root/library/bdm/estim/particles.h @ 660

Revision 660, 10.9 kB (checked in by smidl, 15 years ago)

doc - doxygen warnings

  • Property svn:eol-style set to native
RevLine 
[8]1/*!
2  \file
3  \brief Bayesian Filtering using stochastic sampling (Particle Filters)
4  \author Vaclav Smidl.
5
6  -----------------------------------
7  BDM++ - C++ library for Bayesian Decision Making under Uncertainty
8
9  Using IT++ for numerical operations
10  -----------------------------------
11*/
12
[384]13#ifndef PARTICLES_H
14#define PARTICLES_H
[8]15
[262]16
[384]17#include "../stat/exp_family.h"
[8]18
[270]19namespace bdm {
[8]20
21/*!
[32]22* \brief Trivial particle filter with proposal density equal to parameter evolution model.
[8]23
[32]24Posterior density is represented by a weighted empirical density (\c eEmp ).
[8]25*/
[32]26
27class PF : public BM {
[8]28protected:
[32]29        //!number of particles;
30        int n;
31        //!posterior density
32        eEmp est;
33        //! pointer into \c eEmp
34        vec &_w;
35        //! pointer into \c eEmp
36        Array<vec> &_samples;
37        //! Parameter evolution model
[638]38        shared_ptr<mpdf> par;
[32]39        //! Observation model
[638]40        shared_ptr<mpdf> obs;
41        //! internal structure storing loglikelihood of predictions
42        vec lls;
43       
[283]44        //! which resampling method will be used
45        RESAMPLING_METHOD resmethod;
[638]46        //! resampling threshold; in this case its meaning is minimum ratio of active particles
47        //! For example, for 0.5 resampling is performed when the numebr of active aprticles drops belo 50%.
48        double res_threshold;
49       
[281]50        //! \name Options
51        //!@{
52
53        //! Log all samples
54        bool opt_L_smp;
[283]55        //! Log all samples
56        bool opt_L_wei;
[281]57        //!@}
58
[8]59public:
[270]60        //! \name Constructors
61        //!@{
[477]62        PF ( ) : est(), _w ( est._w() ), _samples ( est._samples() ), opt_L_smp ( false ), opt_L_wei ( false ) {
63                LIDs.set_size ( 5 );
64        };
[638]65       
66        void set_parameters (int n0, double res_th0=0.5, RESAMPLING_METHOD rm = SYSTEMATIC ) {
[477]67                n = n0;
[638]68                res_threshold = res_th0;
[477]69                resmethod = rm;
70        };
[638]71        void set_model ( shared_ptr<mpdf> par0, shared_ptr<mpdf> obs0) {
72                par = par0;
73                obs = obs0;
74                // set values for posterior
75                est.set_rv(par->_rv());
76        };
[488]77        void set_statistics ( const vec w0, const epdf &epdf0 ) {
[477]78                est.set_statistics ( w0, epdf0 );
79        };
[638]80        void set_statistics ( const eEmp &epdf0 ) {
81                bdm_assert_debug(epdf0._rv().equal(par->_rv()),"Incompatibel input");
82                est=epdf0;
83        };
[270]84        //!@}
[33]85        //! Set posterior density by sampling from epdf0
[638]86        //! Extends original BM::set_options by two more options:
87        //! \li logweights - meaning that all weightes will be logged
88        //! \li logsamples - all samples will be also logged
[283]89        void set_options ( const string &opt ) {
[477]90                BM::set_options ( opt );
91                opt_L_wei = ( opt.find ( "logweights" ) != string::npos );
92                opt_L_smp = ( opt.find ( "logsamples" ) != string::npos );
[281]93        }
[638]94        //! bayes I - generate samples and add their weights to lls
95        virtual void bayes_gensmp();
96        //! bayes II - compute weights of the
97        virtual void bayes_weights();
98        //! important part of particle filtering - decide if it is time to perform resampling
99        virtual bool do_resampling(){   
100                double eff = 1.0 / ( _w * _w );
101                return eff < ( res_threshold*n );
102        }
[32]103        void bayes ( const vec &dt );
[225]104        //!access function
[638]105        vec& __w() { return _w; }
106        //!access function
107        vec& _lls() { return lls; }
[660]108        //!access function
[638]109        RESAMPLING_METHOD _resmethod() const { return resmethod; }
[660]110        //! return correctly typed posterior (covariant return)
[638]111        const eEmp& posterior() const {return est;}
112       
113        /*! configuration structure for basic PF
114        \code
115        parameter_pdf   = mpdf_class;         // parameter evolution pdf
116        observation_pdf = mpdf_class;         // observation pdf
117        prior           = epdf_class;         // prior probability density
118        --- optional ---
119        n               = 10;                 // number of particles
120        resmethod       = 'systematic', or 'multinomial', or 'stratified'
121                                                                                  // resampling method
122        res_threshold   = 0.5;                // resample when active particles drop below 50%
123        \endcode
124        */
125        void from_setting(const Setting &set){
126                par = UI::build<mpdf>(set,"parameter_pdf",UI::compulsory);
127                obs = UI::build<mpdf>(set,"observation_pdf",UI::compulsory);
128               
129                prior_from_set(set);
130                resmethod_from_set(set);
131                // set resampling method
132                //set drv
133                //find potential input - what remains in rvc when we subtract rv
134                RV u = par->_rvc().remove_time().subt( par->_rv() ); 
135                //find potential input - what remains in rvc when we subtract x_t
136                RV obs_u = obs->_rvc().remove_time().subt( par->_rv() ); 
137               
138                u.add(obs_u); // join both u, and check if they do not overlap
139               
140                set_drv(concat(obs->_rv(),u) );
[477]141        }
[638]142        //! auxiliary function reading parameter 'resmethod' from configuration file
143        void resmethod_from_set(const Setting &set){
144                string resmeth;
145                if (UI::get(resmeth,set,"resmethod",UI::optional)){
146                        if (resmeth=="systematic") {
147                                resmethod= SYSTEMATIC;
148                        } else  {
149                                if (resmeth=="multinomial"){
150                                        resmethod=MULTINOMIAL;
151                                } else {
152                                        if (resmeth=="stratified"){
153                                                resmethod= STRATIFIED;
154                                        } else {
155                                                bdm_error("Unknown resampling method");
156                                        }
157                                }
158                        }
159                } else {
160                        resmethod=SYSTEMATIC;
161                };
162                if(!UI::get(res_threshold, set, "res_threshold", UI::optional)){
163                        res_threshold=0.5;
164                }
165        }
166        //! load prior information from set and set internal structures accordingly
167        void prior_from_set(const Setting & set){
168                shared_ptr<epdf> pri = UI::build<epdf>(set,"prior",UI::compulsory);
169               
170                eEmp *test_emp=dynamic_cast<eEmp*>(&(*pri));
171                if (test_emp) { // given pdf is sampled
172                        est=*test_emp;
173                } else {
174                        int n;
175                        if (!UI::get(n,set,"n",UI::optional)){n=10;}
176                        // sample from prior
177                        set_statistics(ones(n)/n, *pri);
178                }
179                //validate();
180        }
181       
182        void validate(){
183                n=_w.length();
184                lls=zeros(n);
185                if (par->_rv()._dsize()>0) {
186                        bdm_assert(par->_rv()._dsize()==est.dimension(),"Mismatch of RV and dimension of posterior" );
187                }
188        }
189        //! resample posterior density (from outside - see MPF)
190        void resample(ivec &ind){
191                est.resample(ind,resmethod);
192        }
[660]193        //! access function
[653]194        Array<vec>& __samples(){return _samples;}
[8]195};
[638]196UIREGISTER(PF);
[8]197
198/*!
[32]199\brief Marginalized Particle filter
[8]200
[638]201A composition of particle filter with exact (or almost exact) bayesian models (BMs).
202The Bayesian models provide marginalized predictive density. Internaly this is achieved by virtual class MPFmpdf.
[8]203*/
204
[638]205class MPF : public BM  {
[653]206        protected:
[660]207                //! particle filter on non-linear variable
[653]208        shared_ptr<PF> pf;
[660]209        //! Array of Bayesian models
[638]210        Array<BM*> BMs;
[32]211
212        //! internal class for MPDF providing composition of eEmp with external components
213
[477]214        class mpfepdf : public epdf  {
[660]215                //! pointer to particle filter
[638]216                shared_ptr<PF> &pf;
[660]217                //! pointer to Array of BMs
[638]218                Array<BM*> &BMs;
[8]219        public:
[660]220                //! constructor
[638]221                mpfepdf (shared_ptr<PF> &pf0, Array<BM*> &BMs0): epdf(), pf(pf0), BMs(BMs0) { };
222                //! a variant of set parameters - this time, parameters are read from BMs and pf
223                void read_parameters(){
224                        rv = concat(pf->posterior()._rv(), BMs(0)->posterior()._rv());
225                        dim = pf->posterior().dimension() + BMs(0)->posterior().dimension();
226                        bdm_assert_debug(dim == rv._dsize(), "Wrong name ");
[283]227                }
[32]228                vec mean() const {
[638]229                        const vec &w = pf->posterior()._w();
230                        vec pom = zeros ( BMs(0)->posterior ().dimension() );
231                        //compute mean of BMs
232                        for ( int i = 0; i < w.length(); i++ ) {
233                                pom += BMs ( i )->posterior().mean() * w ( i );
[477]234                        }
[638]235                        return concat ( pf->posterior().mean(), pom );
[32]236                }
[229]237                vec variance() const {
[638]238                        const vec &w = pf->posterior()._w();
239                       
240                        vec pom = zeros ( BMs(0)->posterior ().dimension() );
241                        vec pom2 = zeros ( BMs(0)->posterior ().dimension() );
242                        vec mea;
243                       
244                        for ( int i = 0; i < w.length(); i++ ) {
245                                // save current mean
246                                mea = BMs ( i )->posterior().mean();
247                                pom += mea * w ( i );
248                                //compute variance
249                                pom2 += ( BMs ( i )->posterior().variance() + pow ( mea, 2 ) ) * w ( i );
[270]250                        }
[638]251                        return concat ( pf->posterior().variance(), pom2 - pow ( pom, 2 ) );
[229]252                }
[638]253               
[477]254                void qbounds ( vec &lb, vec &ub, double perc = 0.95 ) const {
[283]255                        //bounds on particles
256                        vec lbp;
257                        vec ubp;
[638]258                        pf->posterior().qbounds ( lbp, ubp );
[32]259
[283]260                        //bounds on Components
[638]261                        int dimC = BMs ( 0 )->posterior().dimension();
[283]262                        int j;
263                        // temporary
[477]264                        vec lbc ( dimC );
265                        vec ubc ( dimC );
[283]266                        // minima and maxima
[477]267                        vec Lbc ( dimC );
268                        vec Ubc ( dimC );
[283]269                        Lbc = std::numeric_limits<double>::infinity();
270                        Ubc = -std::numeric_limits<double>::infinity();
271
[638]272                        for ( int i = 0; i < BMs.length(); i++ ) {
[283]273                                // check Coms
[638]274                                BMs ( i )->posterior().qbounds ( lbc, ubc );
275                                //save either minima or maxima
[477]276                                for ( j = 0; j < dimC; j++ ) {
277                                        if ( lbc ( j ) < Lbc ( j ) ) {
278                                                Lbc ( j ) = lbc ( j );
279                                        }
280                                        if ( ubc ( j ) > Ubc ( j ) ) {
281                                                Ubc ( j ) = ubc ( j );
282                                        }
[283]283                                }
284                        }
[477]285                        lb = concat ( lbp, Lbc );
286                        ub = concat ( ubp, Ubc );
[283]287                }
288
[477]289                vec sample() const {
[565]290                        bdm_error ( "Not implemented" );
291                        return vec();
[477]292                }
[32]293
[477]294                double evallog ( const vec &val ) const {
[565]295                        bdm_error ( "not implemented" );
[477]296                        return 0.0;
297                }
[32]298        };
299
[281]300        //! Density joining PF.est with conditional parts
[32]301        mpfepdf jest;
302
[281]303        //! Log means of BMs
304        bool opt_L_mea;
[283]305
[32]306public:
307        //! Default constructor.
[638]308        MPF () :  jest (pf,BMs) {};
[660]309        //! set all parameters at once
[638]310        void set_parameters ( shared_ptr<mpdf> par0, shared_ptr<mpdf> obs0, int n0, RESAMPLING_METHOD rm = SYSTEMATIC ) {
311                pf->set_model ( par0, obs0); 
312                pf->set_parameters(n0, rm );
[283]313                BMs.set_length ( n0 );
314        }
[660]315        //! set a prototype of BM, copy it to as many times as there is particles in pf
[638]316        void set_BM ( const BM &BMcond0 ) {
[32]317
[638]318                int n=pf->__w().length();
319                BMs.set_length(n);
[283]320                // copy
[638]321                //BMcond0 .condition ( pf->posterior()._sample ( 0 ) );
[477]322                for ( int i = 0; i < n; i++ ) {
[638]323                        BMs ( i ) = BMcond0._copy_();
[477]324                }
[32]325        };
326
327        void bayes ( const vec &dt );
[477]328        const epdf& posterior() const {
329                return jest;
330        }
[638]331        //! Extends options understood by BM::set_options by option
332        //! \li logmeans - meaning
[283]333        void set_options ( const string &opt ) {
[638]334                BM::set_options(opt);
[477]335                opt_L_mea = ( opt.find ( "logmeans" ) != string::npos );
[32]336        }
[283]337
[225]338        //!Access function
[536]339        const BM* _BM ( int i ) {
[477]340                return BMs ( i );
341        }
[638]342       
343        /*! configuration structure for basic PF
344        \code
345        BM              = BM_class;           // Bayesian filtr for analytical part of the model
346        parameter_pdf   = mpdf_class;         // transitional pdf for non-parametric part of the model
347        prior           = epdf_class;         // prior probability density
348        --- optional ---
349        n               = 10;                 // number of particles
350        resmethod       = 'systematic', or 'multinomial', or 'stratified'
351                                                                                  // resampling method
352        \endcode
353        */     
354        void from_setting(const Setting &set){
355                shared_ptr<mpdf> par = UI::build<mpdf>(set,"parameter_pdf",UI::compulsory);
356                shared_ptr<mpdf> obs= new mpdf(); // not used!!
[8]357
[638]358                pf = new PF;
359                // rpior must be set before BM
360                pf->prior_from_set(set);
361                pf->resmethod_from_set(set);
362                pf->set_model(par,obs);
363               
364                shared_ptr<BM> BM0 =UI::build<BM>(set,"BM",UI::compulsory);
365                set_BM(*BM0);
366               
367                string opt;
368                if (UI::get(opt,set,"options",UI::optional)){
369                        set_options(opt);
370                }
371                //set drv
372                //find potential input - what remains in rvc when we subtract rv
373                RV u = par->_rvc().remove_time().subt( par->_rv() );           
374                set_drv(concat(BM0->_drv(),u) );
375                validate();
[32]376        }
[638]377        void validate(){
378                try{
379                pf->validate();
380                } catch (std::exception &e){
381                        throw UIException("Error in PF part of MPF:");
382                }
383                jest.read_parameters();
[660]384                for ( int i = 0; i < pf->__w().length(); i++ ) {
385                        BMs ( i )->condition ( pf->posterior()._sample ( i ) );
386                }
[32]387        }
[638]388       
389};
390UIREGISTER(MPF);
[32]391
392}
[8]393#endif // KF_H
394
Note: See TracBrowser for help on using the browser.