HMM(隐马尔可夫模型)及其应用

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luckcarrier
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘要
  隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model,HMM)作为一种统计分析模型,创立于20世纪70年代。80年代得到了传播和发展,成为信号处理的一个重要方向,现已成功地用于语音识别,行为识别,文字识别以及故障诊断等领域。
  本文先是简要介绍了HMM的由来和概念,之后重点介绍了3个隐马尔科夫模型的核心问题。
  
  关键词:HMM,三个核心问题
  
  HMM的由来
  1870年,俄国有机化学家Vladimir V. Markovnikov第一次提出马尔可夫模型。马尔可夫在分析俄国文学家普希金的名著《叶夫盖尼•奥涅金》的文字的过程中,提出了后来被称为马尔可夫框架的思想。而Baum及其同事则提出了隐马尔可夫模型,这一思想后来在语音识别领域得到了异常成功的应用。同时,隐马尔可夫模型在“统计语言学习”以及“序列符号识别”(比如DNA序列)等領域也得到了应用。人们还把隐马尔可夫模型扩展到二维领域,用于光学字符识别。而其中的解码算法则是由Viterbi和他的同事们发展起来的。
  马尔可夫性和马尔可夫链
  1. 马尔可夫性
  如果一个过程的“将来”仅依赖“现在”而不依赖“过去”,则此过程具有马尔可夫性,或称此过程为马尔可夫过程。马尔可夫性可用如下式子形象地表示:
  X(t+1)=f(X(t))
  2. 马尔可夫链
  时间和状态都离散的马尔可夫过程称为马尔可夫链。
  记作{Xn=X(n), n=0,1,2,…}
  这是在时间集T1={0,1,2,…}上对离散状态的过程相继观察的结果。
  链的状态空间记作I={a1, a2,...}, ai ∈R.
  条件概率Pij(m, m+n)=P{ Xm+n = aj | Xm = aj }为马氏链在时刻m处于状态ai条件下,在时刻m+n转移到状态aj的转移概率。
  3. 转移概率矩阵
  如下图所示,这是一个转移概率矩阵的例子。
  
  
  由于链在时刻m从任何一个状态ai出发,到另一时刻m+n,必然转移到a1,a2…,诸状态中的某一个,所以有
  
  
  
  当 与m无关时,称马尔可夫链为齐次马尔可夫链,通常说的马尔可夫链都是指齐次马尔可夫链。
  
  
  
  对实例的描述:
  设有N个缸,每个缸中装有很多彩球,球的颜色由一组概率分布描述。实验进行方式如下:
  —根据初始概率分布,随机选择N个缸中的一个开始实验;
  —根据缸中球颜色的概率分布,随机选择一个球,记球的颜色为O1,并把球放回缸中;
  —根据描述缸的转移的概率分布,随机选择下一口缸,重复以上步骤。
  最后得到一个描述球的颜色的序列O1, O2,…,称为观察值序列O。
  在上述实验中,有几个要点需要注意:
   不能被直接观察缸间的转移;
   从缸中所选取的球的颜色和缸并不是一一对应的;
   每次选取哪个缸由一组转移概率决定。
  2. HMM概念
  HMM的状态是不确定或不可见的,只有通过观测序列的随机过程才能表现出来。
  观察到的事件与状态并不是一一对应,而是通过一组概率分布相联系。
  HMM是一个双重随机过程,两个组成部分:
  —马尔可夫链:描述状态的转移,用转移概率描述。
  —一般随机过程:描述状态与观察序列间的关系,用观察值概率描述。
  3. HMM组成
  通过上述例子可以看出,一个HMM由如下几个部分组成:
  (1) 模型中状态的数目N(上例中缸的数目);
  (2) 从每个状态可能输出的不同符号的数目M(上例中球的不同颜色的数目);
  (3) 状态转移概率矩阵A={aij}(aij为实验员从一个缸(状态si)转向另一个缸(sj)取球的概率);
  (4) 从状态sj观察到符号vk的概率分布矩阵B={bj(k)}(bj(k)为实验员从第j个缸中取出第k种颜色的球的概率);
  (5) 初始状态概率分布π={πi}。
  
  
  4. HMM的基本要素
  用模型五元组 =( N, M,π,A,B)用来描述HMM,或简写为 =(π,A,B)。
  具体说明见下表所示:
  
  
  
  
  定义了这些符号和术语之后,使得我们可以关注下列3个隐马尔可夫模型的核心问题:
  (1) 估值问题:假设我们有一个HMM,其转移概率aij和bij均已知。计算这个模型产生某一个特定观测序列VT的概率。
  (2) 解码问题:假设我们已经有了一个HMM和它所产生的一个观测序列,决定最有可能产生这个可见观测序列的隐状态序列 。
  (3) 学习问题:假设我们只知道一个HMM的大致的结构(比如隐状态数量和可见状态数量),但aij和bjk军位置。如何从一组可见符号的训练序列中,决定这些参数。
  HMM的3个基本问题
  针对以上三个问题,人们提出了相应的算法。
  评估问题:向前向后算法。
  解码问题:Viterbi算法。
  学习问题:Baum-Welch算法。
  1. Viterbi算法
  维特比算法用来求解第二个问题。对“最优状态序列”的理解为:在给定模型μ和观察序列O的条件下,使条件概率P(Q|O, μ)最大的状态序列,即
  
  采用动态规划算法。复杂度O(K2L)。K和L分别为状态个数和序列长度。
  
  
  
  2. 前向—后向算法
  用来解决第一种问题。实际上我们可以采用前向算法和后向算法相结合的方法来计算观察序列的概率。
  前向算法:动态规划,复杂度同Viterbi。
  
  
  
  HMM的应用
  应用于语音识别,机器视觉(人脸检测,机器人足球),图像处理(图像去噪,图像识别),生物医学分析(DNA/蛋白质序列分析)等各个领域。
  
  
  
  注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
其他文献
摘要:雷电是一种强烈的大气放电现象,从古至今,都是威胁人类生命财产的一大自然现象。现代智能建筑向着越来越高层的方向发展,建筑物的高大也会更容易吸引落雷而导致建筑物被破坏。本文主要分析了建筑防雷接地技术要点,供参考。  关键词:建筑;防雷;接地系统    1.防雷装置  雷电波入侵现代建筑的形式有两种:一种是直击雷;另一种是感应雷.一般说来,直击雷击中现代楼宇内的电子设备的可能性很小,通常不必采取防
期刊
摘要:医疗废水具有水质复杂,变化幅度大等特点,在污水处理工程较为典型。在设计上主要应考虑工艺的运行可靠性和经济性。本文结合工程实例探讨医疗废水处理工艺,供同行人员参考。  关键词:医疗废水;处理工艺;生物接触氧化法    医疗污水来源及成分复杂,含有病原性微生物、有毒有害的物理化学污染物和放射性污染等,具有空间污染、急性传染、交叉传染和潜伏性传染等特征,如不经有效处理就会成为一条疾病扩散的重要途径
期刊
【摘要】通过超洁亮技术,在人造石表面涂覆一层二氧化钛薄膜,利用二氧化钛的光催化原理达到人造石产品的自动杀菌效果。  【关键词】:人造石材;纳米二氧化钛;光催化;杀菌  一、前言  随着国内房地产行业的蓬勃发展,室内建筑装饰材料已进入高速发展期。天然大理石质感柔和,美观庄重,格调高雅,花色繁多,是装饰豪华建筑的理想材料,使用石材进行室内装修,已经越来越被人所接受。但是天然石材同样也有很多缺点,譬如天
期刊
摘要:通过对压力容器D类焊接接头结构形式、组织形态、受力条件和缺陷检测等的分析,说明D类焊接接头质量是压力容器质量控制的一个重要环节,必须予以足够的重视,同时对其在生产中易出现的问题,提出了解决方案和建议。  关键词:压力容器焊接接头 质量控制    压力容器因其质量关系到国家财产及人身安全,是一种需要实行强制许可制的特种设备之一。因为组织状态、内应力和化学成分分布的不均匀性,导致焊接接头是压力容
期刊
摘要:废渣生产环保矿渣砖不仅节省了原料,有废渣生产环保矿渣砖概况良好的经济型,也体现着现代化的环保理念。本文就废渣生产环保矿渣砖概况进行分析。主要探讨其原料和制作养护方法。  关键词:废渣;环保矿渣砖;制作    矿渣砖通指由金属冶炼过程排放的废渣在经加工烧制而成的砖块。尤指以黄铁矿制造硫酸或亚硫酸所排出的矿渣(又称硫酸渣、黄铁矿渣或烧渣)作原料的砖制品。当黄铁矿经焙烧分解后,其中的铁、硅、铝、钙
期刊
一、加强对国有森工企业党建工作的领导是前提  国有森工企业党组织要坚决服从地方党委、政府领导,积极发挥政治核心作用,带领企业经受住各种考验,保证改革攻坚任务的顺利进行和圆满完成。在新形势下,国有森工企业面临的主要任务是继续深化改革,建立完善的现代管理体制机制,努力实现更好的经营效益。国有森工企业在任何时候、任何情况下都应自觉置于党的领导之下,根本在于把国有森工企业党建工作抓好,充分发挥企业党组织的
期刊
摘要:该文介绍了杉花根大桥主桥的设计特点,该主桥为跨径100m的下承式系拱桥,采用少支架的先梁后拱法施工。  关键词:系杆拱桥;先梁后拱法施工;钢箱拱肋   1 工程概况  杉花根大桥工程是广西藤县城区连接田寮新区和河东新区的一条重要通道,桥梁上跨北流河,河道通航标准为V级航道。考虑景观及通航需求,经初设阶段方案比选,主桥采用单跨100米下承式简支系杆拱桥。两侧引桥分别跨越两岸环岛路和滨江路,受桥
期刊
一、车辆碰撞護栏载荷计算  1桥侧护栏受力计算  1.1碰撞力计算  碰撞力通过《公路交通安全设施设计规范(JTG D81-2006)》中所提供的碰撞力计算公式计算得到。现行规范所提供的最大横向碰撞力计算公式为:      式中: ——车辆作用在护栏上的最大横向碰撞力(kN);  m——车辆质量(kg);  V1——车辆的碰撞速度(m/s);   ——车辆的碰撞角度(º);  C——车辆
期刊
摘要:本文从建材生态化改造的角度对生态建材的概念、特征及研究意义和实现的基本途径进行阐述,展望了生态建材的发展趋势,说明了建材的生态化改造对持续发展的重要性。  关键词:建筑材料;生态建材;特性;发展  引言  建筑材料作為能耗高,资源消耗大,污染严重的工业产业,在改善人居住环境的同时,对人类的环境污染负有不可推卸的责任。因此,如何减轻建筑材料的环境负荷,实现建筑材料的生态化,是建筑材料可持续发展
期刊
摘要:地下结构具有设计标准高、建设周期长、施工困难多、投资额巨大等特点,加上地下空间资源是不可再生资源,一旦被开发将不能恢复到以前的状态,因此地下结构的耐久性对城市的长期建设影响很大。所以,研究如何降低环境对地下结构的损害,延长地下结构的使用年限,提高地下结构的耐久性,是地下结构施工设计时不可忽视的研究内容。  关键词:耐久性;地下结构;因素分析  引言  地下结构具有设计标准高、建设周期长、施工
期刊