Andrew Ng机器学习课程笔记(十八)之无监督学习之独立成份分析

语音识别中的鸡尾酒会问题 概念 “ 鸡尾酒会问题”(cocktail party problem)是在计算机语音识别领域的一个问题,当前语音识别技术已经可以以较高精度识别一个人所讲的话,但是当说话的人数为两人或者多人时,语音识别率就会极大的降低,这一难题被称为鸡尾酒会问题。 解决方案 斯坦福大学Andrew NG的机器学习公开课(ml-class.org)在第一章unsupervised learning那段 阅读详情

Preface

Cocktail Party Problem(鸡尾酒宴会问题)
ICA Ambiguities(ICA不确定性)
Densities Function(密度函数)
Linear Transformations(线性变换)
Independent Component Analysis(ICA,独立成分分析)

Cocktail Party Problem

鸡尾酒会问题是在计算机语音识别领域的一个问题。

假设,N个扬声器同时在一个聚会上讲话,并且放置在房间里的任何麦克风只记录N个扬声器的声音的重叠组合。但是我们假设我们有N个麦克风放在房间里,因为每个麦克风离每个扬声器都有一个距离,它记录了说话人声音的不同组合。使用这些麦克风录音,我们要分离出原始的N个扬声器的语音信号。

现在假设 s∈Rn s ∈ R n 由N个独立的扬声器生成, {x(i)∈Rn;i=1,...,m} { x ( i ) ∈ R n ; i = 1 , . . . , m } 是从N个麦克风收集的数据,i 表示 采样的时间顺序。所以:

xx(i)j=As=∑nAjns(i)n x = A s x j ( i ) = ∑ n A j n s n ( i )

这里的A是一个未知的混合矩阵。 x(i)j x j ( i ) 表示 第 j j 个麦克风在时刻 i 的收到的声音由所有声音源通过A组合得到。

所以我们的问题就可以由下述工程解决:
令 W=A−1 W = A − 1 ,那么:

s(i)=A−1x(i)=Wx(i) s ( i ) = A − 1 x ( i ) = W x ( i )

W W 可以表示为:
W=[−w1T−⋮−wnT−]

所以:
s(i)j=wTjx(i) s j ( i ) = w j T x ( i )

ICA Ambiguities

ICA模糊性是指演讲者和标志的排列问题,我们无法保证得到与原来信号一模一样的演讲者和标志的排列。

信号不能是高斯分布

如果信号是高斯分布,我们将无法还原原信号,即无法使用ICA。

Independent Component Analysis

假设数据有N个来源的声音(鸡尾酒会问题中有N个演讲者),记为 S(i)∈Rn S ( i ) ∈ R n 。 S(i)j S j ( i ) 表示在时间 i i 时从演讲者j发出的声音。

假设我们有N个麦克风,每一个麦克风记录了所有N个演讲者发出声音的线性组合。通过数据的收集(通过直观的观察):

x(i)=AS(i),x(i)∈Rn x ( i ) = A S ( i ) , x ( i ) ∈ R n

这里的A是一个未知的混合矩阵。 x(i)j x j ( i ) 表示 第 j j 个麦克风在时刻 i 的收到的声音由所有声音源通过A组合得到。所以:
x(i)j=∑kAjkS(i)k x j ( i ) = ∑ k A j k S k ( i )

我们的目标是找到 W=A−1 W = A − 1 ,使得

S(i)=A−1x(i)=Wx(i) S ( i ) = A − 1 x ( i ) = W x ( i )

W W 可以表示为:
W=[−w1T−⋮−wnT−]

所以:
s(i)j=wTjx(i) s j ( i ) = w j T x ( i )

这也就是我们在最开始所阐述的鸡尾酒晚会问题。

假设:
S∈Rn S ∈ R n 表示在任何时间从所有演讲者发出的声音的联合矢量。
S S 的密度函数为Ps(S)。

计算 x x 的密度函数为Px(x)。
直接的想法: Px(x)=Ps(Wx) P x ( x ) = P s ( W x ) 。但是,这是错误的。我们可以对于质量函数使用这个方法,但是无法对于连续函数使用。我们不能对于密度函数进行这样的处理。
正确的做法是:

Px(x)=Ps(Wx)|W| P x ( x ) = P s ( W x ) | W |

  • e.g.:j假设 Ps(S)=1{0≤S≤1} P s ( S ) = 1 { 0 ≤ S ≤ 1 } , S∼Uniform[0,1] S ∼ U n i f o r m [ 0 , 1 ] 。
    现在使得A=2,即x=2S,所以:w=1/2。
    所以 x x 的密度函数为
    Px(x)=Ps(1/2∗s)∗1/2=1所以:Px(x)=Ps(Wx)|W|

ICP过程
假设每一个 S(i) S ( i ) 密度函数 Ps P s ,给定时刻原信号的联合分布为:

Ps(S)=∏i=1nPs(S(i)) P s ( S ) = ∏ i = 1 n P s ( S ( i ) )

Px(x)=Ps(Wx)|W|=|W|∏i=1nPs(w(i)Tx) P x ( x ) = P s ( W x ) | W | = | W | ∏ i = 1 n P s ( w ( i ) T x )

因为我们需要知道 Ps(S(i)) P s ( S ( i ) ) ,我们打算选取一个概率密度函数赋给 Ps(S(i)) P s ( S ( i ) ) ,但是我们不能选取高斯分布的密度函数。在概率论里我们知道密度函数p(x)由累计分布函数(CDF)F(x)求导得到。F(x)要满足两个性质是:单调递增和在[0,1]。

所以我们选取 S S 的累积分布函数为sigmoid函数:

F(s)=11+e−s

即

Ps(S)=F′(s)=es(1+e−s)2 P s ( S ) = F ′ ( s ) = e s ( 1 + e − s ) 2

因为 Ps(S) P s ( S ) 为对称函数,所以E[S]=0。

对于给定的训练集 {x(1),...,x(m)} { x ( 1 ) , . . . , x ( m ) } ,有似然函数:
这里写图片描述
对于W求偏导:
这里写图片描述
令上式为0,所以有:
这里写图片描述
最后在求出 S S 即可。

Sj(i)=wjTx(i)

【机器学习】【ICA-2】ICA独立成分分析的原理 + ICA前的预处理(中心化+漂白) 1.鸡尾酒宴会2.ICA概念和目的3.ICA计算过程的原理推理4.实例展示ICA的求解过程(end) 阅读详情

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