Главная » Просмотр файлов » Bishop C.M. Pattern Recognition and Machine Learning (2006)

Bishop C.M. Pattern Recognition and Machine Learning (2006) (811375), страница 91

Файл №811375 Bishop C.M. Pattern Recognition and Machine Learning (2006) (Bishop C.M. Pattern Recognition and Machine Learning (2006).pdf) 91 страницаBishop C.M. Pattern Recognition and Machine Learning (2006) (811375) страница 912020-08-25СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 91)

Markov Random FieldsFigure 8.31An undirected graphical model representing aMarkov random field for image de-noising, inwhich xi is a binary variable denoting the stateof pixel i in the unknown noise-free image, and yidenotes the corresponding value of pixel i in theobserved noisy image.389yixiequivalently we can add the corresponding energies. In this example, this allows usto add an extra term hxi for each pixel i in the noise-free image. Such a term hasthe effect of biasing the model towards pixel values that have one particular sign inpreference to the other.The complete energy function for the model then takes the formxi − βxi xj − ηxi yi(8.42)E(x, y) = hi{i,j}iwhich defines a joint distribution over x and y given byp(x, y) =Exercise 8.131exp{−E(x, y)}.Z(8.43)We now fix the elements of y to the observed values given by the pixels of thenoisy image, which implicitly defines a conditional distribution p(x|y) over noisefree images.

This is an example of the Ising model, which has been widely studied instatistical physics. For the purposes of image restoration, we wish to find an image xhaving a high probability (ideally the maximum probability). To do this we shall usea simple iterative technique called iterated conditional modes, or ICM (Kittler andFöglein, 1984), which is simply an application of coordinate-wise gradient ascent.The idea is first to initialize the variables {xi }, which we do by simply setting xi =yi for all i. Then we take one node xj at a time and we evaluate the total energyfor the two possible states xj = +1 and xj = −1, keeping all other node variablesfixed, and set xj to whichever state has the lower energy. This will either leavethe probability unchanged, if xj is unchanged, or will increase it.

Because onlyone variable is changed, this is a simple local computation that can be performedefficiently. We then repeat the update for another site, and so on, until some suitablestopping criterion is satisfied. The nodes may be updated in a systematic way, forinstance by repeatedly raster scanning through the image, or by choosing nodes atrandom.If we have a sequence of updates in which every site is visited at least once,and in which no changes to the variables are made, then by definition the algorithm3908. GRAPHICAL MODELSx1Figure 8.32 (a) Example of a directedgraph.(b) The equivalent undirected (a)graph.x2xN −1xNx1x2xNxN −1(b)Exercise 8.14Section 8.4will have converged to a local maximum of the probability. This need not, however,correspond to the global maximum.For the purposes of this simple illustration, we have fixed the parameters to beβ = 1.0, η = 2.1 and h = 0.

Note that leaving h = 0 simply means that the priorprobabilities of the two states of xi are equal. Starting with the observed noisy imageas the initial configuration, we run ICM until convergence, leading to the de-noisedimage shown in the lower left panel of Figure 8.30. Note that if we set β = 0,which effectively removes the links between neighbouring pixels, then the globalmost probable solution is given by xi = yi for all i, corresponding to the observednoisy image.Later we shall discuss a more effective algorithm for finding high probability solutions called the max-product algorithm, which typically leads to better solutions,although this is still not guaranteed to find the global maximum of the posterior distribution.

However, for certain classes of model, including the one given by (8.42),there exist efficient algorithms based on graph cuts that are guaranteed to find theglobal maximum (Greig et al., 1989; Boykov et al., 2001; Kolmogorov and Zabih,2004).

The lower right panel of Figure 8.30 shows the result of applying a graph-cutalgorithm to the de-noising problem.8.3.4 Relation to directed graphsWe have introduced two graphical frameworks for representing probability distributions, corresponding to directed and undirected graphs, and it is instructive todiscuss the relation between these. Consider first the problem of taking a model thatis specified using a directed graph and trying to convert it to an undirected graph. Insome cases this is straightforward, as in the simple example in Figure 8.32.

Here thejoint distribution for the directed graph is given as a product of conditionals in theform(8.44)p(x) = p(x1 )p(x2 |x1 )p(x3 |x2 ) · · · p(xN |xN −1 ).Now let us convert this to an undirected graph representation, as shown in Figure 8.32. In the undirected graph, the maximal cliques are simply the pairs of neighbouring nodes, and so from (8.39) we wish to write the joint distribution in the formp(x) =1ψ1,2 (x1 , x2 )ψ2,3 (x2 , x3 ) · · · ψN −1,N (xN −1 , xN ).Z(8.45)3918.3. Markov Random FieldsFigure 8.33 Example of a simpledirected graph (a) and the corresponding moral graph (b).x1x3x1x2x3x2x4(a)x4(b)This is easily done by identifyingψ1,2 (x1 , x2 ) = p(x1 )p(x2 |x1 )ψ2,3 (x2 , x3 ) = p(x3 |x2 )...ψN −1,N (xN −1 , xN ) = p(xN |xN −1 )where we have absorbed the marginal p(x1 ) for the first node into the first potentialfunction. Note that in this case, the partition function Z = 1.Let us consider how to generalize this construction, so that we can convert anydistribution specified by a factorization over a directed graph into one specified by afactorization over an undirected graph.

This can be achieved if the clique potentialsof the undirected graph are given by the conditional distributions of the directedgraph. In order for this to be valid, we must ensure that the set of variables thatappears in each of the conditional distributions is a member of at least one clique ofthe undirected graph. For nodes on the directed graph having just one parent, this isachieved simply by replacing the directed link with an undirected link.

However, fornodes in the directed graph having more than one parent, this is not sufficient. Theseare nodes that have ‘head-to-head’ paths encountered in our discussion of conditionalindependence. Consider a simple directed graph over 4 nodes shown in Figure 8.33.The joint distribution for the directed graph takes the formp(x) = p(x1 )p(x2 )p(x3 )p(x4 |x1 , x2 , x3 ).(8.46)We see that the factor p(x4 |x1 , x2 , x3 ) involves the four variables x1 , x2 , x3 , andx4 , and so these must all belong to a single clique if this conditional distribution isto be absorbed into a clique potential. To ensure this, we add extra links betweenall pairs of parents of the node x4 . Anachronistically, this process of ‘marryingthe parents’ has become known as moralization, and the resulting undirected graph,after dropping the arrows, is called the moral graph.

It is important to observe thatthe moral graph in this example is fully connected and so exhibits no conditionalindependence properties, in contrast to the original directed graph.Thus in general to convert a directed graph into an undirected graph, we first addadditional undirected links between all pairs of parents for each node in the graph and3928. GRAPHICAL MODELSSection 8.4Section 8.2Figure 8.34then drop the arrows on the original links to give the moral graph. Then we initializeall of the clique potentials of the moral graph to 1. We then take each conditionaldistribution factor in the original directed graph and multiply it into one of the cliquepotentials.

There will always exist at least one maximal clique that contains all ofthe variables in the factor as a result of the moralization step. Note that in all casesthe partition function is given by Z = 1.The process of converting a directed graph into an undirected graph plays animportant role in exact inference techniques such as the junction tree algorithm.Converting from an undirected to a directed representation is much less commonand in general presents problems due to the normalization constraints.We saw that in going from a directed to an undirected representation we had todiscard some conditional independence properties from the graph.

Of course, wecould always trivially convert any distribution over a directed graph into one over anundirected graph by simply using a fully connected undirected graph. This would,however, discard all conditional independence properties and so would be vacuous.The process of moralization adds the fewest extra links and so retains the maximumnumber of independence properties.We have seen that the procedure for determining the conditional independenceproperties is different between directed and undirected graphs. It turns out that thetwo types of graph can express different conditional independence properties, andit is worth exploring this issue in more detail. To do so, we return to the view ofa specific (directed or undirected) graph as a filter, so that the set of all possibledistributions over the given variables could be reduced to a subset that respects theconditional independencies implied by the graph.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
9,37 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6537
Авторов
на СтудИзбе
301
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее