混合高斯模型 1

2021-07-16 16:04:59 字數 2063 閱讀 4502

實際應用中,場景中的光照分為緩慢變化(白天室外)或者突然變化(室內開關燈)。場景中可以有新的物體進來,也可以有舊的物體消失。為了適應這些變化,可以更新訓練集(增加新的樣本,丟棄舊的樣本)。選擇合適的時間週期t,並在時刻t時,有訓練資料集xt

=x(t

),..

.,x(

t−t)

。對於每個新的樣本,我們更新xt

,並且重新計算p(

x|xt

,bg)

。然而,在最近的一段觀測歷史資料中,可能會有屬於目標的畫素,這個概率用p(

xt|x

t,bg

+fg)

表示。我們使用包含m個成分的gmm:

μ 都是均值,

σ 都是方差,有這個兩個引數,就可以唯一確定乙個高斯分布,有m個這樣的高斯分布組合。協方差矩陣是對角矩陣,和單位陣i有相同的維數。加權係數

π 非零,而且和為1。時刻t處,給定乙個新的樣本xt

,遞迴更新方程如下:

其中,α 來描述指數衰減速度,用來限制舊資料的影響。

α 和t的關係是倒數關係。對於新樣本,最大的加權係數的成分,而且它是』close』,o(

t)m 置為1,其他都為0。這裡的』close』意思是,樣本距離某個成分特別接近,也就是某個成分到樣本的mahalanobis距離,比方說小於3個標準差。從第m個成分到樣本的方差的計算如下:

是某個初始化的方差值。如果到達了最大的成分數量,就丟棄加權係數最小的那個成分。

如果成分按照權重降序排列,b可以如下求得:

是資料屬於目標同時不影響背景模型的最大的那部分。例如,如果場景中新來了乙個目標,而且在一段時間靜止了,就可能會產生乙個新增的穩定聚類。由於舊的背景被擋住了,新聚類的權重πb

+1會持續增加。如果物件靜止的時間足夠長,它的權重就可能超過cf

,它就被當作背景了。從(4)式可以看出,物體靜止的時間至少大約是lo

g(1−

cf)/

log(

1−α)

幀。例如,對於cf

=0.1

,α=0.001

來說,物體需要靜止至少105幀才能被當作背景。 π

m 描述了資料屬於gmm中第m個成分的可能性。這個值可以認為是樣本資料來自第m個成分的概率,從這個角度上說,πm

−s定義了乙個潛在的多項式分布。假定我們有t個資料樣本,其中的每乙個屬於gmm中的乙個成分。我們再假定,屬於第m個成分的樣本的數量為

−s和上一節的定義相同。這個假定的多項式分布\nm

−s給出了似然函式:

這個從t個樣本估計得到的π(

t)m ,寫成遞迴的形式如下:

如果把新樣本資料的影響固定下來,即把t固定為t,就得到(4)。這個固定影響的做法,意味著我們更多的相信新樣本資料,而舊的樣本資料的影響會以指數衰減的形式變得不那麼重要。

多項式分布的先驗知識,可以通過使用它的共軛先驗來表示,dirichlet先驗

有乙個很好的物理意義。對於多項式分布,cm

代表樣本中有多少屬於類別m的先驗判據(從最大後驗概率的角度)。在[12]中我們使用負的係數cm

=−c 。負的先驗概率表示,我們只接受存在足夠多判據的類別m。這種先驗和最小化訊息長度準則有關,後者是一種對給定資料尋找合適模型的方法[12]。同時求解極大似然和最大化後驗概率,有

其中=c/t

。這表示,偏置會保持不變,似乎是同時對t個樣本進行處理。(11)的遞迴表示式如下(固定偏置):

由於m一般不大,ct

也不大,可以進一步近似為:

使用這個式子代替(4)(本文作者做的事情,就是這個)。每次更新後,需要歸一化以保證權重和為1。gmm從單一成分開始,第乙個高斯模型的均值是第乙個樣本的資料,後續的資料進來,就按照前面說的遞迴方法更新。dirichlet先驗如果是負值,就會抑制不被樣本資料支援的成分。這也保證了混合權重為正。對於給定的\alpha=1/t

,至少c=0.01*t個樣本才能支撐乙個成分。c_t=0.01

。注意到(11)的遞迴形式

高斯混合模型

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