root/library/bdm/estim/particles.h @ 665

Revision 665, 11.0 kB (checked in by smidl, 15 years ago)

Compilation and minor extensions

  • 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
[665]95        virtual void bayes_gensmp(const vec &ut);
[638]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){
[665]126                BM::from_setting(set);
[638]127                par = UI::build<mpdf>(set,"parameter_pdf",UI::compulsory);
128                obs = UI::build<mpdf>(set,"observation_pdf",UI::compulsory);
129               
130                prior_from_set(set);
131                resmethod_from_set(set);
132                // set resampling method
133                //set drv
134                //find potential input - what remains in rvc when we subtract rv
135                RV u = par->_rvc().remove_time().subt( par->_rv() ); 
136                //find potential input - what remains in rvc when we subtract x_t
137                RV obs_u = obs->_rvc().remove_time().subt( par->_rv() ); 
138               
139                u.add(obs_u); // join both u, and check if they do not overlap
[665]140
[638]141                set_drv(concat(obs->_rv(),u) );
[477]142        }
[638]143        //! auxiliary function reading parameter 'resmethod' from configuration file
144        void resmethod_from_set(const Setting &set){
145                string resmeth;
146                if (UI::get(resmeth,set,"resmethod",UI::optional)){
147                        if (resmeth=="systematic") {
148                                resmethod= SYSTEMATIC;
149                        } else  {
150                                if (resmeth=="multinomial"){
151                                        resmethod=MULTINOMIAL;
152                                } else {
153                                        if (resmeth=="stratified"){
154                                                resmethod= STRATIFIED;
155                                        } else {
156                                                bdm_error("Unknown resampling method");
157                                        }
158                                }
159                        }
160                } else {
161                        resmethod=SYSTEMATIC;
162                };
163                if(!UI::get(res_threshold, set, "res_threshold", UI::optional)){
164                        res_threshold=0.5;
165                }
[665]166                validate();
[638]167        }
168        //! load prior information from set and set internal structures accordingly
169        void prior_from_set(const Setting & set){
170                shared_ptr<epdf> pri = UI::build<epdf>(set,"prior",UI::compulsory);
171               
172                eEmp *test_emp=dynamic_cast<eEmp*>(&(*pri));
173                if (test_emp) { // given pdf is sampled
174                        est=*test_emp;
175                } else {
[665]176                        //int n;
[638]177                        if (!UI::get(n,set,"n",UI::optional)){n=10;}
178                        // sample from prior
179                        set_statistics(ones(n)/n, *pri);
180                }
[665]181                n = est._w().length();
[638]182                //validate();
183        }
184       
185        void validate(){
186                n=_w.length();
187                lls=zeros(n);
188                if (par->_rv()._dsize()>0) {
189                        bdm_assert(par->_rv()._dsize()==est.dimension(),"Mismatch of RV and dimension of posterior" );
190                }
191        }
192        //! resample posterior density (from outside - see MPF)
193        void resample(ivec &ind){
194                est.resample(ind,resmethod);
195        }
[660]196        //! access function
[653]197        Array<vec>& __samples(){return _samples;}
[8]198};
[638]199UIREGISTER(PF);
[8]200
201/*!
[32]202\brief Marginalized Particle filter
[8]203
[638]204A composition of particle filter with exact (or almost exact) bayesian models (BMs).
205The Bayesian models provide marginalized predictive density. Internaly this is achieved by virtual class MPFmpdf.
[8]206*/
207
[638]208class MPF : public BM  {
[653]209        protected:
[660]210                //! particle filter on non-linear variable
[653]211        shared_ptr<PF> pf;
[660]212        //! Array of Bayesian models
[638]213        Array<BM*> BMs;
[32]214
215        //! internal class for MPDF providing composition of eEmp with external components
216
[477]217        class mpfepdf : public epdf  {
[660]218                //! pointer to particle filter
[638]219                shared_ptr<PF> &pf;
[660]220                //! pointer to Array of BMs
[638]221                Array<BM*> &BMs;
[8]222        public:
[660]223                //! constructor
[638]224                mpfepdf (shared_ptr<PF> &pf0, Array<BM*> &BMs0): epdf(), pf(pf0), BMs(BMs0) { };
225                //! a variant of set parameters - this time, parameters are read from BMs and pf
226                void read_parameters(){
227                        rv = concat(pf->posterior()._rv(), BMs(0)->posterior()._rv());
228                        dim = pf->posterior().dimension() + BMs(0)->posterior().dimension();
229                        bdm_assert_debug(dim == rv._dsize(), "Wrong name ");
[283]230                }
[32]231                vec mean() const {
[638]232                        const vec &w = pf->posterior()._w();
233                        vec pom = zeros ( BMs(0)->posterior ().dimension() );
234                        //compute mean of BMs
235                        for ( int i = 0; i < w.length(); i++ ) {
236                                pom += BMs ( i )->posterior().mean() * w ( i );
[477]237                        }
[638]238                        return concat ( pf->posterior().mean(), pom );
[32]239                }
[229]240                vec variance() const {
[638]241                        const vec &w = pf->posterior()._w();
242                       
243                        vec pom = zeros ( BMs(0)->posterior ().dimension() );
244                        vec pom2 = zeros ( BMs(0)->posterior ().dimension() );
245                        vec mea;
246                       
247                        for ( int i = 0; i < w.length(); i++ ) {
248                                // save current mean
249                                mea = BMs ( i )->posterior().mean();
250                                pom += mea * w ( i );
251                                //compute variance
252                                pom2 += ( BMs ( i )->posterior().variance() + pow ( mea, 2 ) ) * w ( i );
[270]253                        }
[638]254                        return concat ( pf->posterior().variance(), pom2 - pow ( pom, 2 ) );
[229]255                }
[638]256               
[477]257                void qbounds ( vec &lb, vec &ub, double perc = 0.95 ) const {
[283]258                        //bounds on particles
259                        vec lbp;
260                        vec ubp;
[638]261                        pf->posterior().qbounds ( lbp, ubp );
[32]262
[283]263                        //bounds on Components
[638]264                        int dimC = BMs ( 0 )->posterior().dimension();
[283]265                        int j;
266                        // temporary
[477]267                        vec lbc ( dimC );
268                        vec ubc ( dimC );
[283]269                        // minima and maxima
[477]270                        vec Lbc ( dimC );
271                        vec Ubc ( dimC );
[283]272                        Lbc = std::numeric_limits<double>::infinity();
273                        Ubc = -std::numeric_limits<double>::infinity();
274
[638]275                        for ( int i = 0; i < BMs.length(); i++ ) {
[283]276                                // check Coms
[638]277                                BMs ( i )->posterior().qbounds ( lbc, ubc );
278                                //save either minima or maxima
[477]279                                for ( j = 0; j < dimC; j++ ) {
280                                        if ( lbc ( j ) < Lbc ( j ) ) {
281                                                Lbc ( j ) = lbc ( j );
282                                        }
283                                        if ( ubc ( j ) > Ubc ( j ) ) {
284                                                Ubc ( j ) = ubc ( j );
285                                        }
[283]286                                }
287                        }
[477]288                        lb = concat ( lbp, Lbc );
289                        ub = concat ( ubp, Ubc );
[283]290                }
291
[477]292                vec sample() const {
[565]293                        bdm_error ( "Not implemented" );
294                        return vec();
[477]295                }
[32]296
[477]297                double evallog ( const vec &val ) const {
[565]298                        bdm_error ( "not implemented" );
[477]299                        return 0.0;
300                }
[32]301        };
302
[281]303        //! Density joining PF.est with conditional parts
[32]304        mpfepdf jest;
305
[281]306        //! Log means of BMs
307        bool opt_L_mea;
[283]308
[32]309public:
310        //! Default constructor.
[638]311        MPF () :  jest (pf,BMs) {};
[660]312        //! set all parameters at once
[638]313        void set_parameters ( shared_ptr<mpdf> par0, shared_ptr<mpdf> obs0, int n0, RESAMPLING_METHOD rm = SYSTEMATIC ) {
314                pf->set_model ( par0, obs0); 
315                pf->set_parameters(n0, rm );
[283]316                BMs.set_length ( n0 );
317        }
[660]318        //! set a prototype of BM, copy it to as many times as there is particles in pf
[638]319        void set_BM ( const BM &BMcond0 ) {
[32]320
[638]321                int n=pf->__w().length();
322                BMs.set_length(n);
[283]323                // copy
[638]324                //BMcond0 .condition ( pf->posterior()._sample ( 0 ) );
[477]325                for ( int i = 0; i < n; i++ ) {
[638]326                        BMs ( i ) = BMcond0._copy_();
[477]327                }
[32]328        };
329
330        void bayes ( const vec &dt );
[477]331        const epdf& posterior() const {
332                return jest;
333        }
[638]334        //! Extends options understood by BM::set_options by option
335        //! \li logmeans - meaning
[283]336        void set_options ( const string &opt ) {
[638]337                BM::set_options(opt);
[477]338                opt_L_mea = ( opt.find ( "logmeans" ) != string::npos );
[32]339        }
[283]340
[225]341        //!Access function
[536]342        const BM* _BM ( int i ) {
[477]343                return BMs ( i );
344        }
[638]345       
346        /*! configuration structure for basic PF
347        \code
348        BM              = BM_class;           // Bayesian filtr for analytical part of the model
349        parameter_pdf   = mpdf_class;         // transitional pdf for non-parametric part of the model
350        prior           = epdf_class;         // prior probability density
351        --- optional ---
352        n               = 10;                 // number of particles
353        resmethod       = 'systematic', or 'multinomial', or 'stratified'
354                                                                                  // resampling method
355        \endcode
356        */     
357        void from_setting(const Setting &set){
358                shared_ptr<mpdf> par = UI::build<mpdf>(set,"parameter_pdf",UI::compulsory);
359                shared_ptr<mpdf> obs= new mpdf(); // not used!!
[8]360
[638]361                pf = new PF;
362                // rpior must be set before BM
363                pf->prior_from_set(set);
364                pf->resmethod_from_set(set);
365                pf->set_model(par,obs);
366               
367                shared_ptr<BM> BM0 =UI::build<BM>(set,"BM",UI::compulsory);
368                set_BM(*BM0);
369               
370                string opt;
371                if (UI::get(opt,set,"options",UI::optional)){
372                        set_options(opt);
373                }
374                //set drv
375                //find potential input - what remains in rvc when we subtract rv
376                RV u = par->_rvc().remove_time().subt( par->_rv() );           
377                set_drv(concat(BM0->_drv(),u) );
378                validate();
[32]379        }
[638]380        void validate(){
381                try{
382                pf->validate();
383                } catch (std::exception &e){
384                        throw UIException("Error in PF part of MPF:");
385                }
386                jest.read_parameters();
[660]387                for ( int i = 0; i < pf->__w().length(); i++ ) {
388                        BMs ( i )->condition ( pf->posterior()._sample ( i ) );
389                }
[32]390        }
[638]391       
392};
393UIREGISTER(MPF);
[32]394
395}
[8]396#endif // KF_H
397
Note: See TracBrowser for help on using the browser.