескольких классификаций перед передачей результатов на уровни LHMM.^[2]

Вместо того, чтобы просто использовать победившую HMM на уровне ${\displaystyle L+1}$ как входной символ для HMM на уровне ${\displaystyle L}$ можно использовать как генератор вероятностей передав полный распределение вероятностей вверх по слоям LHMM. Таким образом, вместо стратегии «победитель получает все», в которой наиболее вероятная HMM выбирается в качестве символа наблюдения, вероятность ${\displaystyle L(i)}$ соблюдения ${\displaystyle i}$th HMM можно использовать в формуле рекурсии уровня ${\displaystyle L}$ HMM для учета неопределенности в классификации HMM на уровне ${\displaystyle L+1}$. Таким образом, если классификация HMM на уровне ${\displaystyle n+1}$ является неопределенным, можно уделять больше внимания априорной информации, закодированной в HMM на уровне ${\displaystyle L}$.

На практике LHMM можно преобразовать в однослойный HMM, в котором все различные модели объединены вместе.^[3] Некоторые из преимуществ, которые можно ожидать от использования LHMM по сравнению с большим однослойным HMM, заключаются в том, что LHMM с меньшей вероятностью страдает от переоснащение поскольку отдельные подкомпоненты обучаются независимо на меньших объемах данных. Следствием этого является то, что LHMM требуется значительно меньший объем обучающих данных для достижения производительности, сопоставимой с HMM. Еще одно преимущество состоит в том, что слои в нижней части LHMM, которые более чувствительны к изменениям в окружающей среде, таким как тип датчиков, частота дискретизации и т. Д., Могут быть переобучены отдельно без изменения более высоких уровней LHMM.

Смотрите также

• Иерархическая скрытая марковская модель

Рекомендации

1. Н. Оливер, А. Гарг и Э. Хорвиц, "Многослойные представления для обучения и вывода офисной деятельности из нескольких сенсорных каналов", Компьютерное зрение и понимание изображений, том. 96, стр. 163–180, 2004.
2. Д. Аарно и Д. Крагич «Оценка многоуровневого HMM для распознавания намерений движения», Международная конференция IEEE по передовой робототехнике, 2007 г.
3. Д. Аарно и Д. Крагич: «Многослойная HMM для распознавания намерений движения», Международная конференция IEEE / RSJ по интеллектуальным роботам и системам, 2006 г.