COMBINING HIDDEN MARKOV MODELS AND PHONETIC TRIGRAMS IN A THAI SOUNDEX SYSTEM ABSTRACT
隐马尔可夫模型可以解决哪些问题

隐马尔可夫模型可以解决哪些问题
隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model, HMM)是一种时序数据的概率模型,它通过观察到的序列来推断隐含的状态序列。
它最大的特点就是它是一个生成模型,也就是说它从观测序列出发,去推断隐含状态序列。
隐马尔可夫模型可以用来解决很多问题,例如:
1. 语音识别:HMM 可以用来识别不同语音,并将其转换为文本。
2. 文本分类:HMM 可以用于对文本进行分类,以便将文本归类到不同的类别中。
3. 语言建模:HMM 可以用来建模不同的语言,以便根据语言的结构来判断句子的正确性。
4. 文字识别:HMM 可以用于识别手写文字,并将其转换为文本。
5. 生物信息学:HMM 可以用来分析 DNA 序列,以发现基因、调控因子和其他特征。
隐马尔科夫模型的训练技巧(六)

隐马尔科夫模型(Hidden Markov Model, HMM)是一种用于建模时序数据的统计模型,被广泛应用于语音识别、自然语言处理、生物信息学等领域。
在HMM中,系统状态是不可观测的,只能通过可观测的输出来推断系统状态。
本文将分析隐马尔科夫模型的训练技巧,包括参数估计、初始化、收敛性等方面。
数据预处理在进行HMM的训练之前,首先需要对输入数据进行预处理。
对于语音识别任务来说,预处理包括语音信号的特征提取,通常使用的特征包括梅尔频率倒谱系数(MFCC)、过零率等。
对于文本处理任务来说,预处理包括词袋模型、词嵌入等。
预处理的质量将直接影响HMM的训练效果,因此需要特别注意。
参数估计在HMM中,有三组参数需要估计:初始状态概率π、状态转移概率矩阵A和发射概率矩阵B。
其中,π表示系统在每个隐藏状态开始的概率,A表示系统从一个隐藏状态转移到另一个隐藏状态的概率,B表示系统从一个隐藏状态生成可观测输出的概率。
Baum-Welch算法是用于HMM参数估计的一种经典算法,它是一种迭代算法,通过不断更新参数的估计值,使得模型的似然函数逐步增大。
Baum-Welch算法的核心是前向-后向算法,它可以有效地估计HMM的参数,但是在实际应用中需要注意其对初始值的敏感性,容易陷入局部最优解。
模型初始化HMM的参数估计需要一个初始值,通常使用随机初始化的方法。
然而,随机初始化容易导致参数估计的不稳定,影响模型的训练效果。
因此,对HMM模型的初始化非常重要,可以使用专门的初始化方法,如K-means聚类算法、高斯混合模型等。
模型收敛性在进行HMM的训练过程中,需要考虑模型的收敛性。
HMM的收敛性通常通过设置迭代次数或者设定阈值来实现。
对于大规模数据集,可以考虑使用分布式计算或者并行计算的方法来加速模型的训练,以提高收敛性。
参数调优HMM模型的训练过程中,需要进行参数的调优。
参数调优可以通过交叉验证等方法来实现,以找到最优的参数组合。
隐马尔科夫模型在游戏开发中的应用实例(Ⅱ)

隐马尔科夫模型(Hidden Markov Model,HMM)是一种统计模型,被广泛应用于语音识别、自然语言处理、生物信息学等领域。
然而,隐马尔科夫模型在游戏开发中也有着重要的应用。
本文将通过具体的案例来探讨隐马尔科夫模型在游戏开发中的应用实例。
首先,让我们来看一个简单的游戏场景。
假设我们有一个角色,可以在一个三维空间中移动。
角色的移动轨迹受到多种因素的影响,比如玩家的操作、地形的起伏等。
我们希望设计一个模型来预测角色的下一步行动,以提高游戏的交互性和趣味性。
在这个场景中,隐马尔科夫模型可以派上用场。
我们可以将角色的移动轨迹看作是一个隐藏的马尔科夫链,而玩家的操作和地形的起伏则是观测状态。
通过收集大量的游戏数据,我们可以利用隐马尔科夫模型来学习角色移动的概率分布,从而预测角色的下一步行动。
这样一来,游戏角色的行为会更加智能和自然,增强了游戏的可玩性。
除了角色移动的预测,隐马尔科夫模型还可以应用于游戏中的故事情节生成。
在许多角色扮演游戏中,玩家的选择会影响游戏的剧情走向。
我们可以将不同的剧情走向看作是隐藏的状态,而玩家的选择则是观测状态。
通过构建隐马尔科夫模型,我们可以根据玩家的选择来生成不同的剧情情节,使得游戏的故事更加丰富和多样化。
另外,隐马尔科夫模型还可以应用于游戏中的敌人行为模式识别。
在很多游戏中,敌人的行为模式是非常重要的。
比如,在射击游戏中,敌人可能会采取不同的策略来躲避玩家的攻击。
我们可以利用隐马尔科夫模型来学习敌人不同行为模式的概率分布,从而使得游戏的敌人更加智能和具有挑战性。
此外,隐马尔科夫模型还可以应用于游戏中的音频识别。
在一些音乐游戏中,玩家需要根据音乐的节奏来进行操作。
我们可以利用隐马尔科夫模型来识别音乐的节奏和节拍,从而实现音乐与游戏操作的紧密结合,提高游戏的娱乐性和互动性。
总之,隐马尔科夫模型在游戏开发中有着广泛的应用前景。
通过合理地利用隐马尔科夫模型,我们可以提高游戏的智能化、交互性和趣味性,为玩家带来更加丰富多彩的游戏体验。
如何使用隐马尔科夫模型进行时间序列预测(七)

隐马尔科夫模型(Hidden Markov Model, HMM)是一种常用于时间序列预测的统计模型。
它在许多领域都有广泛的应用,如语音识别、自然语言处理和生物信息学等。
本文将介绍隐马尔科夫模型的基本原理、应用和一些常见的优化方法。
## 隐马尔科夫模型基本原理隐马尔科夫模型是由两个部分组成的:一个隐藏的马尔科夫链和一个将隐藏状态映射到可观察数据的输出概率分布。
在这个模型中,隐藏的马尔科夫链决定了可观察数据的生成过程,而输出概率分布则描述了在给定隐藏状态下观察到某个数据的概率。
在隐马尔科夫模型中,时间序列数据被建模为一个由隐藏状态构成的马尔科夫链所生成的观测序列。
模型的目标是根据观测序列推断隐藏状态序列,从而实现时间序列的预测。
## 隐马尔科夫模型的应用隐马尔科夫模型在时间序列预测中有许多应用。
其中一个典型的应用是语音识别。
在语音识别中,输入的语音信号被建模为一个由隐藏的语音状态马尔科夫链所生成的声学特征序列。
通过训练模型,可以利用观测到的声学特征序列来推断最有可能的语音状态序列,从而实现语音识别。
另一个常见的应用是自然语言处理中的词性标注。
在词性标注中,输入的文本被建模为一个由隐藏的词性马尔科夫链所生成的词序列。
通过训练模型,可以利用观测到的词序列来推断最有可能的词性序列,从而实现词性标注。
除此之外,隐马尔科夫模型还被广泛应用于金融领域的时间序列预测,如股票价格预测和汇率预测等。
## 隐马尔科夫模型的优化方法隐马尔科夫模型的训练通常使用基于最大似然估计的Baum-Welch算法。
该算法通过迭代优化模型参数,使得观测数据的生成概率最大化。
另外,为了避免过拟合,通常还会使用正则化技术来对模型进行约束。
在预测阶段,通常会使用前向-后向算法来计算给定观测序列条件下隐藏状态序列的概率分布。
这个概率分布可以用来进行时间序列的预测。
另外,为了提高模型的预测准确性,还可以考虑使用集成学习技术来结合多个隐马尔科夫模型的预测结果,以减小预测误差。
马尔科夫模型

K -2 3 -3 -3 -3 -1 -3 -3 -3 -3 -1 -1 -3 -1 0 -1 0 -2 -1 -3 -2 -1
M 6 -2 -2 1 -2 -1 2 1 2 2 -1 -1 2 -2 -2 -1 -2 -3 -1 -2 -1 -1
F 0 -4 1 -1 1 -3 0 3 0 0 -3 -3 1 -3 -3 -3 -3 -4 -2 1 3 -3
F 0 -4 1 -1 1 -3 0 3 0 0 -3 -3 1 -3 -3 -3 -3 -4 -2 1 3 -3
P -3 -1 -4 -3 -4 -1 -3 -3 -3 -3 -1 -1 -3 -1 -1 -1
S -2 0 -3 -2 -3 1 -3 -2 -3 -3 1 1 -3 1 3 1
T -1 -1 -3 0 -3 0 -1 -1 -1 -1 0 0 -2 -1 0 0
Y -1 -2 2 -1 2 -2 -1 0 -1 -1 -2 -2 0 -3 -2 -2 -2 -3 -2 2 7 -2
V 1 -3 -3 4 -3 0 1 3 2 1 0 0 0 -1 -2 -1 -2 -4 0 -3 -1 0
0 0 -1 -2 -3 -2 6 -2 -4 -4 -1 -2 -2 -1 -1 -3 -3 -3 -3 -2 -2 -3 2 -2 -1 -1 0 -2 -2 -2
W -2 -3 12 -3 12 -3 -2 -2 -2 -2 -3 -3 7 -3 -3 -3
Y -1 -2 2 -1 2 -2 -1 0 -1 -1 -2 -2 0 -3 -2 -2 -2 -3 -2 2 7 -2
V 1 -3 -3 4 -3 0 1 3 2 1 0 0 0 -1 -2 -1 -2 -4 0 -3 -1 0
隐马尔可夫模型的步骤

隐马尔可夫模型的步骤
隐马尔可夫模型(HiddenMarkovModel)是一种描述序列数据的统计模型。
它的应用范围很广,例如语音识别、自然语言处理、生物信息学等领域。
下面是隐马尔可夫模型的步骤:
1. 确定模型参数:隐马尔可夫模型包括状态转移概率矩阵A、发射概率矩阵B和初始状态概率向量π。
这些参数需要通过训练数据进行估计。
2. 确定观测序列:观测序列是模型要处理的数据,通常用符号序列表示,例如语音信号的频率、文本中的单词等。
3. 定义状态空间:状态空间是指模型中所有可能的状态的集合。
每个状态都对应着一个观测值或一组观测值。
4. 确定状态转移概率矩阵A:状态转移概率矩阵A描述了模型中状态之间的转移概率。
对于每个状态,它可以转移到自身或其他状态。
通过训练数据,可以估计出不同状态之间的转移概率。
5. 确定发射概率矩阵B:发射概率矩阵B描述了模型中每个状态产生观测值的概率。
对于每个状态,它可以产生不同的观测值。
通过训练数据,可以估计出每个状态产生不同观测值的概率。
6. 确定初始状态概率向量π:初始状态概率向量π表示模型开始时处于不同状态的概率。
通过训练数据,可以估计出模型开始时处于不同状态的概率。
7. 应用模型:在得到模型参数后,可以用隐马尔可夫模型进行预测。
给定一个观测序列,可以通过模型计算出最可能的状态序列。
这可以用于语音识别、手写识别、自然语言处理等领域。
以上是隐马尔可夫模型的步骤,通过这些步骤可以建立一个可以处理序列数据的统计模型,并应用于不同领域的实际问题中。
二阶隐马尔科夫模型的原理与实现

二阶隐马尔科夫模型的原理与实现1. 引言1.1 引言隐马尔科夫模型(Hidden Markov Model, HMM)是一种常用的统计模型,用于描述一个具有隐藏状态的马尔科夫过程。
隐马尔科夫模型在许多领域都有广泛的应用,如语音识别、自然语言处理、生物信息学等。
在传统的隐马尔科夫模型中,状态之间的转移概率和观测值的生成概率都是一阶的,即只依赖于当前时刻的状态。
在某些情况下,一阶隐马尔科夫模型可能无法很好地描述系统的动态特性,这时就需要使用更高阶的隐马尔科夫模型来进行建模。
本文将介绍二阶隐马尔科夫模型的定义、原理以及实现方法。
我们将详细解释二阶隐马尔科夫模型是如何定义的,包括状态空间、观测空间、初始状态分布、状态转移概率和观测概率。
然后,我们将介绍二阶隐马尔科夫模型的原理,包括如何利用前后两个时刻的状态来进行模型的预测和学习。
接着,我们将介绍二阶隐马尔科夫模型的实现方法,包括如何通过算法来对模型进行训练和预测。
我们将讨论如何利用训练好的二阶隐马尔科夫模型进行预测和实际应用。
通过本文的学习,读者将了解二阶隐马尔科夫模型的基本概念以及如何应用于实际问题中。
希望本文能够帮助读者更深入地理解隐马尔科夫模型,并为他们在相关领域的研究和应用提供参考。
2. 正文2.1 二阶隐马尔科夫模型的定义二阶隐马尔科夫模型是一种隐马尔科夫模型的扩展,它具有更复杂的状态转移和观测之间的关系。
在二阶隐马尔科夫模型中,隐藏状态和观测都可以是离散的,而且隐藏状态和观测之间的转移概率和发射概率都是二阶的,即考虑了上一个时刻的隐藏状态或观测的影响。
具体来说,二阶隐马尔科夫模型可以用以下几个要素来描述:1. 状态集合:包括隐藏状态和观测状态两部分,分别用S和O表示。
2. 初始概率分布:描述隐藏状态的初始概率分布,即在时间步0时每个隐藏状态的出现概率。
3. 状态转移概率矩阵:描述隐藏状态之间的转移概率。
4. 观测概率矩阵:描述从隐藏状态到观测状态的发射概率。
隐马尔可夫模型HiddenMarkovmodel

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马尔科夫链
• 时间和状态都离散的马尔科夫过程称为马尔科夫 链
• 记作{Xn = X(n), n = 0,1,2,…} – 在时间集T1 = {0,1,2,…}上对离散状态的过程相 继观察的结果
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向前算法及向后算法
向前算法及向后算法主要解决评估问题,即用来 计算给定一个观测值序列O以及一个模型λ时,由 模型λ产生出观测值序列O的概率 。
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向前算法
向前变量
它的含义是,给定模型λ ,时刻t。处在状态i,并且部分
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3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
内容框架
1 隐马尔科夫模型的由来
2 隐马尔科夫模型的基本理论及实例 3 隐马尔科夫模型的三个基本算法 4 隐马尔科夫模型的应用
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隐马尔可夫模型的基本理论
马尔可夫性
马尔可夫 过程
马尔可夫链
隐马尔可夫模型
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根据以上结论可进行模型估算,反复迭代,直至参数收敛。
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内容框架
1 隐马尔科夫模型的由来
2 隐马尔科夫模型的基本理论及实例 3 隐马尔科夫模型的三个基本算法 4 隐马尔科夫模型的应用
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隐马尔科夫模型的应用
隐马尔可夫模型的理论和应用

隐马尔可夫模型的理论和应用一、引言隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model,HMM)是一种基于概率的统计模型,广泛应用于语音识别、自然语言处理、生物信息学等各个领域。
本文将从理论和应用两个方面来介绍隐马尔可夫模型。
二、理论1. 概念隐马尔可夫模型是一种Markov模型的扩展,用于描述随时间变化的隐含状态的过程。
例如,在讲话时,说话人的情绪状态是无法观测到的,但它却会直接影响语音信号的产生。
2. 基本原理隐马尔可夫模型由三个基本部分组成:状态、观察、转移概率。
其中,状态是指模型中的隐藏状态,观察是指通过某种手段能够观测到的变量,转移概率是指从一个状态转移到另一个状态的概率。
隐马尔可夫模型可以用一个有向图表示,其中节点表示状态,边表示转移概率,而每个节点和边的权重对应了状态和观察的概率分布。
3. 基本假设HMM假设当前状态只与前一状态有关,即满足马尔可夫假设,也就是说,当前的状态只由前一个状态转移而来,与其他状态或之前的观察无关。
4. 前向算法前向算法是HMM求解的重要方法之一。
它可以用来计算给定观测序列的概率,并生成最有可能的隐含状态序列。
前向算法思路如下:首先,确定初始概率;其次,计算确定状态下观察序列的概率;然后,根据前一步计算结果和转移概率,计算当前时刻每个状态的概率。
5. 后向算法后向算法是另一种HMM求解方法。
它与前向算法类似,只是计算的是所给定时刻之后的观察序列生成可能的隐含状态序列在该时刻的概率。
后向算法思路如下:首先,确定初始概率;然后,计算当前时刻之后的所有观察序列生成可能性的概率;最后,根据观察序列,逆向计算出当前时刻每个状态的概率。
三、应用1. 语音识别语音识别是HMM最常见的应用之一。
在语音识别中,输入的语音信号被转换为离散的符号序列,称为观察序列。
然后HMM模型被用于识别最有可能的文本转录或声学事件,如说话人的情绪状态。
2. 自然语言处理在自然语言处理中,HMM被用于识别和分类自然语言的语法、词形和词义。
隐马尔可夫模型三个基本问题及算法

隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model, HMM)是一种用来对时序数据进行建模的概率图模型。
它在信号处理、语音识别、自然语言处理等领域被广泛应用,具有重要的理论和实际意义。
隐马尔可夫模型包括三个基本问题及相应的算法,分别是概率计算问题、学习问题和预测问题。
接下来我们将针对这三个问题展开详细探讨。
### 1.概率计算问题概率计算问题是指给定隐马尔可夫模型λ=(A, B, π)和观测序列O={o1, o2, ..., oT},计算在模型λ下观测序列O出现的概率P(O|λ)。
为了解决这个问题,可以使用前向传播算法。
前向传播算法通过递推计算前向概率αt(i)来求解观测序列O出现的概率。
具体来说,前向概率αt(i)表示在时刻t状态为i且观测到o1, o2, ..., ot的概率。
通过动态规划的思想,可以高效地计算出观测序列O出现的概率P(O|λ)。
### 2.学习问题学习问题是指已知观测序列O={o1, o2, ..., oT},估计隐马尔可夫模型λ=(A, B, π)的参数。
为了解决这个问题,可以使用Baum-Welch算法,也称为EM算法。
Baum-Welch算法通过迭代更新模型参数A、B和π,使得观测序列O出现的概率P(O|λ)最大化。
这一过程涉及到E步和M步,通过不断迭代更新模型参数,最终可以得到最优的隐马尔可夫模型。
### 3.预测问题预测问题是指给定隐马尔可夫模型λ=(A, B, π)和观测序列O={o1,o2, ..., oT},求解最有可能产生观测序列O的状态序列I={i1, i2, ..., iT}。
为了解决这个问题,可以使用维特比算法。
维特比算法通过动态规划的方式递推计算最优路径,得到最有可能产生观测序列O的状态序列I。
该算法在实际应用中具有高效性和准确性。
在实际应用中,隐马尔可夫模型的三个基本问题及相应的算法给我们提供了强大的建模和分析工具。
通过概率计算问题,我们可以计算出观测序列出现的概率;通过学习问题,我们可以从观测序列学习到模型的参数;通过预测问题,我们可以预测出最有可能的状态序列。
隐马尔可夫模型HiddenMarkovmodel

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隐马尔可夫模型(HMM)的由来
1870年,俄国有机化学家Vladimir V. Markovnikov 第一次提出Markov Model(MM)
Baum 及他的同事于60年代末70年代初提出隐马尔 可夫理论,并用于语音识别
80年代末90年代初HMM被用于计算生物学 目前已成功用于人脸识别、手写识别领域
根据以上结论可进行模型估算,反复迭代,直至参数收敛。
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内容框架
1 隐马尔科夫模型的由来
2 隐马尔科夫模型的基本理论及实例 3 隐马尔科夫模型的三个基本算法 4 隐马尔科夫模型的应用
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隐马尔科夫模型的应用
隐马尔科夫模型
通俗的说,就是在已经知道过程“现在”的条 件下,其“将来”不依赖于“过去”。
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马尔科夫链
• 时间和状态都离散的马尔科夫过程称为马尔科夫 链
• 记作{Xn = X(n), n = 0,1,2,…} – 在时间集T1 = {0,1,2,…}上对离散状态的过程相 继观察的结果
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书面语理解上的应用
在词性标注方面, 采用隐马尔可夫模型的标注方法具有很 强的健壮性, 是当前主流的标注方法。
词性标注就是在给定的句子中判定每个词的语法范畴, 确 定词性并加以标注的过程, 它发生在对文本执行分词处理 之后, 是对切分所得的词进行分析、运算,确定词在上下文 中合适的词类性质并加以标注的过程。
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生物学基因预测上的应用
隐马尔可夫模型

使用HMM解决的问题 解决的问题 使用
已知模型λ和输出序列 测评问题 Evaluation :已知模型 和输出序列 , 已知模型 和输出序列O, 求由λ生成 的概率 求由 生成O的概率 生成 已知模型λ和输出序列 和输出序列O, 译解问题 Decoding : 已知模型 和输出序列 ,求 最有可能生成O的状态转移序列 最有可能生成 的状态转移序列 学习问题 Learning : 已知模型λ和输出序列 ,求 已知模型 和输出序列O, 和输出序列 最有可能生成O 最有可能生成O的模型的参数
起始
—
0.05 0 0.015
结束
0.46 0.06
0.5
0.06
0.06 0.49
0.73 1
0.49
0.46
0.01
0.48
c
0.015 0.015
y
0.46 0.7 0.3 0.015
0.05 0.23
0.015
0.4
C
0.97
C
0.97
Y
Viterbi 算法中的矩阵
I0 A C C Y 0.12 0 0 0 I1 0 0.015 0 0 M1 0 0.046 0 0 I2 0 0 0 0 M2 0 0 0.485 0 I3 0 0 0 M3 0 0 0
Viterbi算法用了一个矩阵,矩阵的行由序列中的氨基 算法用了一个矩阵, 算法用了一个矩阵 酸残基组成,列由模型中的状态组成。 酸残基组成,列由模型中的状态组成。
HMM可由多条路径产生序列 可由多条路径产生序列ACCY 可由多条路径产生序列
0.3 0.3 0.4 0.5 0.48 0.48 0.27
1 0.8 0.2 — — — — —
2 0.6 0.4 — — — — —
隐马尔可夫模型的基本用法

隐马尔可夫模型的基本用法隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model,HMM)是一种统计模型,常用于对有序的序列数据进行建模和预测。
HMM模型通过描述序列中的状态转移概率和观测概率,可以进行状态的预测、序列的生成以及序列的解码等任务。
在自然语言处理、语音识别、生物信息学等领域广泛应用。
HMM模型由三个基本组成部分构成:状态集合、转移概率矩阵和观测概率矩阵。
1.状态集合:HMM模型描述了一系列可能的状态,每个状态代表了待预测的事件或观测。
2.转移概率矩阵:表示从一个状态转移到另一个状态的概率,此概率只与当前状态有关,与前面的状态无关。
3.观测概率矩阵:表示在一些特定状态下得到不同观测的概率。
HMM模型利用这些参数对给定的观测序列进行预测和学习。
1. 序列预测:HMM模型可以利用观测序列预测对应的状态序列。
通过给定初始状态和观测概率矩阵,可以计算每个状态的概率,并基于这些状态概率进行状态的选择。
这个过程类似于Viterbi算法,它可以找到最有可能的状态序列作为预测结果,从而能够对未知序列进行分类、标注等任务。
2.序列生成:HMM模型可以利用转移概率矩阵和观测概率矩阵,根据给定的状态序列生成对应的观测序列。
这个过程类似于HMM的正向算法,通过计算观测序列的概率,并根据概率生成对应的观测序列。
这个功能在自然语言生成、音乐生成等应用中比较常见。
3.模型学习:HMM模型可以通过训练数据学习参数,使其可以适应更多的数据和任务。
通过观测集合和已知的状态,可以通过极大似然估计等方法来估计转移概率矩阵和观测概率矩阵。
利用这些估计的参数,可以对新的观测序列进行预测和生成。
4.解码问题:HMM模型可以通过解码问题来确定最有可能的状态序列。
通过给定观测序列和模型参数,可以计算给定观测序列的概率,并基于概率来选择最有可能的状态序列。
这个过程类似于HMM的后向算法,通过计算对应状态的概率,可以找到最有可能的状态序列。
HIDDEN MARKOV MODELS AND VECTOR QUANTIZATION FOR MOBILE ROBOT LOCALIZATION

HIDDEN MARKOV MODELS AND VECTOR QUANTIZATION FOR MOBILEROBOT LOCALIZATIONJes´u s Savage,Edna Marquez,Fernando Lepe-Casillas Biorobotics Laboratory,Department of Electrical EngineeringUniversity of Mexico,UNAMemail:savage@servidor.unam.mxMarco A.Morales A.Parasol Laboratory,Department of Computer ScienceTexas A&M Universityemail:marcom@ABSTRACTThis paper describes a localization system for a mo-bile robot equipped with sonars.The function of this lo-calization system is the estimation of the region where the robot is located.Due to errors in the movement of the robot and errors in the sensors that detect them,after sev-eral movements,the real position of the robot needs to be estimated.In this paper it is shown that an estimation of the region where the robot is located can be found using only quantized sonar readings combined with Hidden Markov Models and the Viterbi algorithm.KEY WORDSKeywords:Localization of mobile robots,Hidden Markov Models,Viterbi Algorithm.1IntroductionLocalization consists of estimating the position of a robot within its environment given a map and sensor data.Local-ization is required for robots to navigate in their environ-ment while performing tasks.Both maps and sensors are vulnerable to uncertainties.Localization models that deal with uncertain information are needed for robot navigation.Several approaches use Markov Models for naviga-tion[1].In some cases the nodes of topological networks modeling the environment represent the states of a Markov model[2].Partially observable Markov decision process models(POMDPs),proposed by Sven Koening and Red Simmons[3],explicitly account for the uncertainties in ac-tuation,sensing and interpretation of sensor data.They integrate topological information and approximate metric information to determine pose.In this work,a Hidden Markov Model(HMM)is ap-plied tofind an estimate of the region where a robot is lo-cated.The model applied only uses quantized sonar read-ings and the Viterbi algorithm without using dead reckon-ing.The ViRbot system[4],a testbed for mobile robot ap-plications,was used for the implementation of this model. In the following sections we describe the localization com-ponent of the cartographer module of the ViRbot.2CartographerThe ViRbot system[4]divides the operation of a mobile robot in several layers(See Fig.1).Each layer has a spe-cific function to contribute to the behavior of therobot.Figure1.The ViRbot System.The cartographer represents the workspace of the robot through raw data and a symbolic and a topological model.Fig.2shows a symbolic and a topological repre-sentation of an environment.The cartographer is responsible for estimating the lo-cation of the robot.Specifically,it determines the region where the robot is located.The real position of the robotFigure2.Symbolic representation of an environment and its connectivity network.x,y,θcan not be estimated accurately only using dead reckoning because errors in the motions of the robot and er-rors in the sensors that measure these motions accumulate after several movements.The localization submodule es-timates the region where the robot is located using sonars, Hidden Markov Models and the Viterbi algorithm.Fig.3 shows a path from region1to2,it goes through regions4,7 and6,the triangles represent the regions’centroids.For this work the regions of the environment are given a priori[5].Figure3.A path from region1to22.1Hidden Markov ModelsHidden Markov Models(HHMs)have been extensively used to model different types of systems,such as speech recognition[7]and telecommunications.An HMM is a tworandom variable process,(X,O),where X=x j⊂R2 is hidden,and O=k∈N is observable[6].The hidden random variable X represents the states of the system.Transitions connect the states of the model. In mobile robot navigation each state is a node in the con-nectivity network of the environment.Each node in this connectivity network represents the centroid of a region in R2.The observable random variable O represents a pos-sible set of sensor readings grouped through vector quan-tization.Thus,O is the index k of the vector C k∈R m that best represents a vector of sensor readings S= [r1,r2,...,r m]from a set of vectors C i;i=1,...,L.The index k,referred also as a symbol,is obtained by quantiz-ing the vector S as explained later.In an HMM each state has two sets of probabilities: The output probabilities and the transition probabilities.An output probability provides the conditional proba-bility that a symbol k is generated from afinite set of sym-bols when the HMM is in a particular state or region.The symbol k is the index of a vector quantizer with L elements, thus there are L possible observation vectors.Index k cor-responds to the centroid C k in the quantizer that bestfits the sensor readings.At time t,the probability of emitting sym-bol k(O t=k)given that the system is in state i(X t=i) isb i(k)=p(O t=k|X t=i),Then the set of conditional probability distributions of the observed symbols is B={b i(k);1<=i<=N,1<= k<=L}.A transition probability defines the probability of go-ing from a particular state to another state or to itself.Let a ij be the probability of taking a transition from state i to state j.a ij=p(X t+1=j|X t=i).Then,the probability distribution of state-transitions is A={a ij;1<=i,j<=N}.Also,the initial state isπi=P[x1=X i],1<i<NThen the probability distribution of the initial state is P={πi;1<=i<=N}.In afirst order Hidden Markov Model,it is assumed that the state of the Markov Model at time t+1only de-pends on the present state X at time t and not on the past states.P (X t +1=x t +1|x i ,...,x t )=P (X t +1=x t +1|x t ).Another first order assumption is that a symbol emis-sion depends only on the present state at time t ,and not in the past states or emitted observations.P (O t =o t |o i ,...,o t −1,x i ,...,x t −1,x t )=P (O t =o t |x t ).2.2Vector QuantizationVector Quantization (VQ)techniques [8]have been exten-sively used for data compression in digital signal process-ing and telecommunications.For mobile robot applica-tions,VQs are also used for data compression and to find representations of sensor values.Given a set of N v vectors,S j =[r 1,r 2,...,r m ];j =1,...,N v that represent sonar readings (see Fig.4),a set of centroids which represent the vectors is found.The r 1,r 2,...,r m represent the distance from the sonars to the objects in line ofsight.Figure 4.Three sonar readings,S 1,S 2,S 3,showing dis-tances to the objects in line of sight.A collection of centroids is called a codebook.The codebook is designed from a long training sequence that is representative of all sonar readings S j to be encoded by the system.For codebook creation,the Linde-Buzo-Gray (LBG)algorithm is used [8],it is based on the generalized Lloyd Algorithm [9].The LBG algorithm is as follows:1.Find an initial codebook D 1,with one centroid C 1,by averaging all the sonar vectors S j ,with L =1and m =1.2.Modify each of the centroids C i ;i =1,...,L m in D m by adding them a vector ±ψof small magnitude to generate 2new centroids from each of them,generating a new codebook D m +1,and L m +1=2∗L m ,m =m +1.3.Given a codebook D m =C i ;i =1,...,L m as-sign each vector S j into the clusters R k whose centroid C k is closer to S j according to some distortion measure d (S j ,C k ).4.Recompute the centroids C k for each of the clus-ters,R k ,by averaging all the sonar vectors S j that belong to R k .5.If the average distortion of D m is bigger than a certain ,go to 3.6.If L m <codebook size go to 2.Where codebook size is the number of symbols of the observations O .It is limited by the time of computation for real time operation.Then,in order to encode a new sonar vector S with the VQ,S is compared with each of the stored vectors C i .The vector C b that best represents S j according to an Euclidean distortion measure d is identi fied.(d (S j ,C b )=min (d (S j ,C i )),i =1,...,codebook size.2.3Discrete Hidden Markov Models For Sonar ReadingsEach environment where the robot navigates is represented by a Markov model λ(A,B,π),with N states and L ob-servation symbols.In Fig.5we can see the HMM for the environment whose topological representation is in Fig.2.We can see that this HMM is generated from the connec-tivity network of the environment.The probabilities of the Markov model are found during training.First we find,for each path that the robot takes,the observationsFigure5.HMM generated from the connectivity network in Fig.2.o k(t1),o k(t2),...,o k(t i),...,o k(t T),Observation o k(t i) corresponds to the vector of quantization that bestfit each of the sonar readings at t i in the k-th repetition.For each sonar reading we have L possible observa-tions that correspond to the L centroid vectors of the quan-tizer.This quantizer was created using sonar data during several paths that the robot followed.With the set of observations an estimation of the pa-rameters of the HMM,(A,B andπ)was found for each en-vironment using averages.2.4Localization of the Robot Using DiscreteHidden Markov ModelsAn HMM is applied to recognize the region where the robot is located.First,the vector of sonar readings is encoded through a vector quantizer of256vectors.This quantizer gives a set of observationso(t1),o(t2),...,o(t i),...,o(t T),that correspond to the VQ vectors that bestfit the sonar vector at the time t i during its path.Then,the observation vector is processed with the Viterbi algorithm[10]tofind the hidden variables,the states(regions).This algorithmfinds the most likely se-quence of states in the connectivity network of the envi-ronment given a sequence of quantized sonar observations taken by the robot,and thus the most likely sequence of regions that the robot follows during its path.The Viterbi algorithm is as follows[4]:Given a HHM modelλ(A,B,π)with N states and L observation symbols,and an observation sequence O= o1,o2,...,o T,the following expression gives the highest path probability to reach state i at time t:δt(i)=max X1...X t−1P[X1...X t−1,X t=i,o1...o t|λ].In order to retrieve the state sequence,for each t and X t=j is necessary to keep track of the argument which maximizes the previous expression with the arrayψt(j)de-fined in(2)and(4).Thus the procedure is as follows:2.1)Initialization:δ1(i)=πi b i(o1),1<i<N,(1)ψt(i)=o,2.2)Recursion:δt(i)=max1<i<N[δt−1(i)a ij]b j(o t),(2)2<t<T,1<j<N,ψt(j)=argmax1<i<N[δt−1(i)aij],(3)2<t<T,1<j<N.2.3)Termination:P∗=max1<i<N[δT(i)],(4)x∗T=argmax1<i<N[δT(i)].(5)2.4)State sequence backtracking:x∗t=ψt+1(q∗t+1),(6)t=T−1,T−2, (1)Fig.6shows the overall system to estimate the re-gions where the robot is located using the sonar vector quantizer and the Viterbialgorithm.Figure6.Sonar Vector Quantizer and the Viterbi AlgorithmFigure7.ViRbot simulation module.3ResultsWe tested the algorithm using the ViRbot simulation mod-ule in which sonar readings can be simulated,Fig.7showsthe3D simulator.The simulatorfinds the distance from the robot to theobstacles in front of the sonars,adding noise to the values if selected.The virtual mobile robot has16sonars arranged in a ring,with22.5degrees of separation between them.The algorithm was tested in two environments,the first one with eight regions,shown in Fig.2,and the secondwith sixteen regions,shown in Fig.8.Figure8.Testing Environment.The robot was put in any of the regions of each envi-ronment.From its position,it followed a path that consists of a small square of one meter,in each of the corners ofthe square it took8sonar readings rotating45degrees be-tween each reading.Each vector[r1,r2,...,r m]consisted of16values coming from each of the sensors.Then,withthe32vectors obtained,their corresponding symbols where found using the vector quantizer.With these symbols the most likely path was found(the regions)using the Viterbi algorithm.We found that95%of the times the algorithm found the region where the robot was using only sonar readings. 4DiscussionWe proposed a method to estimate the region where a robot is located by using only quantized sonars readings com-bined with Hidden Markov Models and the Viterbi ing quantized sonar reading without using dead reckoning,this technique was able to estimate the region where the robot was located.The next approach is to use a real mobile robot with its sonars to test this algorithm and to increase the number of regions,that is the accuracy of the estimated position.References[1]T.L.Dean,K.Basye,R.Chekaluk,S.Hyun,M.Lejterand M.Randazza,Coping with Uncertainty in a Con-trol System for Navigation and Exploration.Proceed-ings of the Eigth National Conference on Artificial In-telligence,1010-1015,1990.[2]I.Nourbakhsh,Illah,R.Powers and S.Birchfiels,Dervish:An Office-Navigating Robot.AI Magasine 16(2):53-60,1995.[3]S.Koening,R.Goodwin and R.Simmons.Robot Nav-igation with Markov Models:A Framework for Path Planning and Learning with Limited Computational Resources.Reasoning with Uncertainty in Robotics, V olume10931,322-337,Springer-Verlag,1996. [4]J.Savage,M.Billinhurst,A.Holden The VirBot:a vir-tual reality robot driven with multimodal commands.Expert Systems with Applications15,413-419,Perga-mon Press,1998.[5]J.Savage,W.Schaarschmidt,E.Marquez.FindingConnectivity Networks Using Vector Quantization for Mobile Robots Navegation,Technical Report#060403, Biorobotics Laboratory,UNAM,2003.[6]L.Rabiner A Tutorial on Hidden Markov Models andSelected Applications in Speech Recognition.Readings in Speech Recognition,Morgan Kaufmann Publishers, 267-296,1990.[7]Kai-Fu Lee Context-Dependent Phonetic HiddenMarkov Models for Speaker-Independent Continuous Speech Recognition.IEEE Transactions on Acoustic, Speech and Signal Processing,April,1990.[8]Y.Linde,A.Buzo,and R.M.Gray,An Algorithm forVector Quantizer Design.IEEE Transactions on Com-munications,84-95,1980[9]S.P.Lloyd,Least Squares Quantization in PCM.IEEETransactions on Information Theory,IT-28:127-135, 1982.[10]A.Viterbi,Error Bounds for Convolutional Codesand an Asymptotically Optimum Decoding Algorithm.IEEE Transactions on Information Theory13(2),260-269,1967.。
隐马尔科夫模型在生物信息学中的应用(六)

隐马尔科夫模型(Hidden Markov Model,HMM)是一种统计模型,广泛应用于语音识别、自然语言处理、生物信息学等领域。
在生物信息学中,隐马尔科夫模型被用来分析DNA、RNA和蛋白质序列,预测基因位置,进行序列比对等。
本文将探讨隐马尔科夫模型在生物信息学中的应用,以及其在基因组学、蛋白质组学和结构生物学等领域的重要性。
基因组学中的应用在基因组学研究中,隐马尔科夫模型被广泛用于预测基因的位置和结构。
基因是生物体内负责编码蛋白质的DNA片段,准确预测基因的位置对于理解生物体的功能和进化具有重要意义。
隐马尔科夫模型通过对DNA序列的统计分析,能够识别出具有生物学功能的序列片段,并推断出其中的基因区域。
这种基于统计模型的方法能够较准确地预测基因的位置,为基因组学研究提供了重要的工具和方法。
蛋白质组学中的应用隐马尔科夫模型在蛋白质组学中也发挥着重要作用。
蛋白质是生物体内功能最为丰富的大分子,对于细胞的结构和功能起着关键作用。
隐马尔科夫模型可以用来对蛋白质序列进行分析和分类,识别蛋白质的功能域和结构域。
通过对蛋白质序列的模式识别,隐马尔科夫模型能够帮助研究人员理解蛋白质的功能和结构,为蛋白质组学研究提供了重要的工具和方法。
序列比对中的应用在生物信息学中,序列比对是一项重要的任务,用于比较不同生物序列之间的相似性和差异性。
隐马尔科夫模型可以用来进行序列比对,识别出序列之间的共同模式和变异模式,帮助研究人员理解生物序列之间的关系和演化历史。
通过对序列比对结果的分析,研究人员可以揭示生物体内不同基因和蛋白质之间的功能联系和进化关系,为生物学研究提供重要的线索和信息。
结构生物学中的应用在结构生物学研究中,隐马尔科夫模型也有着重要的应用。
蛋白质的结构对其功能具有重要影响,而理解蛋白质的结构是结构生物学研究的核心任务之一。
隐马尔科夫模型可以用来预测蛋白质的结构域和拓扑结构,帮助研究人员理解蛋白质的结构和功能。
如何利用隐马尔科夫模型进行情感识别(六)

隐马尔科夫模型(Hidden Markov Model, HMM)是一种在语音识别、自然语言处理和情感识别等领域广泛应用的统计模型。
隐马尔科夫模型的核心思想是通过观察序列推断隐藏状态序列,从而对系统进行建模和分析。
在情感识别中,利用隐马尔科夫模型可以有效地识别文本或语音中的情感色彩,有助于分析用户的情感状态和情感倾向,为情感智能计算和人机交互等应用提供支持。
一、隐马尔科夫模型概述隐马尔科夫模型是一种描述动态系统的概率模型,由隐藏状态序列和观察序列组成。
隐藏状态序列表示系统内部的状态变化,而观察序列则是由隐藏状态序列生成的可观测数据。
在情感识别中,隐藏状态可以表示不同的情感状态,观察序列则可以是文本、语音或者图像等形式的输入数据。
通过建立隐藏状态与观察序列之间的概率关系,隐马尔科夫模型可以对情感识别进行建模和推断。
二、情感识别的隐马尔科夫模型应用在情感识别任务中,隐马尔科夫模型通常用于对文本或语音数据中的情感信息进行分析和识别。
通过训练模型,可以学习到不同情感状态之间的转移概率和观察序列对应情感状态的概率分布,从而实现情感识别任务。
例如,对于文本数据,可以将每个词语作为观察序列,然后利用隐马尔科夫模型来识别文本中的情感色彩。
对于语音数据,可以将语音信号的特征作为观察序列,然后利用隐马尔科夫模型来识别语音中的情感倾向。
三、情感识别的隐马尔科夫模型训练在利用隐马尔科夫模型进行情感识别时,首先需要进行模型的训练。
训练过程包括两个关键步骤:参数初始化和模型学习。
参数初始化是指初始化隐藏状态转移矩阵和观察状态发射矩阵的概率分布,通常可以采用随机初始化或者基于先验知识的初始化方法。
模型学习是指通过观察序列来调整模型参数,通常可以采用Baum-Welch算法等EM算法的变种进行参数学习。
在模型训练完成后,就可以利用训练好的隐马尔科夫模型对新的数据进行情感识别。
四、情感识别的隐马尔科夫模型推断在利用隐马尔科夫模型进行情感识别时,需要进行推断过程来确定观察序列对应的最可能隐藏状态序列。
隐马尔科夫模型在医疗诊断预测中的使用技巧(五)

隐马尔科夫模型在医疗诊断预测中的使用技巧隐马尔科夫模型(Hidden Markov Model, HMM)是一种用于建模时间序列数据的概率图模型。
它在医疗领域的应用日益广泛,尤其在疾病诊断和预测方面发挥着重要作用。
本文将从隐马尔科夫模型的基本原理、在医疗诊断预测中的应用技巧以及未来发展方向等方面进行探讨。
隐马尔科夫模型的基本原理隐马尔科夫模型是由马尔科夫链和观测序列组成的,其中马尔科夫链是一种状态转移模型,观测序列是由隐藏的状态序列生成的可观测的数据序列。
在医疗领域,隐马尔科夫模型可以用来描述疾病的发展过程和临床表现。
隐马尔科夫模型在医疗诊断预测中的应用技巧1. 数据预处理在应用隐马尔科夫模型进行医疗诊断预测时,首先需要对原始数据进行预处理。
这包括数据清洗、特征提取、数据归一化等步骤。
通过数据预处理,可以提高模型的准确性和鲁棒性。
2. 模型训练隐马尔科夫模型的训练通常使用期望最大化(Expectation-Maximization, EM)算法。
在医疗领域,可以利用已有的患者病历数据对模型进行训练,学习疾病的发展规律和临床特征。
3. 特征选择在构建隐马尔科夫模型时,需要选择合适的特征用于描述疾病的发展过程和临床表现。
特征选择的好坏直接影响模型的性能。
在医疗诊断预测中,可以借助专家知识和特征选择算法进行特征筛选。
4. 参数调优隐马尔科夫模型包括状态转移概率矩阵和观测概率矩阵两部分。
在应用过程中,需要对这些参数进行调优,以提高模型的拟合度和预测准确性。
未来发展方向隐马尔科夫模型在医疗诊断预测中的应用具有广阔的前景。
未来,随着医疗大数据和人工智能技术的发展,隐马尔科夫模型将更加精准地应用于疾病的早期诊断、预后预测和治疗方案的个性化制定等方面。
同时,隐马尔科夫模型还可以与其他机器学习算法相结合,提高模型的预测能力和解释性。
总结隐马尔科夫模型在医疗诊断预测中具有重要的应用价值,但在实际应用中也存在一些挑战。
如何利用隐马尔科夫模型进行情感识别(四)

情感识别是自然语言处理领域的一项重要任务,它可以帮助我们理解文本背后的情感色彩,对于情感分析、舆情监控、产品推荐等应用具有重要的意义。
隐马尔科夫模型(Hidden Markov Model,HMM)是一种常用的用于序列建模的统计模型,它也可以应用于情感识别任务。
本文将介绍如何利用隐马尔科夫模型进行情感识别,从模型原理到实际应用,希望能为对情感识别感兴趣的读者提供一些参考和帮助。
隐马尔科夫模型是一种用于描述不可观测的隐含状态的动态系统的概率模型。
在情感识别任务中,我们可以将文本序列看作是观测序列,将情感状态看作是隐含状态。
隐马尔科夫模型可以帮助我们从观测序列中推断出最有可能的隐含状态序列,从而实现情感识别的目的。
首先,我们需要构建情感识别的语料库,包括标注了情感类别的文本数据。
这些文本数据可以是用户评论、新闻报道、社交媒体上的文本等。
接着,我们需要对文本进行预处理,包括分词、去除停用词、词性标注等。
这样可以将文本转化为词语序列,并且利用词性信息来帮助理解文本语义。
在构建隐马尔科夫模型时,我们需要定义情感状态集合、观测符号集合、状态转移概率矩阵、观测概率矩阵和初始状态概率分布。
情感状态集合可以包括积极、消极和中性等情感类别,观测符号集合可以包括文本中的词语或短语。
状态转移概率矩阵描述了情感状态之间的转移概率,观测概率矩阵描述了在每个情感状态下生成不同观测符号的概率,初始状态概率分布描述了模型开始时各个情感状态的概率分布。
在实际应用中,我们可以利用已标注的语料库来估计模型的参数,包括状态转移概率矩阵、观测概率矩阵和初始状态概率分布。
一种常用的方法是基于极大似然估计,通过统计语料库中的情感状态转移和观测符号出现的频率来估计模型参数。
除此之外,还可以利用一些文本特征工程的方法来增强模型的表达能力,比如词袋模型、词向量模型等。
当模型参数估计完成后,我们就可以利用隐马尔科夫模型进行情感识别了。
给定一个待识别的文本序列,我们可以利用维特比算法来寻找最有可能的情感状态序列。
隐马尔科夫模型在机器人技术中的使用技巧(四)

隐马尔科夫模型在机器人技术中的使用技巧隐马尔科夫模型(Hidden Markov Model, HMM)是一种用于建模时序数据的概率模型,它在机器人技术中有着广泛的应用。
本文将从HMM的基本原理、在机器人感知、决策和规划等方面的应用技巧进行探讨。
HMM的基本原理HMM是一种描述具有隐含未知参数的马尔科夫过程的统计模型。
它包含一个隐含的马尔科夫链,以及一个观察序列,其中的每个状态都对应一个观察结果。
HMM的基本原理是通过已观察的数据,来估计隐藏的马尔科夫链的状态转移概率和观察到特定结果的概率。
在机器人感知中的应用技巧在机器人感知中,HMM可以用来对环境进行建模和预测。
通过观察到的数据,机器人可以利用HMM来推断环境的隐含状态。
例如,在目标追踪中,机器人可以使用HMM来预测目标的运动轨迹,从而更好地进行路径规划和避障。
另外,HMM还可以用于语音识别和姿态估计等领域。
在语音识别中,HMM可以被用来对语音信号进行建模,从而识别出说话者的语音内容。
在姿态估计中,机器人可以通过观察到的传感器数据,利用HMM来推断出自身的姿态状态,从而更好地执行任务。
在机器人决策中的应用技巧在机器人决策中,HMM可以被用来对环境的不确定性进行建模。
通过观察到的数据,机器人可以利用HMM来推断环境的隐含状态,并据此进行决策。
例如,在自主导航中,机器人可以使用HMM来对环境进行建模,从而更好地规划路径和避障。
另外,HMM还可以用于行为识别和动作规划等领域。
在行为识别中,机器人可以通过观察到的传感器数据,利用HMM来识别出环境中的不同行为模式,从而更好地与环境进行交互。
在动作规划中,机器人可以利用HMM来对自身的动作进行建模和规划,从而更好地执行任务。
在机器人规划中的应用技巧在机器人规划中,HMM可以被用来对环境的不确定性进行建模。
通过观察到的数据,机器人可以利用HMM来推断环境的隐含状态,并据此进行路径规划和目标达成。
例如,在自主导航中,机器人可以使用HMM来对环境进行建模,从而更好地规划路径和避障。
隐马尔可夫模型HiddenMarkovmodel

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。
2019/11/12
知识管理与数据分析实验室
8
隐马尔科夫模型
• 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。
知识管理与数据分析实验室 数据挖掘技术专题
隐马尔可夫模型 Hidden Markov model
周潇
2019/11/12
知识管理与数据分析实验室
1
内容框架
1 隐马尔科夫模型的由来
2 隐马尔科夫模型的基本理论及实例 3 隐马尔科夫模型的三个基本算法 4 隐马尔科夫模型的应用
2019/11/12
知识管理与数据分析实验室
评估问题
给定观测序列 O=O1O2O3…Ot 和模型参数 λ=(A,B,π),怎样 有效计算某一观 测序列的概率。 此问题主要用向 前向后算法。
2019/11/12
解码问题
学习问题
给定观测序列 O=O1O2O3…Ot 和模型参数 λ=(A,B,π),怎样 寻找某种意义上 最优的隐状态序 列。此问题主要 用Viterbi算法。
知识管理与数据分析实验室
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向前算法及向后算法
向前算法及向后算法主要解决评估问题,即用来 计算给定一个观测值序列O以及一个模型λ时,由 模型λ产生出观测值序列O的概率 。
2019/11/12
知识管理与数据分析实验室
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COMBINING HIDDEN MARKOV MODELS AND PHONETIC TRIGRAMSIN A THAI SOUNDEX SYSTEMTassawut Duangpanyasawang and Boonserm KijsirikulMachine Intelligence and Knowledge Discovery LaboratoryDepartment of Computer Engineering,Chulalongkorn University,Bangkok 10330, THAILANDEmail: {tassawut, boonserm}@mind.cp.eng.chula.ac.thABSTRACTMost of previous methods on Thai soundex encoding are based on Odell and Russell’s algorithm. These methods still have limitations in grouping words of similar sound. To improve the accuracy of Thai soundex encoding, we propose a new method that combines a Hidden Markov Model (HMM) and phonetic trigrams. Our soundex code consists of three features, i.e. initial consonant sound, vowel sound, and final consonant sound. The HMM and phonetic trigrams are used as a soundex converter. First, the HMM generates all possible soundex codes, and then the answers are re-ranked by combining probabilities from phonetic trigrams with probabilities from the HMM. The experimental results show that our algorithm surpasses the previous works and gives the best performance with 95% and 84% in precision and recall, respectively.INTRODUCTIONSoundex is a technique for identifying words that have similar pronunciation, and is used in many applications such as word retrieval in census database[Green], spelling correction [Arunwong-Na-Ayuthaya, 1991; Tangkhawanwanich, 1991], cross-language retrieval [Suwanvisat & Prasitjutrakul, 1999], etc. For English, Odell and Russell’s algorithm provides a good result of grouping words based on their sounds. The algorithm translates a string into a canonical form of at most four characters by ignoring vowels and ‘w’, ‘h’, ‘y’ and converting the rests into a phonetic code consisting of the first letter and three decimal digits.For Thai soundex systems, there are two board classes of approaches: (1) a soundex converter using a nondeterministic finite automaton (NFA) [Karoonboonyanan, et al., 1997], and (2) soundex schemes based on Odell and Russell’s algorithm. The NFA soundex converter generates all possible pronunciations but does not provide probabilities for ranking them. For this reason, the NFA soundex converter is impractical in most applications, because it cannot select the most probable answer.Most of Thai soundex systems are based on Odell and Russell’s algorithm [Lohjeerachoonhakul & Khuwinpan, 1982; Udompanich, 1983; Arunwong-Na-Ayuthaya, 1991; Suwanvisat & Prasitjutrakul, 1999]. The works of [Lohjeerachoonhakul & Khuwinpan, 1982] and [Udompanich, 1983] are almost the same as the original Odell and Russell’s algorithm, i.e. they preserve the first character of the input word and convert the rest intodecimal digits by ignoring vowels. The works of [Arunwong-Na-Ayuthaya, 1991; Suwanvisat & Prasitjutrakul, 1999] proposed improved versions of Odell and Russell’s algorithm for Thaisoundex systems by encoding both consonants and vowels into a phonetic code, but thesesystems still did not perform quite well. The following are specific characteristics of Thai that are overlooked in previous works.(1) As soundex can be though of as a phonetic code of an input string, the smallest unitin the soundex code should encode each syllable of the input string. However, some Thaisoundex systems did not take this into account, i.e. they ignored vowels, and thus mayproduce the same code for different words despite the fact that the words contain different syllables. For example, the word ‘ ¸ª¦’[WßLÚZoQ@ having two syllables and the word ‘ ¦’[WßoÚQ@ composed of only one syllable are encoded into the same soundex code [Lohjeerachoonhakul & Khuwinpan, 1982; Udompanich, 1983]. Thai soundex systems, which consider both consonants and vowels, still face the problem of Thai syllables [Arunwong-Na-Ayuthaya,1991; Suwanvisat & Prasitjutrakul, 1999]. This is because usually a Thai string can be segmented into many different sequences of syllables, but the previous Thai soundex systems use only one sequence of syllables in the original form.(2) There are special vowel structures which give the same pronunciation but are encoded into different soundex codes, such as vowels in the words ‘Á µ’[NDX] and ‘ µª’[NDX] [Lohjeerachoonhakul & Khuwinpan, 1982; Arunwong-Na-Ayuthaya, 1991]. Generally, the sounds of vowels ‘Á µ’[−DX] and ‘µ’[-DÚ-] are different, but the combination of the vowel ‘µ’[-DÚ-] with a final consonant ‘ª’[-X] provides the same sound as that of the vowel ‘Á µ’[−DX].(3) There are many ambiguous pronunciation rules in Thai that cause low precision in the previous works. Vowels ‘Á’[-HÚ-],‘Â’ [-(Ú-],‘Å’ [-DL],‘Ä’[-DL],‘Ã’[-RÚ-] can provide more than one pronunciation. For example, a word ‘Á ¬¤’ may be read as ‘Á ¬¤’[NHÚVRÚP] or ‘ ³ Á¬¤’[NDVHÚP], and in this case the correct one is ‘ ³ Á¬¤’[NDVHÚP]. However, a word ‘Á ¬¦’ which can also be read as ‘Á ¬¦’[NHÚVRÚQ] and ‘ ³ Á¬¦’[NDVHÚQ], but the correct one is ‘Á ¬¦’ [NHÚVRÚQ].(4) The reduced form of words is also an important cause of a limitation of Thai soundex systems. For instance, words such as ‘ª· ¥µ’[ZLWWDMDÚ@and ‘°´ ¦µ’[ D W WUDÚ@contain hidden pronunciation that need to be read as if they were ‘ª· ³¥µ’[ZLWWDMDÚ@and ‘°´ ¦ ¦µ’[ D W WUDÚ@, respectively.In this paper, we propose a new method for Thai soundex encoding that can solve theprevious limitations. First, to solve the problem of syllable segmentation, we segment an input string into all possible sequences of syllables. Next, we handle the problem of special vowel structures and the ambiguous in pronunciation rules by applying a Hidden Markov Model (HMM) and phonetic trigrams to generate all possible pronunciations and select the most probable one. Finally, to solve the problem of the reduced form of words, we employ a preprocessing method that adds the hidden pronunciation back into the words.To evaluate the effectiveness of our method, we construct a corpus consisting of twoparts: the first one is for training and the other is for testing. The experimental results showthat a combination of HMM and phonetic trigrams provides high precision and recall and ouralgorithm outperforms the previous works.COMBINING AN HMM AND PHONETIC TRIGRAMSBelow we describe our method for soundex encoding. We first give the definition ofsoundex, then explain the algorithm which employs an HMM and phonetic trigrams.THE ENCODING OF SOUNDEXWe employ the encoding scheme in [Karoonboonyanan, et al., 1997] which defines the properties of similarly-pronounced syllables as being composed of two main features, i.e.(1) common features consisting of initial consonant sounds, vowel sounds and final consonant sounds, and (2) variations consisting of clusters, vowel lengths and tones. Soundex encoding should preserve common features and eliminate variations. Therefore, a unit in the soundex code is composed of three letters representing an initial consonant sound, a vowel sound, anda final consonant sound. In Thai, there are 20 initial consonant sounds, 12 vowel sounds, and9 final consonant sounds as shown in Table 1,2,3 respectively.Table 1: Initial consonant encoding.Consonant(s) Phonetic Values Soundex Code¨ ¦ ª[k]¨ ¦ ª ª ¦ ¨[kh]® [1]¦[tß]¦ [tßh] ¬««¦«¨¦¨ ¦ ¦[s]¥°¥® ®¥[j] ¥¦ [d]¦ ¨ [t]¦ [th]® [n]¦ ¨[b]¦ ¨[p]¡¡¦¡¨ ¨£[ph] ¡¨ ¦¢¢¨¢¦[f] ¢¤®¤[m] ¤¨¦¯®¨®¦§[r],[l] ¨ª®ª[w] ª®±[h] ±°[ ] °* We group ‘¦’ (thrill [r]) and ‘¨’ (lateral [l]) together due to their close pronunciation.Table 2: Vowel encoding.Syllable Form Soundex Code°³> D@ °´ > D @ °¦¦ > D @ °> D@ °Îµ> DP@ Ä°> DL@ Å°> DL@ Å°¥> DL@ Á°µ> DX@ °µ > DÚ @ a°· > L @ °¸ > LÚ @ § > UL @ i °¹ > @ °º > Ú @ § > U @ v °» > X @ °¼ > XÚ @ uÁ°³> H@ Á°È > H @ Á° > HÚ @ e°³> (@ Â°È > ( @ ° > (Ú @ xð³> R@ ° > R @ ð > RÚ @ oÁ°µ³[-o] °È° > o @ °° > oÚ @ °> oÚ@ °¦> oÚQ@ cÁ°°³> \@ Á°° > \Ú @ Á°· > \Ú @ Á°¥> \ÚL@ § >U\Ú @ dÁ°¸¥³> L @ Á°¸¥ > L @ jÁ°º°³> @ Á°º° > Ú @ w°´ª³> X @ °´ª> XÚ @ °ª > XÚ @ $Table 3: Final consonant encoding.CodeSoundex Group Consonant(s)kok [-k] ¦ ¦kong [-1]kom [-m] ¤¤·¤kon [-n] ¦ ¨¯koew [-u] ªªkoey [-I] ¥¥kot [t] «¬¬ ¦¦ ¦ · » · · ¦kop [-p] ¡¢£Open syllable ±±With the above classification and all variations elimination applied, here are some encoding examples:a¥encodedÅ [nai] is°a a±encoded°´ ¦µ[ D W WUDÚ@ is¦¦¤³[thamma ] is encoded a¤¤a±OUR ALGORITHMWe now describe our algorithm for converting a string into its soundex code. The algorithm is shown in Table 4.Table 4: The algorithm for soundex encoding.1. Preprocess the input word by:1.1 eliminating tones and cancelled letters,1.2 recovering the hidden form, and1.3 creating new words for special vowels.2. Segment each word into all possible sequences of syllables.3. Apply a Hidden Markov Model (HMM) and phonetic trigrams to generate soundex codes,and output N-best answers according to the probabilities calculated from the HMM andphonetic trigrams.As shown in Table 4, the algorithm for generating soundex codes is composed of three steps.1. The first step is to preprocess the input word by eliminating tone markers and cancelled letters. We also solve the problem of the reduced forms of words by generating new words from the input word with hidden-pronunciation adding. For example, the preprocessing of ‘ª· ¥µ’ [ZLWWDMDÚ@will generate two new words: ‘ª· ¥µ’ [ZLWWDMDÚ@ itself and ‘ª· ³¥µ’ [ZLWWDMDÚ@ with the hidden-pronunciation ( ³) added. Furthermore, the ambiguous pronunciation of special vowels ‘Á’ [-HÚ-], ‘Â’ [-(Ú-], ‘Å’ [-DL ], ‘Ä’ [-DL ], ‘Ã’ [-RÚ-] is also solved in this step. For an input word containing these vowels, we generate all possible pronunciations for these vowels. For example, for an input word ‘Á ¬¤’ [NDVHÚP ], the algorithm will produce the word ‘Á ¬¤’ [NDVHÚP ] itself and another word ‘ Á¬¤’ [NDVHÚP ]. Therefore, the preprocessing of ‘Á ¬¤ª· ¥µ’ will provide four outputs: ‘ Á¬¤ª· ¥µ’, ‘ Á¬¤ª· ³¥µ’, ‘Á ¬¤ª· ¥µ’ and ‘Á ¬¤ª· ³¥µ’.2. The second step is to segment the words from Step 1 into all possible sequences of syllables. In other words, given a string of characters S = c 1c 2 ··· c n from Step 1, we want to find a set W = { o 1o 2 ··· o m | o 1, o 2,…, o m ∈ O and o 1o 2 ··· o m = S }, where O is a set of valid Thai syllable forms.3. The last step is to apply an HMM and phonetic trigrams to encode soundex for each sequence of syllables, and select the N-best answers according to the probabilities calculated from the HMM and phonetic trigrams. The HMM and phonetic trigrams are described below.HIDDEN MARKOV MODELAn HMM is a well-known and widely used statistical method, especially for speech recognition tasks [Rabiner & Juang, 1993]. Here, we apply an HMM as a soundex converter, by defining each state as a soundex code and outputs of each state as all syllable forms which have pronunciation matching with the state. A transition between two states is defined as the probability that two soundex codes are connected to each other. Figure 1 shows a part of our HMM.Figure 1: A part of our HMM.States ‘ a ±’ and ‘ o ’ in the figure represent soundex codes pronounced as ‘ ³[ka]’ and ‘ [nok]’, respectively. The outputs of the state ‘ a ±’ are the syllable forms (‘ ³’ and ‘ ’) of which pronunciation are ‘ ³[ka]’. Similarly, ‘ ’ and ‘à ’, which are outputs of the state ‘ o ’, have the same pronunciation ‘ [nok]’. The transition between the states ‘ a ±’ and ‘ o ’ is a probability that the state ‘ a ±’ is followed by the state ‘ o ’. o à a ± ³ P( s i | s i+1 ) P( s 1 | π ) P( o i | s i )i i ii Each soundex code contains three characters representing an initial consonant sound, a vowel sound, and a final consonant sound. Since there are 20 initial consonant sounds, 12 vowel sounds and 9 final consonant sounds, the total number of states is 20 x 12 x 9 = 2,160. Therefore, the total number of transitions is 2,160 × 2,160 = 4,665,600, in case of a fully-connected HMM. However, the transitions in our model are constructed from training data (not fully-connected). In our experiment, the model contains 10,896 transitions by the end of the training process. We create outputs of each state by combining all initial consonant forms, vowel forms, and final consonant forms shown in Table 1. For example, outputs of a state ‘ u ’ [1XÚ1] are ‘ ¼ ’ [1XÚ1], ‘® ¼ ’ [1XÚ1], ‘ » ’ [1XÚ1], and ‘® » ’ [1XÚ1], since there are 2 initial consonant forms ‘ ’ [1@and ‘® ’ [1@, 2 vowel forms t u >-X -] and t u >-XÚ-], and 1 final consonant forms ‘ ’ [1@.To apply the HMM for soundex encoding, we define the task as follows:Given:• a Hidden Markov Model H = {π, T, O} • a sequence of syllable forms X = o 1o 2 ··· o mwhere π is a set of states, T is a set of transitions, and O is a set of outputs of states, and o 1, o 2,…, o m ∈ O .Find:• the state sequence S = s 1s 2 ··· s m (the soundex code of the given X ) that maximizes P(S | X) by using the following equation:P(S | X) = P(s 1| π) Π P( s i | s i+1 ) P( o i | s i ) (1)where P(s 1 | π) is a probability that state s 1 is chosen as an initial state,P(s i | s i+1) is a transition probability between state s i and s i+1,P(o i | s i ) is a probability that output symbol o i will be emitted at state s i .Note that all these probabilities are calculated from training examples.TRIGRAM MODELWe employ phonetic trigrams for enhancing the performance of our method. Though various trigram models, e.g. word trigrams, character trigrams, have been successfully applied to many tasks [Golding & Schabes, 1996; Meknavin, et al., 1998], to our knowledge this is the first attempt to use a phonetic trigram model. To apply a phonetic trigrams to select the most probable answer, we define the task as follows. Given a state sequence S = s 1s 2 ··· s m from the HMM, the probability of this sequence can be calculated by using the phonetic trigrams defined as follows:P(S) = Π P(s i | s i+1, s i+2 ) (2)where s i , s i+1 and s i+2 are a state in state sequence S , the state next to s i and the state next to s i+1, respectively.We then define the combined probability (CP) that combines the phonetic trigrams with the HMM by using Equation (1) and Equation (2) as:CP = P(s 1| π) Π P(s i | s i+1 ) P(o i | s i ) × Π k P(s i | s i+1, s i+2 ) (3)where k is a constant that determines the relative values of trigrams ’s probabilities versus HMM ’s probabilities.EXPERIMENTAL RESULTSTo evaluate the effectiveness of our proposed method, we construct a corpus which contains about 26,000 words (100,000 syllables) from the databases of Telephone Organization of Thailand and Thai Royal Institute dictionary. About 70% of the whole corpus are used as a training set and the rest is used as a test set. We run the experiment to compare three algorithms: (1) an algorithm described in [Suwanvisat & Prasitjutrakul, 1999] which is based on Odell and Russell ’s Soundex algorithm (SP99), (2) the HMM alone (HMM), and (3) the combination of the HMM and phonetic trigrams (HMM+TRI). The results are shown in Table 4.The performances of the above methods are evaluated by standard precision (P) and recall (R). We also use F 1-measure (F1) that combines recall and precision with an equal weight and is defined as follows:Table 4. The comparison of the performances of three algorithms.SP99 HMM HMM+TRI P (%) R (%) F1 P (%) R (%) F1 P (%) R (%) F1 68.30 80.30 73.82 89.70*1 82.84*1 86.13*1 95.20*1 83.61*1 89.03*1 82.80*2 92.32*2 87.30*2 83.87*2 94.71*2 88.96*2 66.46*3 96.93*3 78.85*3 58.41*3 99.70*3 73.66*3 *1, *2 and *3 are the values obtained when the number of N best answers is set to 1, 2 and 3, respectivelyThe results show that our methods, both HMM and HMM+TRI, give better results than those of SP99, in both precision and recall. SP99 is a very fast method and usually finds the expected words, but it also gives a lot of false hits, resulting in high recall and low precision. Among these three algorithms, HMM+TRI performs best and significantly improves the use of HMM alone.HMM+TRI gives the best performance when using only the first answer, and in this case, HMM+TRI yields a satisfactory result of 95.20% and 83.61% in precision and recall respectively. The recall is very high (99.70%) when we use the best three soundex codes, but it causes very low precision (58.41%).CONCLUSIONSWe have proposed a method for improving Thai soundex system by using the soundex code that considers the initial consonant sound, vowel sound, and final consonant sound. We solve the problems of previous works by considering the syllable boundary and employing a preprocessing technique to handle the ambiguities in Thai pronunciation rules. We have applied the HMM with phonetic trigrams for Thai soundex encoding. The experimental results, comparing our algorithms and previous works, reveal that the combination of the HMM and phonetic trigrams gives the best result with 95% precision and 84% recall.2PR P+R F1 =REFERENCESArunwong-Na-Ayuthaya, N., (1991) Transformation on Thai strings using soundex principle (in Thai), Senior Project, Faculty of Engineering , Chulalongkorn University, Bangkok,Thailand.Green, J. H., Finding treasures in the U.S. federal census, /fv/uscensus.html.Golding, A. R., and Schabes, Y., (1996) Combining trigram-based and feature-based methods for context sensitive spelling correction, Proceedings of the 34th Annual Meeting of theAssociated for Computational Linguistics, pp. 71-78, Santa Cruz, California, USA. Karoonboonyanan, T., Somlertlamvanich, V. and Meknavin, S., (1997) A Thai soundex system for spelling correction, Proceeding of the National Language Processing Pacific Rim Symposium 1997, Phukhet, Thailand.Lohjeerachoonhakul, V., and Khuwinpan, C., (1982) Thai soundex algorithm and Thai syllable separation algorithm (in Thai), Research Report, Faculty of Applied Statistics,The National Institute of Development Administration, Bangkok, Thailand.Meknavin, S., Kijsirikul, B., Chotimonkol, A., and Nuttee, C., (1998) Combining trigram and winnow in Thai OCR error correction, Proceedings of COLING 1998.Rabiner, L., & Juang, B.H., (1993) Fundamentals of Speech Recognition, Prentice Hall, 1993. Suwanvisat, P., and Prasitjutrakul, S., (1999) Transliterated word encoding and retrieval algorithms for Thai-English cross-language retrieval, Proceeding of the NCSEC99,Thailand.Tangkhawanwanich, N., (1991) Spelling correction (in Thai), Senior Project, Faculty of Engineering, Chulalongkorn University, Bangkok, Thailand.Udompanich, W., (1983) Applying homonymity to searching Thai sound-alike strings (in Thai), Master Thesis, Chulalongkorn University, Bangkok, Thailand.。