root/library/bdm/estim/particles.h @ 676

Revision 676, 10.8 kB (checked in by smidl, 15 years ago)

logger refactoring

  • 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
[8]54public:
[270]55        //! \name Constructors
56        //!@{
[676]57        PF ( ) : est(), _w ( est._w() ), _samples ( est._samples() ) {
[477]58        };
[638]59       
60        void set_parameters (int n0, double res_th0=0.5, RESAMPLING_METHOD rm = SYSTEMATIC ) {
[477]61                n = n0;
[638]62                res_threshold = res_th0;
[477]63                resmethod = rm;
64        };
[638]65        void set_model ( shared_ptr<mpdf> par0, shared_ptr<mpdf> obs0) {
66                par = par0;
67                obs = obs0;
68                // set values for posterior
69                est.set_rv(par->_rv());
70        };
[488]71        void set_statistics ( const vec w0, const epdf &epdf0 ) {
[477]72                est.set_statistics ( w0, epdf0 );
73        };
[638]74        void set_statistics ( const eEmp &epdf0 ) {
75                bdm_assert_debug(epdf0._rv().equal(par->_rv()),"Incompatibel input");
76                est=epdf0;
77        };
[270]78        //!@}
[33]79        //! Set posterior density by sampling from epdf0
[638]80        //! Extends original BM::set_options by two more options:
81        //! \li logweights - meaning that all weightes will be logged
82        //! \li logsamples - all samples will be also logged
[283]83        void set_options ( const string &opt ) {
[477]84                BM::set_options ( opt );
[281]85        }
[638]86        //! bayes I - generate samples and add their weights to lls
[665]87        virtual void bayes_gensmp(const vec &ut);
[638]88        //! bayes II - compute weights of the
89        virtual void bayes_weights();
90        //! important part of particle filtering - decide if it is time to perform resampling
91        virtual bool do_resampling(){   
92                double eff = 1.0 / ( _w * _w );
93                return eff < ( res_threshold*n );
94        }
[32]95        void bayes ( const vec &dt );
[225]96        //!access function
[638]97        vec& __w() { return _w; }
98        //!access function
99        vec& _lls() { return lls; }
[660]100        //!access function
[638]101        RESAMPLING_METHOD _resmethod() const { return resmethod; }
[660]102        //! return correctly typed posterior (covariant return)
[638]103        const eEmp& posterior() const {return est;}
104       
105        /*! configuration structure for basic PF
106        \code
107        parameter_pdf   = mpdf_class;         // parameter evolution pdf
108        observation_pdf = mpdf_class;         // observation pdf
109        prior           = epdf_class;         // prior probability density
110        --- optional ---
111        n               = 10;                 // number of particles
112        resmethod       = 'systematic', or 'multinomial', or 'stratified'
113                                                                                  // resampling method
114        res_threshold   = 0.5;                // resample when active particles drop below 50%
115        \endcode
116        */
117        void from_setting(const Setting &set){
[665]118                BM::from_setting(set);
[638]119                par = UI::build<mpdf>(set,"parameter_pdf",UI::compulsory);
120                obs = UI::build<mpdf>(set,"observation_pdf",UI::compulsory);
121               
122                prior_from_set(set);
123                resmethod_from_set(set);
124                // set resampling method
125                //set drv
126                //find potential input - what remains in rvc when we subtract rv
127                RV u = par->_rvc().remove_time().subt( par->_rv() ); 
128                //find potential input - what remains in rvc when we subtract x_t
129                RV obs_u = obs->_rvc().remove_time().subt( par->_rv() ); 
130               
131                u.add(obs_u); // join both u, and check if they do not overlap
[665]132
[638]133                set_drv(concat(obs->_rv(),u) );
[477]134        }
[638]135        //! auxiliary function reading parameter 'resmethod' from configuration file
136        void resmethod_from_set(const Setting &set){
137                string resmeth;
138                if (UI::get(resmeth,set,"resmethod",UI::optional)){
139                        if (resmeth=="systematic") {
140                                resmethod= SYSTEMATIC;
141                        } else  {
142                                if (resmeth=="multinomial"){
143                                        resmethod=MULTINOMIAL;
144                                } else {
145                                        if (resmeth=="stratified"){
146                                                resmethod= STRATIFIED;
147                                        } else {
148                                                bdm_error("Unknown resampling method");
149                                        }
150                                }
151                        }
152                } else {
153                        resmethod=SYSTEMATIC;
154                };
155                if(!UI::get(res_threshold, set, "res_threshold", UI::optional)){
156                        res_threshold=0.5;
157                }
[665]158                validate();
[638]159        }
160        //! load prior information from set and set internal structures accordingly
161        void prior_from_set(const Setting & set){
162                shared_ptr<epdf> pri = UI::build<epdf>(set,"prior",UI::compulsory);
163               
164                eEmp *test_emp=dynamic_cast<eEmp*>(&(*pri));
165                if (test_emp) { // given pdf is sampled
166                        est=*test_emp;
167                } else {
[665]168                        //int n;
[638]169                        if (!UI::get(n,set,"n",UI::optional)){n=10;}
170                        // sample from prior
171                        set_statistics(ones(n)/n, *pri);
172                }
[665]173                n = est._w().length();
[638]174                //validate();
175        }
176       
177        void validate(){
178                n=_w.length();
179                lls=zeros(n);
180                if (par->_rv()._dsize()>0) {
181                        bdm_assert(par->_rv()._dsize()==est.dimension(),"Mismatch of RV and dimension of posterior" );
182                }
183        }
184        //! resample posterior density (from outside - see MPF)
185        void resample(ivec &ind){
186                est.resample(ind,resmethod);
187        }
[660]188        //! access function
[653]189        Array<vec>& __samples(){return _samples;}
[8]190};
[638]191UIREGISTER(PF);
[8]192
193/*!
[32]194\brief Marginalized Particle filter
[8]195
[638]196A composition of particle filter with exact (or almost exact) bayesian models (BMs).
197The Bayesian models provide marginalized predictive density. Internaly this is achieved by virtual class MPFmpdf.
[8]198*/
199
[638]200class MPF : public BM  {
[653]201        protected:
[660]202                //! particle filter on non-linear variable
[653]203        shared_ptr<PF> pf;
[660]204        //! Array of Bayesian models
[638]205        Array<BM*> BMs;
[32]206
207        //! internal class for MPDF providing composition of eEmp with external components
208
[477]209        class mpfepdf : public epdf  {
[660]210                //! pointer to particle filter
[638]211                shared_ptr<PF> &pf;
[660]212                //! pointer to Array of BMs
[638]213                Array<BM*> &BMs;
[8]214        public:
[660]215                //! constructor
[638]216                mpfepdf (shared_ptr<PF> &pf0, Array<BM*> &BMs0): epdf(), pf(pf0), BMs(BMs0) { };
217                //! a variant of set parameters - this time, parameters are read from BMs and pf
218                void read_parameters(){
219                        rv = concat(pf->posterior()._rv(), BMs(0)->posterior()._rv());
220                        dim = pf->posterior().dimension() + BMs(0)->posterior().dimension();
221                        bdm_assert_debug(dim == rv._dsize(), "Wrong name ");
[283]222                }
[32]223                vec mean() const {
[638]224                        const vec &w = pf->posterior()._w();
225                        vec pom = zeros ( BMs(0)->posterior ().dimension() );
226                        //compute mean of BMs
227                        for ( int i = 0; i < w.length(); i++ ) {
228                                pom += BMs ( i )->posterior().mean() * w ( i );
[477]229                        }
[638]230                        return concat ( pf->posterior().mean(), pom );
[32]231                }
[229]232                vec variance() const {
[638]233                        const vec &w = pf->posterior()._w();
234                       
235                        vec pom = zeros ( BMs(0)->posterior ().dimension() );
236                        vec pom2 = zeros ( BMs(0)->posterior ().dimension() );
237                        vec mea;
238                       
239                        for ( int i = 0; i < w.length(); i++ ) {
240                                // save current mean
241                                mea = BMs ( i )->posterior().mean();
242                                pom += mea * w ( i );
243                                //compute variance
244                                pom2 += ( BMs ( i )->posterior().variance() + pow ( mea, 2 ) ) * w ( i );
[270]245                        }
[638]246                        return concat ( pf->posterior().variance(), pom2 - pow ( pom, 2 ) );
[229]247                }
[638]248               
[477]249                void qbounds ( vec &lb, vec &ub, double perc = 0.95 ) const {
[283]250                        //bounds on particles
251                        vec lbp;
252                        vec ubp;
[638]253                        pf->posterior().qbounds ( lbp, ubp );
[32]254
[283]255                        //bounds on Components
[638]256                        int dimC = BMs ( 0 )->posterior().dimension();
[283]257                        int j;
258                        // temporary
[477]259                        vec lbc ( dimC );
260                        vec ubc ( dimC );
[283]261                        // minima and maxima
[477]262                        vec Lbc ( dimC );
263                        vec Ubc ( dimC );
[283]264                        Lbc = std::numeric_limits<double>::infinity();
265                        Ubc = -std::numeric_limits<double>::infinity();
266
[638]267                        for ( int i = 0; i < BMs.length(); i++ ) {
[283]268                                // check Coms
[638]269                                BMs ( i )->posterior().qbounds ( lbc, ubc );
270                                //save either minima or maxima
[477]271                                for ( j = 0; j < dimC; j++ ) {
272                                        if ( lbc ( j ) < Lbc ( j ) ) {
273                                                Lbc ( j ) = lbc ( j );
274                                        }
275                                        if ( ubc ( j ) > Ubc ( j ) ) {
276                                                Ubc ( j ) = ubc ( j );
277                                        }
[283]278                                }
279                        }
[477]280                        lb = concat ( lbp, Lbc );
281                        ub = concat ( ubp, Ubc );
[283]282                }
283
[477]284                vec sample() const {
[565]285                        bdm_error ( "Not implemented" );
286                        return vec();
[477]287                }
[32]288
[477]289                double evallog ( const vec &val ) const {
[565]290                        bdm_error ( "not implemented" );
[477]291                        return 0.0;
292                }
[32]293        };
294
[281]295        //! Density joining PF.est with conditional parts
[32]296        mpfepdf jest;
297
[281]298        //! Log means of BMs
299        bool opt_L_mea;
[283]300
[32]301public:
302        //! Default constructor.
[638]303        MPF () :  jest (pf,BMs) {};
[660]304        //! set all parameters at once
[638]305        void set_parameters ( shared_ptr<mpdf> par0, shared_ptr<mpdf> obs0, int n0, RESAMPLING_METHOD rm = SYSTEMATIC ) {
306                pf->set_model ( par0, obs0); 
307                pf->set_parameters(n0, rm );
[283]308                BMs.set_length ( n0 );
309        }
[660]310        //! set a prototype of BM, copy it to as many times as there is particles in pf
[638]311        void set_BM ( const BM &BMcond0 ) {
[32]312
[638]313                int n=pf->__w().length();
314                BMs.set_length(n);
[283]315                // copy
[638]316                //BMcond0 .condition ( pf->posterior()._sample ( 0 ) );
[477]317                for ( int i = 0; i < n; i++ ) {
[638]318                        BMs ( i ) = BMcond0._copy_();
[477]319                }
[32]320        };
321
322        void bayes ( const vec &dt );
[477]323        const epdf& posterior() const {
324                return jest;
325        }
[638]326        //! Extends options understood by BM::set_options by option
327        //! \li logmeans - meaning
[283]328        void set_options ( const string &opt ) {
[638]329                BM::set_options(opt);
[477]330                opt_L_mea = ( opt.find ( "logmeans" ) != string::npos );
[32]331        }
[283]332
[225]333        //!Access function
[536]334        const BM* _BM ( int i ) {
[477]335                return BMs ( i );
336        }
[638]337       
338        /*! configuration structure for basic PF
339        \code
340        BM              = BM_class;           // Bayesian filtr for analytical part of the model
341        parameter_pdf   = mpdf_class;         // transitional pdf for non-parametric part of the model
342        prior           = epdf_class;         // prior probability density
343        --- optional ---
344        n               = 10;                 // number of particles
345        resmethod       = 'systematic', or 'multinomial', or 'stratified'
346                                                                                  // resampling method
347        \endcode
348        */     
349        void from_setting(const Setting &set){
350                shared_ptr<mpdf> par = UI::build<mpdf>(set,"parameter_pdf",UI::compulsory);
351                shared_ptr<mpdf> obs= new mpdf(); // not used!!
[8]352
[638]353                pf = new PF;
354                // rpior must be set before BM
355                pf->prior_from_set(set);
356                pf->resmethod_from_set(set);
357                pf->set_model(par,obs);
358               
359                shared_ptr<BM> BM0 =UI::build<BM>(set,"BM",UI::compulsory);
360                set_BM(*BM0);
361               
362                string opt;
363                if (UI::get(opt,set,"options",UI::optional)){
364                        set_options(opt);
365                }
366                //set drv
367                //find potential input - what remains in rvc when we subtract rv
368                RV u = par->_rvc().remove_time().subt( par->_rv() );           
369                set_drv(concat(BM0->_drv(),u) );
370                validate();
[32]371        }
[638]372        void validate(){
373                try{
374                pf->validate();
375                } catch (std::exception &e){
376                        throw UIException("Error in PF part of MPF:");
377                }
378                jest.read_parameters();
[660]379                for ( int i = 0; i < pf->__w().length(); i++ ) {
380                        BMs ( i )->condition ( pf->posterior()._sample ( i ) );
381                }
[32]382        }
[675]383
[638]384};
385UIREGISTER(MPF);
[32]386
387}
[8]388#endif // KF_H
389
Note: See TracBrowser for help on using the browser.