Extrakce nezávislé komponenty

Podobné dokumenty
USING VIDEO IN PRE-SET AND IN-SET TEACHER TRAINING

WORKSHEET 1: LINEAR EQUATION 1

DC circuits with a single source

Základy teorie front III

Tento materiál byl vytvořen v rámci projektu Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

Gymnázium, Brno, Slovanské nám. 7 WORKBOOK. Mathematics. Teacher: Student:

2. Entity, Architecture, Process

A. Podklady pro habilitační a jmenovací řízení (kvalitativní hodnocení)

Klepnutím lze upravit styl předlohy. nadpisů. nadpisů.

Introduction to MS Dynamics NAV

Obrábění robotem se zpětnovazební tuhostí

Litosil - application

GUIDELINES FOR CONNECTION TO FTP SERVER TO TRANSFER PRINTING DATA

Czech Republic. EDUCAnet. Střední odborná škola Pardubice, s.r.o.

Compression of a Dictionary

Department of Mathematical Analysis and Applications of Mathematics Faculty of Science, Palacký University Olomouc Czech Republic

On large rigid sets of monounary algebras. D. Jakubíková-Studenovská P. J. Šafárik University, Košice, Slovakia

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

Aplikace matematiky. Dana Lauerová A note to the theory of periodic solutions of a parabolic equation

Biosensors and Medical Devices Development at VSB Technical University of Ostrava

PRODEJNÍ EAUKCE A JEJICH ROSTOUCÍ SEX-APPEAL SELLING EAUCTIONS AND THEIR GROWING APPEAL

Využití hybridní metody vícekriteriálního rozhodování za nejistoty. Michal Koláček, Markéta Matulová

Database systems. Normal forms

Gymnázium, Brno, Slovanské nám. 7, SCHEME OF WORK Mathematics SCHEME OF WORK. cz

ACOUSTIC EMISSION SIGNAL USED FOR EVALUATION OF FAILURES FROM SCRATCH INDENTATION

EXACT DS OFFICE. The best lens for office work

Škola: Střední škola obchodní, České Budějovice, Husova 9. Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

Image Analysis and MATLAB. Jiří Militky

Transportation Problem

POSLECH. Anglický jazyk 9. třída Mgr. Martin Zicháček. Jazyk Úroveň Autor Kód materiálu. Z á k l a d o v ý t e x t :

Air Quality Improvement Plans 2019 update Analytical part. Ondřej Vlček, Jana Ďoubalová, Zdeňka Chromcová, Hana Škáchová

Vánoční sety Christmas sets

VY_32_INOVACE_06_Předpřítomný čas_03. Škola: Základní škola Slušovice, okres Zlín, příspěvková organizace

PC/104, PC/104-Plus. 196 ept GmbH I Tel. +49 (0) / I Fax +49 (0) / I I

Chapter 7: Process Synchronization

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

Rozvoj vzdělávání žáků karvinských základních škol v oblasti cizích jazyků Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.1.07/

Mechanika Teplice, výrobní družstvo, závod Děčín TACHOGRAFY. Číslo Servisní Informace Mechanika:

Two-Point Boundary Value Problem

Karta předmětu prezenční studium

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

VYSOKÁ ŠKOLA HOTELOVÁ V PRAZE 8, SPOL. S R. O.

Kdo jsme Čím se zabýváme Nabídka služeb pro veřejnou správu Ověřeno v praxi u tisíce uživatelů v podnikatelské a bankovní sféře Plně využitelné u

VY_22_INOVACE_84. P3 U3 Revision

Číslo materiálu: VY 32 INOVACE 29/18. Číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/

Czech Technical University in Prague DOCTORAL THESIS

Faster Gradient Descent Methods

SPECIAL THEORY OF RELATIVITY

Uni- and multi-dimensional parametric tests for comparison of sample results

Samovysvětlující pozemní komunikace

Next line show use of paragraf symbol. It should be kept with the following number. Jak může státní zástupce věc odložit zmiňuje 159a.

Návrh a implementace algoritmů pro adaptivní řízení průmyslových robotů

PRAVIDLA ZPRACOVÁNÍ STANDARDNÍCH ELEKTRONICKÝCH ZAHRANIČNÍCH PLATEBNÍCH PŘÍKAZŮ STANDARD ELECTRONIC FOREIGN PAYMENT ORDERS PROCESSING RULES

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

Geometry of image formation

kupi.cz Michal Mikuš

Analýza chování algoritmu MSAF při zpracování řeči v bojových prostředcích

Veritas Information Governance získejte zpět kontrolu nad vašimi daty

Immigration Studying. Studying - University. Stating that you want to enroll. Stating that you want to apply for a course.

Immigration Studying. Studying - University. Stating that you want to enroll. Stating that you want to apply for a course.

SEMI-PRODUCTS. 2. The basic classification of semi-products is: standardized semi-products non-standardized semi-products

ehealth a bezpečnost dat

Tento materiál byl vytvořen v rámci projektu Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

DATA SHEET. BC516 PNP Darlington transistor. technický list DISCRETE SEMICONDUCTORS Apr 23. Product specification Supersedes data of 1997 Apr 16

EEA and Norway Grants. Norské fondy a fondy EHP

Amp1.

LOGBOOK. Blahopřejeme, našli jste to! Nezapomeňte. Prosím vyvarujte se downtrade

STLAČITELNOST. σ σ. během zatížení

TKGA3. Pera a klíny. Projekt "Podpora výuky v cizích jazycích na SPŠT"

Enabling Intelligent Buildings via Smart Sensor Network & Smart Lighting

Tento materiál byl vytvořen v rámci projektu Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

These connections are divided into: a) with a form-contact b) with a force-contact

Social Media a firemní komunikace

Úvod do datového a procesního modelování pomocí CASE Erwin a BPwin

CZ.1.07/1.5.00/

HASHING GENERAL Hashovací (=rozptylovací) funkce

2N LiftIP. IO Extender. Communicator for Lifts. Version

Odhady Parametrů Lineární Regrese

Energy vstupuje na trh veterinárních produktů Energy enters the market of veterinary products

a rhomboid, a side, an angle,a vertex, a height, a perimeter, an area an acute angle, an obtuse angle, opposite sides, parallel sides

Psaná podoba jazyka, slovní zásoba

THE MARKING OF BOVINE ANIMALS IN THE CZECH REPUBLIC

VY_22_INOVACE_91 P4 U3 Revision

LOGOMANUÁL / LOGOMANUAL

Zelené potraviny v nových obalech Green foods in a new packaging

Britské společenství národů. Historie Spojeného království Velké Británie a Severního Irska ročník gymnázia (vyšší stupeň)

2N Voice Alarm Station

Digitální učební materiál

The Over-Head Cam (OHC) Valve Train Computer Model

CASTING HAND PRODUCTION USING MOULDS

A Note on Generation of Sequences of Pseudorandom Numbers with Prescribed Autocorrelation Coefficients

Probability density estimation Parametric methods

Výkon závislé práce mimo pracovněprávní vztah Červen 2012

Bezpečnostní problémy VoIP a jejich řešení

POWERSHELL. Desired State Configuration (DSC) Lukáš Brázda MCT, MCSA, MCSE

CZ.1.07/1.5.00/

Aktivita CLIL Chemie III.

Digitální učební materiál

CZECH BUSINESS CLUB IN THE UAE 18 TH AUGUST 2014, PRAGUE

B1 MORE THAN THE CITY

Transkript:

Extrakce nezávislé komponenty Zbyněk Koldovský Acoustic Signal Analysis and Processing Group, Faculty of Mechatronics, Informatics, and Interdisciplinary Studies, Technical University in Liberec, https://asap.ite.tul.cz zbynek.koldovsky@tul.cz

Popis problematiky Cílem slepé separace signálů (BSS) je rozklad pozorované směsi signálů na její jednotlivé složky (komponenty) bez jejich znalosti. Známe tedy pouze pozorovanou směs, kterou jsme naměřili několika senzory. Příklad pro představu: Nahráváme několika mikrofony několik současně hovořících osob. Cílem BSS je separovat promluvy jednotlivých řečníků. Obĺıbenou metodikou je Analýza nezávislých komponent (ICA), která separaci provádí na základě předpokladu, že původní signály (promluvy řečníků) jsou statisticky nezávislé procesy.

Nová tématika V mnoha praktických úlohách nám stačí separace (extrakce) pouze jediné komponenty, která nás zajímá. ICA provádí separaci všech komponent, což je v tomto případě zbytečné. Chceme se proto zabývat metodami, které separují pouze jednu komponentu (Extrakce nezávislé komponenty - Independent Component Extraction - ICE) a jejich aplikacemi např. ve zpracování zvukových nebo biologických signálů.

Nová tématika Zaměřit se chceme především na vývoj algoritmů, které extrakci provádí v reálném čase (on-line) a jsou schopné přizpůsobovat se změnám (pohyb zdroje v prostoru). Zde je nejdůležitějším problémem udržení konvergence algoritmů, tedy aby extrahovaly stále ten zdroj, který chceme. Problematika zahrnuje i teoretické a teoreticko-praktické úlohy jako je výpočet Rao-Cramérovým mezí pro maximální dosažitelnou přesnost ICE, stabilita algoritmů - zvětšení spádové oblasti konvergence ke správnému signálu, modifikace metod pro využití dodatečné informace (např. detekce aktivity zdroje cílového signálu) atd.

Epilog Zájemci o téma budou moci pracovat jako členové týmu A.S.A.P. Snažíme se spolupracovat a hledat řešení úloh společně. V případě dobrých výsledků je možné zapojit studentku/studenta do projektu. Tato prezentace pokračuje ukázkou jiné prezentace a to z mezinárodní konference, kde byl představen nový algoritmus ICE. Pro začátečníka jsou tyto informace nedostatečné a vytržené z kontextu. Prezentace je zde uvedena pouze pro doplnění představy, o jaký typ problematiky se jedná.

Part II Prezentace z konference EUSIPCO 2017 v Řecku - Orthogonally Constrained Independent Component Extraction: Blind MPDR Beamforming

Motivation ICA/IVA are computationally expensive when # microphones 2. (None of CHiME-4 solutions apply ICA or IVA although up to six microphones are available.) In many applications, only one signal of interest should be extracted. ICA/IVA aim to separate the same number of signals as that of microphones. Why not to estimate only one independent signal of interest?

Motivation ICA/IVA are computationally expensive when # microphones 2. (None of CHiME-4 solutions apply ICA or IVA although up to six microphones are available.) In many applications, only one signal of interest should be extracted. ICA/IVA aim to separate the same number of signals as that of microphones. Why not to estimate only one independent signal of interest?

Motivation ICA/IVA are computationally expensive when # microphones 2. (None of CHiME-4 solutions apply ICA or IVA although up to six microphones are available.) In many applications, only one signal of interest should be extracted. ICA/IVA aim to separate the same number of signals as that of microphones. Why not to estimate only one independent signal of interest?

Blind Signal Extraction methods The idea to extract only one interesting signal is not new: Projection Pursuit, nonlinear PCA, Maximum Kurtosis,... Maximum Non-Gaussianity These methods extract the signal based on its interestingness. They do not reflect its independence from the other (background) signals nor the properties of the background. We propose a new mixing model tailored for the signal extraction and apply the classical estimation theory: This is Independent Component Extraction - ICE

Blind Signal Extraction methods The idea to extract only one interesting signal is not new: Projection Pursuit, nonlinear PCA, Maximum Kurtosis,... Maximum Non-Gaussianity These methods extract the signal based on its interestingness. They do not reflect its independence from the other (background) signals nor the properties of the background. We propose a new mixing model tailored for the signal extraction and apply the classical estimation theory: This is Independent Component Extraction - ICE

Blind Signal Extraction methods The idea to extract only one interesting signal is not new: Projection Pursuit, nonlinear PCA, Maximum Kurtosis,... Maximum Non-Gaussianity These methods extract the signal based on its interestingness. They do not reflect its independence from the other (background) signals nor the properties of the background. We propose a new mixing model tailored for the signal extraction and apply the classical estimation theory: This is Independent Component Extraction - ICE

Problem Formulation The problem we need to study (in the complex-valued domain) is x = as + y ICA mixing model assumes x = As = as + A 2 u, }{{} y where A = [a A 2 ] and s = [s u] T. }{{} square In ICE, it is not the goal to find u, that is, the independent components of y.

Problem Formulation The problem we need to study (in the complex-valued domain) is x = as + y ICA mixing model assumes x = As = as + A 2 u, }{{} y where A = [a A 2 ] and s = [s u] T. }{{} square In ICE, it is not the goal to find u, that is, the independent components of y.

Problem Formulation The problem we need to study (in the complex-valued domain) is x = as + y ICA mixing model assumes x = As = as + A 2 u, }{{} y where A = [a A 2 ] and s = [s u] T. }{{} square In ICE, it is not the goal to find u, that is, the independent components of y.

ICE Mixing and De-mixing Algebraic Model Let x be written as x = as + y }{{} Qz How can we define Q and z? Let = ( a Q ) }{{} A ICE A 1 ICE = W ICE, W ICE = ( ) s. z ( w H B ), where a... steering vector B... blocking matrix w... separating vector Ba = 0.

ICE Mixing and De-mixing Algebraic Model Defining a = ( ) γ g w = ( ) β, B = ( ) g γi h d 1, we obtain where A ICE = ( a Q ) ( ) γ h H = ( g gh H ), I d 1 ( ) ( w H β h H W ICE = = B g 1 γ γi d 1 ), βγ = 1 h H g w H a = 1 distrotionless const. It holds that z = Bx, and y = Qz.

Statistical Model Let s and z be independent, and s be non-gaussian with pdf p s ( ) z be circular Gaussian drawn from CN (0, C z ) Hence, the log-likelihood function for N i.i.d. samples reads 1 N L(a, w) = 1 N N log = 1 N n=1 p x (a, w x(n)) N log p s (w H x(n)) + 1 N n=1 N log p z (Bx(n)) + det W ICE 2. n=1 C z is a nuisance parameter.

Orthogonal Constraint The link between the steering vector a and the separating vector w is too weak = The contrast function has many spurious local extremes. The orthogonal constraint means that the sample correlation between ŝ = w H x and ẑ = Bx is zero, i.e., 1 N N w H x(n)x(n) H B H = w H Ĉ x B H = 0. n=1 By selecting w as the dependent variable on a, the orthogonal constraint is satisfied when w = Ĉ 1 x a a HĈ 1 x a (MPDR).

Orthogonal Constraint The link between the steering vector a and the separating vector w is too weak = The contrast function has many spurious local extremes. The orthogonal constraint means that the sample correlation between ŝ = w H x and ẑ = Bx is zero, i.e., 1 N N w H x(n)x(n) H B H = w H Ĉ x B H = 0. n=1 By selecting w as the dependent variable on a, the orthogonal constraint is satisfied when w = Ĉ 1 x a a HĈ 1 x a (MPDR).

Orthogonal Constraint The link between the steering vector a and the separating vector w is too weak = The contrast function has many spurious local extremes. The orthogonal constraint means that the sample correlation between ŝ = w H x and ẑ = Bx is zero, i.e., 1 N N w H x(n)x(n) H B H = w H Ĉ x B H = 0. n=1 By selecting w as the dependent variable on a, the orthogonal constraint is satisfied when w = Ĉ 1 x a a HĈ 1 x a (MPDR).

Gradient Ascent Algorithm: Blind MPDR Let the unknown density p s ( ) be replaced by some f ( ), and the unknown C z be replaced by Ĉẑ. Then, the gradient of the contrast is C a H = w λaĉ 1 x Xφ(ŝ) H /N, where φ = / z(log f ), λ a = (a H Ĉ 1 x a) 1 and φ( ) must be normalized so that 1 N ŝφ(ŝ)h = 1 Main steps of the algorithm (repeated until convergence): 1. ŝ = w H X 2. ν = ŝφ(ŝ) H /N 1 C 3. a a + µν a H 4. w = λ a Ĉ 1 x a % MPDR

Simulations 70 N=1000, =0.1 40 d=10, =0.1 40 d=10, N=1000 SIR [db] 60 50 40 30 20 10 MPDR (initial) MPDR (oracle) 35 30 25 20 15 10 5 30 20 10 0 0 5 10 15 20 d 0-10 10 2 10 3 10 4 10-3 10-2 10-1 10 0 N Target signal: Circular Laplacean, Background: Gaussian Algorithms randomly initialized in the σ-vicinity of correct a d is the number of sensors Averages taken from 1000 trials

Simulations 70 N=1000, =0.1 40 d=10, =0.1 40 d=10, N=1000 SIR [db] 60 50 40 30 20 10 NG (sign) MPDR (initial) MPDR (oracle) 35 30 25 20 15 10 5 30 20 10 0 0 5 10 15 20 d 0-10 10 2 10 3 10 4 10-3 10-2 10-1 10 0 N Target signal: Circular Laplacean, Background: Gaussian Algorithms randomly initialized in the σ-vicinity of correct a d is the number of sensors Averages taken from 1000 trials

Simulations 70 N=1000, =0.1 40 d=10, =0.1 40 d=10, N=1000 SIR [db] 60 50 40 30 20 10 OGICE (sign) NG (sign) MPDR (initial) MPDR (oracle) 35 30 25 20 15 10 5 30 20 10 0 0 5 10 15 20 d 0-10 10 2 10 3 10 4 10-3 10-2 10-1 10 0 N Target signal: Circular Laplacean, Background: Gaussian Algorithms randomly initialized in the σ-vicinity of correct a d is the number of sensors Averages taken from 1000 trials

Simulations SIR [db] 70 60 50 40 30 N=1000, =0.1 OGICE (tanh) OGICE (sign) NG (tanh) NG (sign) MPDR (initial) MPDR (oracle) 40 35 30 25 20 15 d=10, =0.1 40 30 20 10 d=10, N=1000 20 10 10 5 0 0 5 10 15 20 d 0-10 10 2 10 3 10 4 10-3 10-2 10-1 10 0 N Target signal: Circular Laplacean, Background: Gaussian Algorithms randomly initialized in the σ-vicinity of correct a d is the number of sensors Averages taken from 1000 trials

Computational Time N=1000, =0.1 10-2 d=10, =0.1 average time per iteration [s] 10-3 10-4 5 10 15 20 d 10-3 10-4 OGICE (tanh) OGICE (sign) NG (tanh) NG (sign) 0 5000 10000 N

Perspectives The idea can be extended for extracting vector components. A priori information (e.g. in the form of piloting signal) can be used to extend the area of convergence to the target signal. Faster optimization strategies can replace the gradient-based method. The background need not be modeled as Gaussian. Can we approach the accuracy that is attainable through ICA?

Perspectives The idea can be extended for extracting vector components. A priori information (e.g. in the form of piloting signal) can be used to extend the area of convergence to the target signal. Faster optimization strategies can replace the gradient-based method. The background need not be modeled as Gaussian. Can we approach the accuracy that is attainable through ICA?

Perspectives The idea can be extended for extracting vector components. A priori information (e.g. in the form of piloting signal) can be used to extend the area of convergence to the target signal. Faster optimization strategies can replace the gradient-based method. The background need not be modeled as Gaussian. Can we approach the accuracy that is attainable through ICA?

Perspectives The idea can be extended for extracting vector components. A priori information (e.g. in the form of piloting signal) can be used to extend the area of convergence to the target signal. Faster optimization strategies can replace the gradient-based method. The background need not be modeled as Gaussian. Can we approach the accuracy that is attainable through ICA?

Thank You!