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  • 混合高斯模型

    2015-03-06 17:57:30
    混合高斯模型是基于背景建模的方法提取运动目标的方法,其在目前运动目标检测的图像处理方面起着非常重要的作用。
  • 详解EM算法与混合高斯模型(Gaussian mixture model, GMM)

    万次阅读 多人点赞 2018-07-14 23:00:34
    最近在看晓川老(shi)师(shu)的博士论文,接触了混合高斯模型(Gaussian mixture model, GMM)和EM(Expectation Maximization)算法,不禁被论文中庞大的数学公式所吓退。本文通过查阅相关资料,在复杂巧妙的推理...

       最近在看晓川老(shi)师(shu)的博士论文,接触了混合高斯模型(Gaussian mixture model, GMM)和EM(Expectation Maximization)算法,不禁被论文中庞大的数学公式所吓退。本文通过查阅相关资料,在复杂巧妙的推理公式中融入了自己的理解,详细梳理了混合高斯模型和EM算法。

    1 单高斯模型(Gaussian single model, GSM)

       简单回顾一下概率论讲过的高斯模型。
      高斯模型是一种常用的变量分布模型,在数理统计领域有着广泛的应用(……好吧读了这么多年书没白费,教科书般的话语已植入骨髓)。一维高斯分布的概率密度函数如下:
    (1)f(x)=12πσexp((xμ)22σ2)f(x) = \frac{1}{{\sqrt {2\pi } \sigma }}\exp ( - \frac{{{{(x - \mu )}^2}}}{{2{\sigma ^2}}})\tag{1} 
       μ\muσ2{\sigma ^2}分别是高斯分布的均值和方差。
      譬如将男生身高视为变量X, 假设男生的身高服从高斯分布,则XN(μ,σ2)X \sim N(\mu ,{\sigma ^2}),女生亦如此。只是男女生身高分布可能具有不同的均值和方差。图1是从谷歌图库中搜索到的男女生身高分布图,来源不清,个人觉得男生的均值身高虚高……四个记号分别表示0~3σ\sigma准则。
    图1 男女生身高分布差异

    图1 男女生身高分布差异

       多维变量X=(x1,x2,...xn)X = ({x_1},{x_2},...{x_n})的联合概率密度函数为:
    (2)f(X)=1(2π)d/2Σ1/2exp[12(Xu)TΣ1(Xu)],X=(x1,x2...xn)f(X) = \frac{1}{{{{(2\pi )}^{d/2}}{{\left| \Sigma \right|}^{1/2}}}}\exp [ - \frac{1}{2}{(X - u)^T}{\Sigma ^{ - 1}}(X - u)],X = ({x_1},{x_2}...{x_n})\tag{2}
      其中:
      d:变量维度。对于二维高斯分布,有d=2;
       u=(u1u2...un)u = \left( \begin{array}{l} {u_1}\\ {u_2}\\ ...\\ {u_n} \end{array} \right):各维变量的均值;
       Σ\Sigma:协方差矩阵,描述各维变量之间的相关度。对于二维高斯分布,有:
    (3)Σ=[δ11δ12δ21δ22] \Sigma= \left[ \begin{matrix} \delta _{11} & \delta _{12}\\ \delta _{21}& \delta _{22} \end{matrix} \right] \tag{3}

    这里写图片描述
    图2 二维高斯数据分布

       图2是二维高斯分布产生的数据示例,参数设定为:u=(00),Σ=[10.80.85]u = \left( \begin{array}{l} 0\\ 0 \end{array} \right),\Sigma= \left[ \begin{matrix} 1 & 0.8\\ 0.8&5 \end{matrix} \right]。关于二维高斯分布的参数设定对为高斯曲面的影响,这篇文章二维高斯分布(Two-dimensional Gaussian distribution)的参数分析有提及,主要是为了下文理解混合高斯分布做铺垫。服从二维高斯分布的数据主要集中在一个椭圆内部,服从三维的数据集中在一个椭球内部。

    2 混合高斯模型(Gaussian mixture model, GMM)

    2.1 为什么要有混合高斯模型

    先来看一组数据。 
         
      

    这里写图片描述
    图3 混合高斯分布所产生数据

       如果我们假设这组数据是由某个高斯分布产生的,利用极大似然估计(后文还会提及)对这个高斯分布做参数估计,得到一个最佳的高斯分布模型如下。

    这里写图片描述
    图4 用单高斯模型对样本作分析不合理示意

       有什么问题吗?一般来讲越靠近椭圆的中心样本出现的概率越大,这是由概率密度函数决定的,但是这个高斯分布的椭圆中心的样本量却极少。显然样本服从单高斯分布的假设并不合理。单高斯模型无法产生这样的样本。
      实际上,这是用两个不同的高斯分布模型产生的数据。

    这里写图片描述
    图5 混合高斯模型对样本作分析示意

       正当单高斯模型抓耳挠腮的时候,混合高斯模型就大摇大摆地进场了。它通过求解两个高斯模型,并通过一定的权重将两个高斯模型融合成一个模型,即最终的混合高斯模型。这个混合高斯模型可以产生这样的样本。
      更一般化的描述为:假设混合高斯模型由K个高斯模型组成(即数据包含K个类),则GMM的概率密度函数如下:
    (3)p(x)=k=1Kp(k)p(xk)=k=1KπkN(xuk,Σk)p(x)=\sum\limits_{k = 1}^K {p(k)p(x|k) = } \sum\limits_{k = 1}^K {{\pi _k}N(x|{u_k},{\Sigma _k})} \tag{3}
      其中,p(xk)=N(xuk,Σk)p(x|k) = N(x|{u_k},{\Sigma _k})是第k个高斯模型的概率密度函数,可以看成选定第k个模型后,该模型产生x的概率;p(k)=πkp(k) = {\pi _k}是第k个高斯模型的权重,称作选择第k个模型的先验概率,且满足k=1Kπk=1\sum\limits_{k = 1}^K {{\pi _k}} = 1
      所以,混合高斯模型并不是什么新奇的东西,它的本质就是融合几个单高斯模型,来使得模型更加复杂,从而产生更复杂的样本。理论上,如果某个混合高斯模型融合的高斯模型个数足够多,它们之间的权重设定得足够合理,这个混合模型可以拟合任意分布的样本。

    2.2 直观上理解混合高斯模型

       下面通过几张图片来帮助理解混合高斯模型。
      首先从简单的一维混合高斯模型说起。
     

    这里写图片描述
    图6 一维混合高斯模型

       在图6中,y1,y2和y3分别表示三个一维高斯模型,他们的参数设定如图所示。y4表示将三个模型的概率密度函数直接相加,注意的是这并不是一个混合高斯模型,因为不满足k=1Kπk=1\sum\limits_{k = 1}^K {{\pi _k}} = 1的条件。而y5和y6分别是由三个相同的高斯模型融合生成的不同混合模型。由此可见,调整权重将极大影响混合模型的概率密度函数曲线。另一方面也可以直观地理解混合高斯模型可以更好地拟合样本的原因:它有更复杂更多变的概率密度函数曲线。理论上,混合高斯模型的概率密度函数曲线可以是任意形状的非线性函数。
      下面再给出一个二维空间3个高斯模型混合的例子。
     

    这里写图片描述
    (a) 3个类别高斯分布截面轮廓线

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    (b) 混合高斯分布截面轮廓线

    这里写图片描述
    © 二维混合高斯分布概率密度函数图

    图7 二维混合高斯模型

       (a) 图表示的是3个高斯模型的截面轮廓图,3个模型的权重系数已在图中注明,由截面轮廓图可知3个模型之间存在很多重叠区域。其实这也正是混合高斯模型所希望的。因为如果它们之间的重叠区域较少,那么生成的混合高斯模型一般较为简单,难以生成较为复杂的样本。
      设定好了3个高斯模型和它们之间的权重系数之后,就可以确定二维混合高斯分布的概率密度函数曲面,如图©所示。图(b)是对于图©概率密度曲面的截面轮廓线。从图7也可以看出,整个混合高斯分布曲面相对比于单高斯分布曲面已经异常复杂。实际上,通过调整混合高斯分布的系数(π,μ,Σ)(\pi ,\mu ,\Sigma ),可以使得图©的概率密度曲面去拟合任意的三维曲面,从而采样生成所需要的数据样本。

    3 极大似然估计(Maximum Likehood Estimate, MLE)(最大化对数似然函数)

    ● 最大化对数似然函数(log-likelihood function)的意义

       首先直观化地解释一下最大化对数似然函数要解决的是什么问题。
      假设我们采样得到一组样本yt{y_t},而且我们知道变量Y服从高斯分布(本文只提及高斯分布,其他变量分布模型类似),数学形式表示为YN(μ,Σ)Y \sim N(\mu ,\Sigma )。采样的样本如图8所示,我们的目的就是找到一个合适的高斯分布(也就是确定高斯分布的参数μ,Σ\mu ,\Sigma),使得这个高斯分布能产生这组样本的可能性尽可能大。
     

    这里写图片描述
    图8 最大化似然函数的意义

       那怎么找到这个合适的高斯分布呢(在图8中的表示就是1~4哪个分布较为合适)?这时候似然函数就闪亮登场了。
      似然函数数学化:设有样本集Y=y1,y2...yNY = {y_1},{y_2}...{y_N}p(ynμ,Σ)p({y_n}|\mu ,\Sigma )是高斯分布的概率分布函数,表示变量Y=ynY = {y_n}的概率。假设样本的抽样是独立的,那么我们同时抽到这N个样本的概率是抽到每个样本概率的乘积,也就是样本集Y的联合概率。此联合概率即为似然函数:
    (4)L(μ,Σ)=L(y1,y2...yN;μ,Σ)=n=1Np(yn;μ,Σ)L(\mu ,\Sigma ) = L({y_1},{y_2}...{y_N};\mu ,\Sigma ) = \prod\limits_{n = 1}^N {p({y_n};\mu ,\Sigma )}\tag{4}
      对式子(4)进行求导并令导数为0(即最大化似然函数,一般还会先转化为对数似然函数再最大化),所求出的参数就是最佳的高斯分布对应的参数。
      所以最大化似然函数的意义就是:通过使得样本集的联合概率最大来对参数进行估计,从而选择最佳的分布模型。
      对于图8产生的样本用最大化似然函数的方法,最终可以得到序号1对应的高斯分布模型是最佳的模型。

    4 EM算法(最大化Q函数)

    4.1 为什么要有EM算法(EM算法与极大似然估计分别适用于什么问题)

    ● 尝试用极大似然估计的方法来解GMM模型

       解GMM模型,实际上就是确定GMM模型的参数(μ,Σ,π)(\mu ,\Sigma ,\pi ),使得由这组参数确定的GMM模型最有可能产生采样的样本。
      先试试看用极大似然估计的方法来解GMM模型会出现什么样的问题。
      如第3小节所述,要利用极大似然估计求解模型最重要的一步就是求出似然函数,即样本集出现的联合概率。而对于混合高斯模型,如何求解某个样本yt{y_t}的概率?显然我们得先知道这个样本来源于哪一类高斯模型,然后求这个高斯模型生成这个样本的概率p(yt)p({y_t})
      但是问题来了:我们只有样本。不知道样本到底来源于哪一类的高斯模型。那么如何求解样本的生成概率p(yt)p({y_t})
      先引入一个隐变量γ\gamma。它是一个K维二值随机变量,在它的K维取值中只有某个特定的元素γk{\gamma _k}的取值为1,其它元素的取值为0。实际上,隐变量描述的就是:每一次采样,选择第k个高斯模型的概率,故有:
    (5)p(γk=1)=πkp({\gamma _k} = 1) = {\pi _k}\tag{5}
      当给定了γ\gamma的一个特定的值之后(也就是知道了这个样本从哪一个高斯模型进行采样),可以得到样本y的条件分布是一个高斯分布,满足:
    (6)p(yγk=1)=N(yμk,Σk)p(y|{\gamma _k} = 1) = N(y|{\mu _k},{\Sigma _k})\tag{6}
      而实际上,每个样本到底是从这K个高斯模型中哪个模型进行采样的,是都有可能的。故样本y的概率为:
    (7)p(y)=γp(γ)p(yγ)=k=1KπkN(yμk,Σk)p(y) = \sum\nolimits_\gamma {p(\gamma )} p(y|\gamma ){\rm{ = }}\sum\limits_{{\rm{k}} = 1}^K {{\pi _k}N(y|{\mu _k},{\Sigma _k})} \tag{7}
      样本集Y(n个样本点)的联合概率为:
    (8)L(μ,Σ,π)=L(y1,y2...yN;μ,Σ,π)=n=1Np(yn;μ,Σ,π)=n=1Nk=1KπkN(ynμk,Σk)L(\mu ,\Sigma ,\pi ) = L({y_1},{y_2}...{y_N};\mu ,\Sigma ,\pi ) = \prod\limits_{n = 1}^N {p({y_n};\mu ,\Sigma ,\pi )} = \prod\limits_{n = 1}^N {\sum\limits_{{\rm{k}} = 1}^K {{\pi _k}N({y_n}|{\mu _k},{\Sigma _k})} } \tag{8}
      对数似然函数表示为:
    (9)lnL(μ,Σ,π)=n=1Nlnk=1KπkN(ynμk,Σk)\ln L(\mu ,\Sigma ,\pi ) = \sum\limits_{n = 1}^N {\ln \sum\limits_{{\rm{k}} = 1}^K {{\pi _k}N({y_n}|{\mu _k},{\Sigma _k})} } \tag{9}
      好了,然后求导,令导数为0,得到模型参数(μ,Σ,π)(\mu ,\Sigma ,\pi )
      貌似问题已经解决了,喜大普奔。
      然而仔细观察可以发现,对数似然函数里面,对数里面还有求和。实际上没有办法通过求导的方法来求这个对数似然函数的最大值。
      MLE(极大似然估计)略显沮丧。这时候EM算法走过来,安慰着说:兄弟别哭,老哥帮你。

    ● 极大似然估计与EM算法适用问题分析

       下面先阐述一下极大似然估计与EM算法分别适用于解决什么样的问题。
     

    这里写图片描述
    图9 极大似然估计适用问题

    这里写图片描述
    图10 EM算法适用问题

       如果我们已经清楚了某个变量服从的高斯分布,而且通过采样得到了这个变量的样本数据,想求高斯分布的参数,这时候极大似然估计可以胜任这个任务;而如果我们要求解的是一个混合模型,只知道混合模型中各个类的分布模型(譬如都是高斯分布)和对应的采样数据,而不知道这些采样数据分别来源于哪一类(隐变量),那这时候就可以借鉴EM算法。EM算法可以用于解决数据缺失的参数估计问题(隐变量的存在实际上就是数据缺失问题,缺失了各个样本来源于哪一类的记录)。
      下面将介绍EM算法的两个步骤:E-step(expectation-step,期望步)和M-step(Maximization-step,最大化步);

    4.2 E-step

    我们现有样本集Y=(y1,y2...yT)Y = ({y_1},{y_2}...{y_T}),通过隐变量γt,k{\gamma _{t,k}}(表示yt{y_t}这个样本来源于第k个模型)的引入,可以将数据展开成完全数据:
    (yt,γt,1,γt,2...γt,K),t=1,2...T({y_t},{\gamma _t}_{,1},{\gamma _{t,2}}...{\gamma _{t,K}}),t = 1,2...T

    所谓的完全数据,就是不缺失的数据。只有样本集Y=(y1,y2...yT)Y = ({y_1},{y_2}...{y_T})的数据是不完整的,存在信息缺失的。若yt{y_t}由第1类采样而来,则有γt,1=1,γt,2=0...γt,K=0{\gamma _t}_{,1} = 1,{\gamma _{t,2}} = 0...{\gamma _{t,K}} = 0,表示为(yt,1,0,...0)({y_t},1,0,...0)
      所以要求能采到这组数据的可能性,需要分两步走:①第t个样本由哪一类产生?②如果第t个样本由第k类产生,那么第k类产生第t个样本的概率为多少?
      综合考虑上面两步,有了完全数据的似然函数:
    (10)p(y,γμ,Σ,π)=t=1Tp(yt,γt,1,γt,2...γt,Kμ,Σ,π)       =t=1Tk=1K(πkN(yt;μk,Σk))γt,k       =k=1Kπkt=1Tγt,kt=1T(N(yt;μk,Σk))γt,k\begin{array}{l} p(y,\gamma |\mu ,\Sigma ,\pi ) = \prod\limits_{t = 1}^T {p({y_t},{\gamma _t}_{,1},{\gamma _{t,2}}...{\gamma _{t,K}}|\mu ,\Sigma ,\pi )} \\ {\rm{        }} = \prod\limits_{t = 1}^T {\prod\limits_{k = 1}^K {{{({\pi _k}N({y_t};{\mu _k},{\Sigma _k}))}^{{\gamma _{t,k}}}}} } \\ {\rm{        }} = \prod\limits_{k = 1}^K {\pi _k^{\sum\nolimits_{t = 1}^T {^{{\gamma _{t,k}}}} }} \prod\limits_{t = 1}^T {{{(N({y_t};{\mu _k},{\Sigma _k}))}^{{\gamma _{t,k}}}}} \end{array} \tag{10}
      第1个等号到第2个等号的理解:若yt{y_t}由第1类采样而来,则有γt,1=1,γt,2=0...γt,K=0{\gamma _t}_{,1} = 1,{\gamma _{t,2}} = 0...{\gamma _{t,K}} = 0
    (11)p(yt,γt,1,γt,2...γt,Kμ,Σ,π)=k=1K(πkN(yt;μk,Σk))γt,k              =(π1N(yt;μ1,Σ1))γt,1(π2N(yt;μ2,Σ2))γt,2...(πKN(yt;μK,ΣK))γt,K              =(π1N(yt;μ1,Σ1))1(π2N(yt;μ2,Σ2))0...(πKN(yt;μK,ΣK))0              =π1N(yt;μ1,Σ1)\begin{array}{l} p({y_t},{\gamma _t}_{,1},{\gamma _{t,2}}...{\gamma _{t,K}}|\mu ,\Sigma ,\pi ){\rm{ = }}\prod\limits_{k = 1}^K {{{({\pi _k}N({y_t};{\mu _k},{\Sigma _k}))}^{{\gamma _{t,k}}}}} \\ {\rm{               = }}{({\pi _1}N({y_t};{\mu _1},{\Sigma _1}))^{{\gamma _{t,1}}}}{({\pi _2}N({y_t};{\mu _2},{\Sigma _2}))^{{\gamma _{t,2}}}}...{({\pi _K}N({y_t};{\mu _K},{\Sigma _K}))^{{\gamma _{t,K}}}}\\ {\rm{                }} = {({\pi _1}N({y_t};{\mu _1},{\Sigma _1}))^1}{({\pi _2}N({y_t};{\mu _2},{\Sigma _2}))^0}...{({\pi _K}N({y_t};{\mu _K},{\Sigma _K}))^0}\\ {\rm{                }} = {\pi _1}N({y_t};{\mu _1},{\Sigma _1}) \end{array} \tag{11}
      注意式子(11)与式子(7)的差别:如果求p(yt)p({y_t})则需要考虑yt{y_t}有可能来源于k个类;而如果求的是p(yt,γt,1,γt,2...γt,K)p({y_t},{\gamma _t}_{,1},{\gamma _{t,2}}...{\gamma _{t,K}})则已经限定了yt{y_t}只会来源于某个类。
      第2个等式到第3个等式的理解:先交换累乘符号。由于πk{\pi _k}与t无关,故而可以从内部的累乘符号中提取出来。
      实际上完全数据的似然函数描述的就是采集到这些样本的可能性。
      完全数据的对数似然函数为:
    (12)lnp(y,γμ,Σ,π)=k=1K(t=1Tγt,k)lnπk+t=1Tγt,k(ln(2π)12lnΣk12(ytμt)T(Σk)1(ytμt))\ln p(y,\gamma |\mu ,\Sigma ,\pi ) = \sum\limits_{k = 1}^K {(\sum\limits_{t = 1}^T {{\gamma _{t,k}}} )\ln {\pi _k}} + \sum\limits_{t = 1}^T {{\gamma _{t,k}}} ( - \ln (2\pi ) - \frac{1}{2}\ln \left| {{\Sigma _k}} \right| - \frac{1}{2}{({y_t} - {\mu _t})^T}{({\Sigma _k})^{ - 1}}({y_t} - {\mu _t})) \tag{12}
      这一步应该没啥问题吧。。。注意的是,此处考虑的是二维高斯分布的情况,对应于式子(2)中的d=2。
      我们的目标就是找出一组参数(μ,Σ,π)(\mu *,\Sigma *,\pi *)使得lnp(y,γμ,Σ,π)\ln p(y,\gamma |\mu ,\Sigma ,\pi )最大。
      那么问题来了:lnp(y,γμ,Σ,π)\ln p(y,\gamma |\mu ,\Sigma ,\pi )中含有隐变量γ\gammaγ\gamma的存在使得我们没法最大化lnp(y,γμ,Σ,π)\ln p(y,\gamma |\mu ,\Sigma ,\pi ) 。如果我们知道了γ\gamma,那么最大化lnp(y,γμ,Σ,π)\ln p(y,\gamma |\mu ,\Sigma ,\pi )就显得水到渠成。
      但是坑爹的就是:我们只有采样数据yt{y_t}γ\gamma未知。
      那么怎么办呢?γ\gamma来一个估计
      猜想我们给了一组起始参数(μ0,Σ0,π0)({\mu ^0},{\Sigma ^0},{\pi ^0})或者优化过的第i次迭代的参数(μi,Σi,πi)({\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i}),也就是说每一个高斯分布的参数我们都有了,γ\gamma做的事不就是决定每个样本由哪一个高斯分布产生的嘛,有了每个高斯分布的参数那我们就可以猜想每个样本最有可能来源于哪个高斯分布没错吧!Done!
      为此我们不最大化lnp(y,γμ,Σ,π)\ln p(y,\gamma |\mu ,\Sigma ,\pi )(也无法最大化它),而是最大化Q函数。Q函数如下:
    Q(μ,Σ,π,μi,Σi,πi)=Eγ[lnp(y,γμ,Σ,π)Y,μi,Σi,πi]=Eγ[k=1K(t=1Tγt,kyt,μi,Σi,πi)lnπk+t=1T(γt,kyt,μi,Σi,πi)(ln(2π)12lnΣk12(ytμt)T(Σk)1(ytμt))]=k=1K(t=1TE(γt,kyt,μi,Σi,πi)lnπk+t=1TE(γt,kyt,μi,Σi,πi)(ln(2π)12lnΣk12(ytμt)T(Σk)1(ytμt)))\begin{array}{l} Q(\mu ,\Sigma ,\pi ,{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i}) = {E_\gamma }[\ln p(y,\gamma |\mu ,\Sigma ,\pi )|Y,{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i}]\\ = {E_\gamma }[\sum\limits_{k = 1}^K {(\sum\limits_{t = 1}^T {{\gamma _{t,k}}|{y_t},{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i}} )\ln {\pi _k}} + \sum\limits_{t = 1}^T {({\gamma _{t,k}}|{y_t},{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})} ( - \ln (2\pi ) - \frac{1}{2}\ln \left| {{\Sigma _k}} \right| - \frac{1}{2}{({y_t} - {\mu _t})^T}{({\Sigma _k})^{ - 1}}({y_t} - {\mu _t}))]\\ = \sum\limits_{k = 1}^K {(\sum\limits_{t = 1}^T {E({\gamma _{t,k}}|{y_t},{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})} \ln {\pi _k}} + \sum\limits_{t = 1}^T {E({\gamma _{t,k}}|{y_t},{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})} ( - \ln (2\pi ) - \frac{1}{2}\ln \left| {{\Sigma _k}} \right| - \frac{1}{2}{({y_t} - {\mu _t})^T}{({\Sigma _k})^{ - 1}}({y_t} - {\mu _t}))) \end{array}
      其中,E(γt,kyt,μi,Σi,πi)E({\gamma _{t,k}}|{y_t},{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})就是对γ\gamma的估计:
    (14)E(γt,kyt,μi,Σi,πi)=p(γt,k=1yt,μi,Σi,πi)          =p(γt,k=1,ytμi,Σi,πi)p(yt)          =p(γt,k=1,ytμi,Σi,πi)k=1Kp(γt,k=1,ytμi,Σi,πi)          =p(ytγt,k=1,μi,Σi,πi)p(γt,k=1μi,Σi,πi)k=1Kp(ytγt,k=1,μi,Σi,πi)p(γt,k=1μi,Σi,πi)          =πkiN(yt;μki,Σki)k=1KπkiN(yt;μki,Σki)\begin{array}{l} E({\gamma _{t,k}}|{y_t},{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i}){\rm{ = }}p({\gamma _{t,k}} = 1|{y_t},{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})\\           = \frac{{p({\gamma _{t,k}} = 1,{y_t}|{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})}}{{p({y_t})}}\\           = \frac{{p({\gamma _{t,k}} = 1,{y_t}|{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})}}{{\sum\nolimits_{k = 1}^K {p({\gamma _{t,k}} = 1,{y_t}|{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})} }}\\           = \frac{{p({y_t}|{\gamma _{t,k}} = 1,{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})p({\gamma _{t,k}} = 1|{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})}}{{\sum\nolimits_{k = 1}^K {p({y_t}|{\gamma _{t,k}} = 1,{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})p({\gamma _{t,k}} = 1|{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})} }}\\           = \frac{{\pi _k^iN({y_t};\mu _k^i,\Sigma _k^i)}}{{\sum\nolimits_{k = 1}^K {\pi _k^iN({y_t};\mu _k^i,\Sigma _k^i)} }} \end{array} \tag{14}
      这公式是不是很可怕??别急,带上几点声明,再去看公式就很好理解了!
      ① Q函数描述的其实就是在给定(μi,Σi,πi)({\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})参数下,先对样本Y做一个最有可能的划分(每个样本来源于各个类的可能性,即对γ\gamma的估计E(γt,kyt,μi,Σi,πi)E({\gamma _{t,k}}|{y_t},{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})),再描述能够产生这组样本的可能性(Q函数);
      ② 有了对于γ\gamma的估计之后,Q函数只和样本有关(传统意义上的似然函数亦如此,完全数据的似然函数还与γ\gamma有关),而不再含有隐变量,从而使得最大化Q函数成为可能;
      ③ 最大化Q函数的过程实则就是使得能够产生这组样本的可能性最大,与最大化似然函数的思路如出一辙。

    4.3 M-step

    有个Q函数,就可以对Q函数进行最大化,得到下一次迭代的模型参数了,即:
    (15)μi+1,Σi+1,πi+1=argmaxQ(μ,Σ,π,μi,Σi,πi){\mu ^{i{\rm{ + }}1}},{\Sigma ^{i{\rm{ + }}1}},{\pi ^{i{\rm{ + }}1}}{\rm{ = }}\arg \max Q(\mu ,\Sigma ,\pi ,{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i}) \tag{15}
      对Q函数进行求导,并另其导数为0,可得:
    (16)μki+1=t=1TπkiN(yt;μki,Σki)k=1KπkiN(yt;μki,Σki)ytE(γt,kyt,μi,Σi,πi),k=1,2...K\mu _k^{i + 1} = \frac{{\sum\nolimits_{t = 1}^T {\frac{{\pi _k^iN({y_t};\mu _k^i,\Sigma _k^i)}}{{\sum\nolimits_{k = 1}^K {\pi _k^iN({y_t};\mu _k^i,\Sigma _k^i)} }}} {y_t}}}{{E({\gamma _{t,k}}|{y_t},{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})}},k = 1,2...K \tag{16}
    (17)Σki+1=t=1TπkiN(yt;μki,Σki)k=1KπkiN(yt;μki,Σki)(ytμki)2E(γt,kyt,μi,Σi,πi),k=1,2...K\Sigma _k^{i + 1} = \frac{{\sum\nolimits_{t = 1}^T {\frac{{\pi _k^iN({y_t};\mu _k^i,\Sigma _k^i)}}{{\sum\nolimits_{k = 1}^K {\pi _k^iN({y_t};\mu _k^i,\Sigma _k^i)} }}} {{({y_t} - \mu _k^i)}^2}}}{{E({\gamma _{t,k}}|{y_t},{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})}},k = 1,2...K\tag{17}
    (18)πki+1=E(γt,kyt,μi,Σi,πi)T,k=1,2...K\pi _k^{i + 1} = \frac{{E({\gamma _{t,k}}|{y_t},{\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i})}}{T},k = 1,2...K\tag{18}

      其中μki+1,Σki+1,πki+1\mu _k^{i + 1},\Sigma _k^{i + 1},\pi _k^{i + 1}分别表示第(i+1)次迭代,第k个类的均值,协方差矩阵和所占的权重。

    4.4 一个例子梳理EM算法的整个过程

       EM算法的核心思想是:通过迭代的过程来找到一组最优的参数(μ,Σ,π)(\mu *,\Sigma *,\pi *),使得这组参数表示的模型最有可能产生现有的采样数据。每次迭代的过程就是参数矫正的过程。
     

    这里写图片描述
    图11 EM算法参数优化过程

       现假设初始化一组参数(μ0,Σ0,π0)({\mu ^0},{\Sigma ^0},{\pi ^0})。在这组参数下,2类二维高斯分布如图11绿色椭圆所示。然后利用现有的参数,E-step开始对样本数据进行划分(对γ\gamma进行估计)。蓝色的样本大多都被划分给第1类模型,橘黄色的样本大多都被划分给第2类模型。但是第1类模型还有优化空间:第1类模型还不能使得蓝色样本出现的联合概率达到最大。第2类模型也是如此。M-step便优化了2类模型的参数,得到新的参数(μ1,Σ1,π1)({\mu ^1},{\Sigma ^1},{\pi ^1}),使得优化后2类高斯分布如图11红色椭圆所示。其中,第1类模型主要优化的是模型均值(即椭圆的中心),第二类模型主要优化的是模型协方差矩阵(即椭圆的长轴、短轴和长短轴的方向)。然后重复进行E-step和M-step,直到参数(μ,Σ,π)(\mu ,\Sigma ,\pi )收敛。
      最后谈谈混合高斯模型的参数π\pi
      混合高斯模型的参数μ,Σ\mu ,\Sigma比较好理解,用于描述各个高斯分布的形状,对于它们的调整也比较直观:使得本高斯分布能够更好地接纳被划分到这类分布的样本。而为什么要有参数π\pi?它描述的是各个高斯分布所占的比重,如果不加“歧视”的话(样本来源于各个高斯分布的可能性一致),则有πk=1/K{\pi _k} = 1/K;而如果对于某一类高斯分布(即为i)有侧重的话,则相应的πi{\pi _i}较大,体现在图11中就是被分配给各个类的样本数占样本总数的比例。如果一轮优化后,某一类高斯分布又接纳了更多样本,则其πi{\pi _i}变大,反之变小(所以图11从绿色椭圆调整为红色椭圆实际上两个类所对应的权重也被优化了)。
      而从本质上来看参数π\pi,则是为了混合高斯模型能有更好的曲面拟合能力。当参数π\pi退化为某一类高斯分布的权重远远大于其他类高斯分布的时候,混合高斯模型就退化成了单高斯模型!

    5 总结

       图12和图13梳理了高斯分布和混合高斯分布参数估计的逻辑流程。
     

    这里写图片描述
    图12 高斯分布参数估计逻辑流程

    这里写图片描述
    图13 混合高斯分布参数估计逻辑流程

       相对比于高斯分布的参数估计,混合高斯分布的参数估计更加复杂。主要原因在于隐变量的存在。而为什么混合高斯分布的参数估计需要多次迭代循环进行?是因为EM算法中对于γ\gamma的估计利用的是初始化或者第i步迭代的参数(μi,Σi,πi)({\mu ^i},{\Sigma ^i},{\pi ^i}),这对于样本的分类划分是有误差的。所以它只能通过多次迭代优化寻找更佳的参数来抵消这一误差。
      终于把这篇文章梳理完了。世界杯要结束了,伪球迷也想见证一下冠军诞生。至此,本文结束。

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  • 混合高斯模型的基本原理,以及通过混合高斯模型进行背景建模的基本思想 混合高斯模型的基本原理

    混合高斯模型的基本原理,以及通过混合高斯模型进行背景建模的基本思想

    混合高斯模型的基本原理

    虽然是背景,但是灰度并不是一直保持不变的,灰度是在一个范围内变化的。一个背景像素随着时间变化呈现一定的随机性,但是一段时间内,如果做一个统计的话,其分布在某一个均值,一个方差范围内,绝大多数像素应该落在3σ范围内。图像中每一个像素灰度值随着时间变化的规律符合高斯分布。在实际中,我们发现灰度值的变化往往不能用一个高斯模型刻画,哪能不能用多个高斯模型去刻画呢?这是可以的,任何一种分布函数都可以看作是多个高斯分布的线性加权组合。
    在这里插入图片描述
    如何检测当前图像中某像素属于前景?
    I(x,y,t)-μ>3σ
    *I(x,y,t)*当前帧像素值,若满足条件则为前景,反之为背景,
    在这里插入图片描述

    那么,为什么GMM的各个高斯分量的系数之和必须为1呢?

    其实答案很简单,我们所谓的GMM的定义本质上是一个概率密度函数。而概率密度函数在其作用域内的积分之和必然为1。GMM整体的概率密度函数是由若干个高斯分量的概率密度函数线性叠加而成的,而每一个高斯分量的概率密度函数的积分必然也是1,所以,要想GMM整体的概率密度积分为1,就必须对每一个高斯分量赋予一个其值不大于1的权重,并且权重之和为1。

    像素灰度的概率密度函数:

    在这里插入图片描述
    p是概率,多个高斯分量的加权组合
    I是亮度/灰度值
    w是权值
    N代表的是对应的高斯分布
    下标q代表的是第q个高斯分布函数
    μ:均值
    σ:方差
    概率密度函数可以表达为条件概率的形式:
    在这里插入图片描述
    P(wq)表示的是第q个高斯分布,对应的权值;
    条件概率:表示的是当前的高斯分布里,它对应的是多少
    理解:当前像素值落在混合高斯模型里的概率,然后用全概率公式展开,计算当前像素值在每一个高斯分量上的概率然后累加起来
    任务:在线计算wq, μq, σq
    当三个值计算出来,我们就可以判断当前的像素值是不是落在混合高斯模型了里,从而判断当前的像素是背景还是运动的物体。

    建模步骤

    混合高斯背景建模步骤:

    1. 模型初始化,将采到的第一帧图像的每个像素的灰度值作为均值,再赋以较大的方差(比如10),初值Q=1,w=1;假如图像为30*30,则需要建立900个混合高斯模型
    2. 模型学习 将当前帧的对应点像素的灰度值与已有的Q个高斯模型作比较,若满足|xk-u(q,k) |<2.5σ(q,k),则按下面迭代计算方式调整第q个高斯模型的参数和权重;否则转入(3)
    3. 增加/替换高斯分量,若不满足条件,且q<Q,则增加一个新分量;若q=Q,则替换(假设满足q=Q,需要把权值最小的那一个删掉,重新加一个)
    4. 判断背景
      在这里插入图片描述

    这个公式什么意思呢?比如有5个高斯分量,权重分别为0.4, 0.3,0.18 ,0.06, 0.06,排序,T取0.6~0.9之间的数,这里T取0.6,所以权值为0.4和0.3对应的是背景,后面三个是由于噪声或是其他干扰因素造成的。如果说当前像素是落在权值为0.4和0.3高斯分布,则为背景

    1. 判断前景

    注释:Q是高斯模型所有分量的个数;w是权值

    混合高斯模型迭代计算原理

    迭代计算:
    在这里插入图片描述
    α和ρ对应的是学习速率
    α越大,表示学习当前的东西越快,对以前的东西遗忘的越快,
    理解:当下一帧的图像过来,对应的像素值去跟已有的所有高斯分量去比较,仅当像素值匹配第q类时二值化函数的值为1,反之为0,所有高斯分量的权值同时更新,其他两个参数同理

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  • 1.随机变量 随机标量变量:一个基于随机实验结果的实数函数或实数变量。随机向量变量:彼此相关或... 高斯分布和混合高斯随机随机变量 高斯分布的概率密度函数: 混合高斯分布的概率密度函数: 混合高斯分布最明显...

    1.随机变量

    随机标量变量:一个基于随机实验结果的实数函数或实数变量。随机向量变量:彼此相关或独立的随机标量变量的一个集合。随机变量可以理解为从随机实验到变量的一个映射。

    连续型随机变量在x = a处的概率密度函数定义为:

    240ea0a6e9f3c5383472a3bdd5624933.png

    连续型随机变量x在x = a处的累积分布函数定义为:

    4c2137060753c77421f3f988a7582d10.png

    2. 高斯分布和混合高斯随机随机变量

    高斯分布的概率密度函数:

    031043c2ea0408dbe1b79e98b07e8bcc.png

    混合高斯分布的概率密度函数:

    d2dc0e8bf739a5d499c62f61dc62f545.png

    混合高斯分布最明显的性质是它的多模态,不同于高斯分布的单模态性质M=1,使得混合高斯模型足以描述很多多模态性质的物理数据。

    3. 参数估计

    参数估计问题称为学习问题,目的是根据符合混合高斯分布的数据来确定模型参数的取值。混合高斯模型及其相关的参数变量估计是一个不完整数据的参数估计问题。假设每个数据点与混合高斯分布中的某一单高斯成分具有一种“所属关系”。一开始,所属关系是未知的。那参数变量估计的任务就是通过“学习”得到这些“所属关系”,进而通过具有所属关系的数据点来估计每个高斯成分的参数。

    4. 混合高斯分布对语音特征建模

    原始语音数据经过短时傅里叶变换形式会成为特征序列,在忽略时序信息的条件下,混合高斯分布适合拟合这样的语音特征。以帧为单位,用混合高斯模型对语音特征进行建模。

    GMM,严重不足之处,不能有效地对呈非线性或者近似非线性的数据进行建模。例如:对一系列呈球面的点阵建模,如果模型合适,只需很少的参数,但是GMM,需要非常多的对角高斯分布或相当多的全协方差高斯分布。语音是由调节动态系统中相对少的参数来产生的。意味着隐藏在语音特征下的真正结构的复杂度,比直接描述现有特征的模型要小得多。

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空空如也

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混合高斯模型