隐马尔可夫模型

隐马尔可夫模型状态变迁图（例子）
x — 隐含状态
y — 可观察的输出
a — 转换概率（transition probabilities）
b — 输出概率（output probabilities）

隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model，HMM）是统计模型，它用来描述一个含有隐含未知参数的马尔可夫过程。其难点是从可观察的参数中确定该过程的隐含参数。然后利用这些参数来作进一步的分析，例如模式识别。

在正常的马尔可夫模型中，状态对于观察者来说是直接可见的。这样状态的转换概率便是全部的参数。而在隐马尔可夫模型中,状态并不是直接可见的，但受状态影响的某些变量则是可见的。每一个状态在可能输出的符号上都有一概率分布。因此输出符号的序列能够透露出状态序列的一些信息。

马尔可夫模型的演化

上边的图示强调了HMM的状态变迁。有时，明确的表示出模型的演化也是有用的,我们用x（t₁） 与x（t₂）来表达不同时刻t₁ 和t₂的状态。

圖中箭頭方向則表示不同資訊間的關聯性，因此可以得知$x(t)$和$x(t-1)$有關，而$x(t-1)$又和$x(t-2)$有關。

而每個$y(t)$只和$x(t)$有關，其中$x(t)$我們稱為隱藏變數（hidden variable），是觀察者無法得知的變數。

隱性馬可夫模型常被用來解決有未知條件的數學問題。

假設隱藏狀態的值對應到的空間有$N$個元素，也就是說在時間$t$時，隱藏狀態會有$N$種可能。

同樣的，$t+1$也會有$N$種可能的值，所以從$t$到$t+1$間的關係會有$N^{2}$種可能。

除了$x(t)$間的關係外，每組$x(t),y(t)$間也有對應的關係。

若觀察到的$y(t)$有$M$種可能的值，則从$x(t)$到$y(t)$的输出模型复杂度為$O(NM)$。如果$y(t)$是一个$M$维的向量，则从$x(t)$到$y(t)$的输出模型复杂度為$O(NM^{2})$。

Temporal evolution of a hidden Markov model

在这个图中,每一个时间块（x(t), y(t)）都可以向前或向后延伸。通常，时间的起点被设置为t=0 或 t=1.

馬尔可夫模型的機率

假設觀察到的結果為$Y$

$Y=y(0),y(1),...,y(L-1)$

隱藏條件為$X$

$X=x(0),x(1),...,x(L-1)$

長度為$L$，則馬可夫模型的機率可以表達為：

$P(Y)=\sum _{X}P(Y\mid X)P(X)\,$

由這個機率模型來看，可以得知馬可夫模型將該時間點前後的資訊都納入考量。

使用隐马尔可夫模型

HMM有三个典型(canonical)问题:

• 预测(filter)：已知模型参数和某一特定输出序列，求最后时刻各个隐含状态的概率分布，即求 $P(x(t)\ |\ y(1),\dots ,y(t))$. 通常使用前向算法解决.
• 平滑(smoothing)：已知模型参数和某一特定输出序列，求中间时刻各个隐含状态的概率分布，即求 $P(x(k)\ |\ y(1),\dots ,y(t)),k<t$. 通常使用forward-backward 算法解决.
• 解码(most likely explanation): 已知模型参数，寻找最可能的能产生某一特定输出序列的隐含状态的序列. 即求 $P([x(1)\dots x(t)]|[y(1)\dots ,y(t)]),$, 通常使用Viterbi算法解决.

此外，已知输出序列，寻找最可能的状态转移以及输出概率.通常使用Baum-Welch算法以及反向Viterbi算法解决. 另外,最近的一些方法使用联结树算法来解决这三个问题。

具体实例

假设你有一个住得很远的朋友,他每天跟你打电话告诉你他那天做了什么.你的朋友仅仅对三种活动感兴趣:公园散步,购物以及清理房间.他选择做什么事情只凭天气.你对于他所住的地方的天气情况并不了解,但是你知道总的趋势.在他告诉你每天所做的事情基础上,你想要猜测他所在地的天气情况.

你认为天气的运行就像一个马尔可夫链.其有两个状态 "雨"和"晴",但是你无法直接观察它们,也就是说,它们对于你是隐藏的.每天,你的朋友有一定的概率进行下列活动:"散步", "购物", 或 "清理". 因为你朋友告诉你他的活动,所以这些活动就是你的观察数据.这整个系统就是一个隐马尔可夫模型HMM.

你知道这个地区的总的天气趋势,并且平时知道你朋友会做的事情.也就是说这个隐马尔可夫模型的参数是已知的.你可以用程序语言(Python)写下来:

 states = ('Rainy', 'Sunny')
 
 observations = ('walk', 'shop', 'clean')
 
 start_probability = {'Rainy': 0.6, 'Sunny': 0.4}
 
 transition_probability = {
    'Rainy' : {'Rainy': 0.7, 'Sunny': 0.3},
    'Sunny' : {'Rainy': 0.4, 'Sunny': 0.6},
    }
 
 emission_probability = {
    'Rainy' : {'walk': 0.1, 'shop': 0.4, 'clean': 0.5},
    'Sunny' : {'walk': 0.6, 'shop': 0.3, 'clean': 0.1},
    }

在这些代码中,start_probability代表了你对于你朋友第一次给你打电话时的天气情况的不确定性(你知道的只是那个地方平均起来下雨多些).在这里,这个特定的概率分布并非平衡的,平衡概率应该接近（在给定变迁概率的情况下）{'Rainy': 0.571, 'Sunny': 0.429}< transition_probability 表示基于马尔可夫链模型的天气变迁,在这个例子中,如果今天下雨,那么明天天晴的概率只有30%.代码emission_probability 表示了你朋友每天做某件事的概率.如果下雨,有 50% 的概率他在清理房间;如果天晴,则有60%的概率他在外头散步.

这个例子在维特比算法页上有更多的解释。

隐马尔可夫模型的应用

• 语音识别、中文斷詞/分詞或光学字符识别
• 机器翻译
• 生物信息学 和 基因组学
  • 基因组序列中蛋白质编码区域的预测
  • 对于相互关联的DNA或蛋白质族的建模
  • 从基本结构中预测第二结构元素
  • 通信中的译码过程
• 还有更多...

隱馬可夫模型在語音處理上的應用

因為馬可夫模型有下列特色：

• 時間點$t$的隱藏條件和時間點$t-1$的隱藏條件有關。因為人類語音擁有前後的關聯，可以從語義與發音兩點來看：

1. 單字的發音擁有前後關聯：例如"They are"常常發音成"They're"，或是"Did you"會因為"you"的發音受"did"的影響，常常發音成"did ju"，而且語音辨識中用句子的發音來進行分析，因此需要考慮到每個音節的前後關係，才能夠有較高的準確率。
2. 句子中的單字有前後關係：從英文文法來看，主詞後面常常接助動詞或是動詞，動詞後面接的會是受詞或介係詞。而或是從單一單字的使用方法來看，對應的動詞會有固定使用的介係詞或對應名詞。因此分析語音訊息時需要為了提升每個單字的準確率，也需要分析前後的單字。

• 馬可夫模型將輸入訊息視為一單位一單位，接著進行分析，與人類語音模型的特性相似。語音系統辨識的單位為一個單位時間內的聲音。利用梅爾倒頻譜等語音處理方法，轉換成一個發音單位，為離散型的資訊。而馬可夫模型使用的隱藏條件也是一個個被封包的$x(t)$，因此使用馬可夫模型來處理聲音訊號比較合適。

历史

隐马尔可夫模型最初是在20世纪60年代后半期Leonard E. Baum和其它一些作者在一系列的统计学论文中描述的。HMM最初的应用之一是开始于20世纪70年代中期的语音识别。

在1980年代后半期，HMM开始应用到生物序列尤其是DNA的分析中。此后，在生物信息学领域HMM逐渐成为一项不可或缺的技术。

参见

• 安德雷·马尔可夫
• 贝叶斯推断
• 估计理论
• 條件隨機域

参考书目

• Lawrence R. Rabiner, A Tutorial on Hidden Markov Models and Selected Applications in Speech Recognition. Proceedings of the IEEE, 77 (2), p. 257–286, February 1989.
• Richard Durbin, Sean R. Eddy, Anders Krogh, Graeme Mitchison. Biological Sequence Analysis: Probabilistic Models of Proteins and Nucleic Acids. Cambridge University Press, 1999. ISBN 0521629713.
• Kristie Seymore, Andrew McCallum, and Roni Rosenfeld. Learning Hidden Markov Model Structure for Information Extraction. AAAI 99 Workshop on Machine Learning for Information Extraction, 1999. (also at CiteSeer: [1])
• http://www.comp.leeds.ac.uk/roger/HiddenMarkovModels/html_dev/main.html
• J. Li, A. Najmi, R. M. Gray, Image classification by a two dimensional hidden Markov model, IEEE Transactions on Signal Processing, 48(2):517-33, February 2000.
• 隐马尔可夫模型(课件), 徐从富,浙江大学人工智能研究所 [2]

外部链接

• Hidden Markov Model (HMM) Toolbox for Matlab (by Kevin Murphy)
• Hidden Markov Model Toolkit (HTK) (a portable toolkit for building and manipulating hidden Markov models)
• Hidden Markov Models (an exposition using basic mathematics)
• GHMM Library (home page of the GHMM Library project)
• Jahmm Java Library (Java library and associated graphical application)
• A step-by-step tutorial on HMMs (University of Leeds)
• Software for Markov Models and Processes (TreeAge Software)