使用MATLAB实现HMM算法及示例

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"该资源是关于隐马尔科夫模型(HMM)在MATLAB环境中的实现,具体是一个名为dhmm_em的函数。该函数用于通过最大似然(ML)或最大后验(MAP)方法估计具有离散输出的HMM参数,并采用期望最大化(EM)算法进行学习。" 在HMM中,隐马尔科夫模型是一种统计建模方法,它处理两个不可直接观测的序列:隐藏状态序列和可观测状态序列。在给定的函数dhmm_em中,主要目标是学习HMM的参数,包括初始状态概率向量`prior`、状态转移概率矩阵`transmat`以及观测概率矩阵`obsmat`。 输入参数包括: 1. `data`: 包含观测序列的数据,可以是细胞数组(对于不同长度的序列)或者每行表示一个观测序列的矩阵。 2. `prior`, `transmat`, `obsmat`: 分别是HMM的初始状态概率向量、状态转移概率矩阵和观测概率矩阵的初始值。 3. `varargin`: 可选参数,如最大迭代次数`max_iter`(默认10次)、收敛阈值`thresh`(默认1e-4)、是否显示详细信息`verbose`(默认1,即显示迭代过程的loglik)以及对观测矩阵的先验权重`obs_prior_weight`等。 函数内部,首先通过`process_options`处理可选参数,设定默认值并根据用户输入进行调整。接着,进入EM算法的迭代过程: 1. **E步(期望步骤)**:计算每个状态在每个时间步的后验概率,以及状态间的转移概率和状态发出观测的概率。这部分由`compute_ess_dhmm`函数完成,返回当前的loglik、期望的转移次数和期望的访问次数以及观测发射次数。 2. **M步(最大化步骤)**:根据E步骤得到的统计信息更新HMM的参数。如果`adj_prior`、`adj_trans`或`adj_obs`为1,则分别更新`prior`、`transmat`和`obsmat`。更新方法包括规范化期望的访问次数以得到新的`prior`,以及将期望的转移次数转换为概率矩阵(通过`mk_stochastic`函数归一化)和观测发射次数。 在每次迭代中,会检查loglik的变化是否小于阈值`thresh`,或者是否达到最大迭代次数`max_iter`,以判断是否已经收敛。当满足停止条件时,函数返回学习到的参数以及迭代次数。 这个函数的改进之处在于,它不计算每个时间步的`xi`(状态到状态的后验概率),而是仅计算它们的总和,这可以节省大量的内存。 这个dhmm_em函数提供了一个实用的工具,用于在MATLAB环境中训练和优化离散输出的HMM模型,适用于语音识别、自然语言处理、生物信息学等领域中的序列数据分析。