تحليل المكونات المستقلة

في معالجة الإشارات ، يُعد تحليل المكونات المستقلة ( ICA ) أسلوبًا حسابيًا لفصل إشارة متعددة المتغيرات إلى مكونات فرعية جمعية. ويتم ذلك بافتراض أن مكونًا فرعيًا واحدًا على الأكثر يتبع التوزيع الغاوسي، وأن المكونات الفرعية مستقلة إحصائيًا عن بعضها البعض. [ 1 ] ابتكرت جيني هيرولت وكريستيان جوتن تحليل المكونات المستقلة عام 1985. [ 2 ] يُعد تحليل المكونات المستقلة حالة خاصة من فصل المصادر العمياء . ومن الأمثلة الشائعة لتطبيق تحليل المكونات المستقلة " مشكلة حفلة الكوكتيل " المتمثلة في الاستماع إلى حديث شخص ما في غرفة صاخبة. [ 3 ]

مقدمة

تحليل المكونات المستقلة (ICA) على أربعة مقاطع فيديو مختلطة عشوائيًا. [ 4 ] الصف العلوي: مقاطع الفيديو الأصلية. الصف الأوسط: أربعة مزيجات عشوائية استُخدمت كمدخلات للخوارزمية. الصف السفلي: مقاطع الفيديو المُعاد بناؤها.

يحاول تحليل المكونات المستقلة (ICA) تفكيك إشارة متعددة المتغيرات إلى إشارات مستقلة غير غاوسية. على سبيل المثال، الصوت عادةً ما يكون إشارة تتكون من مجموع عددي، عند كل لحظة زمنية t، لإشارات من مصادر متعددة. والسؤال المطروح هو: هل من الممكن فصل هذه المصادر المساهمة عن الإشارة الكلية المرصودة؟ عندما يكون افتراض الاستقلال الإحصائي صحيحًا، فإن فصل الإشارات المختلطة باستخدام ICA بشكل أعمى يُعطي نتائج جيدة جدًا. [ 5 ] كما يُستخدم أيضًا للإشارات التي لا يُفترض توليدها عن طريق المزج لأغراض التحليل.

من التطبيقات البسيطة لتحليل المكونات المستقلة (ICA) مسألة " حفلة الكوكتيل "، حيث تُفصل إشارات الكلام الأصلية عن بيانات عينة تتكون من أشخاص يتحدثون في وقت واحد في غرفة. عادةً ما تُبسط المسألة بافتراض عدم وجود تأخيرات زمنية أو صدى. تجدر الإشارة إلى أن الإشارة المُفلترة والمتأخرة هي نسخة من مكون تابع، وبالتالي لا يُنتهك افتراض الاستقلال الإحصائي.

خلط الأوزان لبناءم{\textstyle M}تم رصد الإشارات منشمال{\textstyle N}يمكن وضع المكونات فيم×شمال{\textstyle M\times N}المصفوفة. من الأمور المهمة التي يجب مراعاتها أنه إذاشمال{\textstyle N}المصادر موجودة، على الأقلشمال{\textstyle N}يلزم إجراء عمليات رصد (مثل استخدام الميكروفونات إذا كانت الإشارة المرصودة صوتية) لاستعادة الإشارات الأصلية. عندما يكون عدد عمليات الرصد مساويًا لعدد إشارات المصدر، تكون مصفوفة المزج مربعة (م=شمال{\textstyle M=N}). حالات أخرى غير محددة (م<شمال{\textstyle M<N}) ومفرط التحديد (م>شمال{\textstyle M>N}تم التحقيق في الأمر.

يعتمد نجاح فصل الإشارات المختلطة باستخدام تحليل المكونات المستقلة (ICA) على فرضيتين وثلاثة تأثيرات لخلط إشارات المصدر. الفرضيتان:

  1. إشارات المصدر مستقلة عن بعضها البعض.
  2. تتميز القيم في كل إشارة مصدر بتوزيعات غير غاوسية.

ثلاثة آثار لخلط إشارات المصدر:

  1. الاستقلالية: وفقًا للفرضية الأولى، فإن إشارات المصدر مستقلة؛ إلا أن مزيج إشاراتها ليس كذلك. وذلك لأن مزيج الإشارات يشترك في نفس إشارات المصدر.
  2. التوزيع الطبيعي: وفقًا لنظرية النهاية المركزية ، يميل توزيع مجموع متغيرات عشوائية مستقلة ذات تباين محدود نحو التوزيع الغاوسي. بعبارة أخرى، عادةً ما يكون توزيع مجموع متغيرين عشوائيين مستقلين أقرب إلى التوزيع الغاوسي من أيٍّ من المتغيرين الأصليين. هنا، نعتبر قيمة كل إشارة هي المتغير العشوائي.
  3. التعقيد: إن التعقيد الزمني لأي مزيج إشارة أكبر من التعقيد الزمني لأبسط إشارة مصدر مكونة له.

تساهم هذه المبادئ في التأسيس الأساسي لتحليل المكونات المستقلة (ICA). إذا كانت الإشارات المستخرجة من مجموعة من الخلائط مستقلة ولها توزيعات غير غاوسية أو ذات تعقيد منخفض، فلا بد أنها إشارات مصدرية. [ 6 ] [ 7 ]

مثال شائع آخر هو إخفاء المعلومات في الصور ، حيث تُستخدم تقنية تحليل المكونات المستقلة (ICA) لدمج صورة داخل أخرى. على سبيل المثال، يمكن دمج صورتين رماديتين خطيًا لإنشاء صور مختلطة يكون فيها المحتوى المخفي غير مرئي. بعد ذلك، يمكن استخدام تقنية ICA لاستعادة الصور الأصلية من هذه الصور المختلطة. تُعد هذه التقنية أساسًا للعلامات المائية الرقمية، التي تسمح بتضمين معلومات الملكية في الصور، بالإضافة إلى تطبيقات أكثر سرية مثل نقل المعلومات دون اكتشافها. وقد رُبطت هذه الطريقة بحالات تجسس إلكتروني واقعية. في مثل هذه التطبيقات، تعمل تقنية ICA على فصل البيانات بناءً على الاستقلال الإحصائي، مما يُتيح استخراج المكونات المخفية غير الظاهرة في البيانات المرصودة.

استُخدمت تقنيات إخفاء البيانات، بما في ذلك تلك التي قد تتضمن تحليلًا قائمًا على تحليل المكونات المستقلة (ICA)، في قضايا التجسس الإلكتروني الواقعية. ففي عام 2010، كشف مكتب التحقيقات الفيدرالي عن شبكة تجسس روسية تُعرف باسم "برنامج غير الشرعيين" (عملية قصص الأشباح)، حيث استخدم العملاء أدوات إخفاء بيانات مُصممة خصيصًا لإخفاء الرسائل النصية المشفرة داخل ملفات الصور المُشاركة عبر الإنترنت. [ 8 ]

في قضية أخرى، أدين المهندس السابق في شركة جنرال إلكتريك، شياو تشينغ تشنغ، عام 2022 بتهمة التجسس الاقتصادي. استخدم تشنغ تقنية إخفاء المعلومات لتسريب بيانات حساسة تتعلق بتكنولوجيا التوربينات عن طريق تضمين بيانات سرية داخل ملفات الصور لنقلها إلى جهات في الصين. [ 9 ]

تعريف استقلالية المكونات

تُحدد تقنية تحليل المكونات المستقلة (ICA) المكونات المستقلة (وتُسمى أيضًا العوامل أو المتغيرات الكامنة أو المصادر) من خلال تعظيم الاستقلال الإحصائي للمكونات المُقدَّرة. يُمكننا اختيار إحدى الطرق العديدة لتعريف مؤشر للاستقلال، ويتحكم هذا الاختيار في شكل خوارزمية ICA. أما التعريفان الأوسع للاستقلال في ICA فهما:

  1. تقليل المعلومات المتبادلة
  2. تعظيم اللاغوسية

تستخدم عائلة خوارزميات ICA القائمة على تقليل المعلومات المتبادلة (MMI) مقاييس مثل تباعد كولباك-لايبير والإنتروبيا القصوى . أما عائلة خوارزميات ICA غير الغاوسية، والمستوحاة من نظرية النهاية المركزية ، فتستخدم التفرطح والإنتروبيا السالبة . [ 10 ]

تستخدم الخوارزميات النموذجية لـ ICA التمركز (طرح المتوسط ​​لإنشاء إشارة ذات متوسط ​​صفري)، والتبييض (عادةً مع تحليل القيم الذاتية[ 11 ] وتقليل الأبعاد كخطوات معالجة مسبقة من أجل تبسيط وتقليل تعقيد المشكلة للخوارزمية التكرارية الفعلية.

التعريفات الرياضية

يمكن تقسيم تحليل المكونات المستقلة الخطي إلى حالتين: حالة خالية من الضوضاء وحالة مع وجود ضوضاء، حيث يُعد تحليل المكونات المستقلة الخالي من الضوضاء حالة خاصة من تحليل المكونات المستقلة مع وجود ضوضاء. أما تحليل المكونات المستقلة غير الخطي فينبغي اعتباره حالة منفصلة.

الاشتقاق العام

في نموذج ICA الكلاسيكي، يُفترض أن البيانات المرصودةxأناRم{\displaystyle \mathbf {x} _{i}\in \mathbb {R} ^{m}}في ذلك الوقتتأنا{\displaystyle t_{i}}يتم توليدها من إشارات المصدرsأناRم{\displaystyle \mathbf {s} _{i}\in \mathbb {R} ^{m}}عن طريق التحويل الخطيxأنا=أsأنا{\displaystyle \mathbf {x} _{i}=A\mathbf {s} _{i}}، أينأ{\displaystyle A}هي مصفوفة خلط غير معروفة وقابلة للعكس. لاستعادة إشارات المصدر، يتم أولاً توسيط البيانات (بمتوسط ​​صفري)، ثم تبييضها بحيث يكون للبيانات المحولة تباين مشترك يساوي واحدًا. هذا التبييض يقلل من تعقيد المشكلة من مجرد تقدير مصفوفة عامة.أ{\displaystyle A}لتقدير مصفوفة متعامدةV{\displaystyle V}مما يبسط بشكل كبير عملية البحث عن المكونات المستقلة.

إذا كانت مصفوفة التغاير للبيانات المركزية هيΣx=أأ{\displaystyle \Sigma _{x}=AA^{\top }}ثم باستخدام تحليل القيم الذاتيةΣx=سؤالدسؤال{\displaystyle \Sigma _{x}=QDQ^{\top }}يمكن اعتبار عملية التبييض بمثابةد-1/2سؤال{\displaystyle D^{-1/2}Q^{\top }}تضمن هذه الخطوة أن تكون المصادر المستعادة غير مترابطة وذات تباين موحد، مما يترك مهمة تدوير البيانات المُبيَّضة فقط لزيادة الاستقلال الإحصائي إلى أقصى حد. هذا الاشتقاق العام هو أساس العديد من خوارزميات تحليل المكونات المستقلة (ICA) وهو أساسي في فهم نموذج ICA. [ 12 ]

تقليل مشكلة الخلط

يتناول تحليل المكونات المستقلة ( ICA ) مشكلة استعادة مجموعة من إشارات المصدر غير المرصودةsأنا=(sأنا1،sأنا2،...،sأنام)تي{\displaystyle s_{i}=(s_{i1},s_{i2},\dots ,s_{im})^{T}}من الإشارات المختلطة المرصودةxأنا=(xأنا1،xأنا2،...،xأنام)تي{\displaystyle x_{i}=(x_{i1},x_{i2},\dots ,x_{im})^{T}}، بناءً على نموذج الخلط الخطي:

xأنا=أsأنا،{\displaystyle x_{i}=A\,s_{i},}

حيثأ{\displaystyle A}هوم×م{\displaystyle m\times m}مصفوفة قابلة للعكس تسمى مصفوفة الخلط ،sأنا{\displaystyle s_{i}}يمثل متجهًا ذا أبعاد m يحتوي على قيم المصادر في الوقتتأنا{\displaystyle t_{i}}، وxأنا{\displaystyle x_{i}}هو المتجه المقابل للقيم المرصودة عند الزمنتأنا{\displaystyle t_{i}}الهدف هو تقدير كليهماأ{\displaystyle A}وإشارات المصدر{sأنا}{\displaystyle \{s_{i}\}}بالاعتماد فقط على البيانات المرصودة{xأنا}{\displaystyle \{x_{i}\}}.

بعد عملية التمركز، يتم حساب مصفوفة غرام على النحو التالي:(X*)تيX*=سؤالدسؤالتي،{\displaystyle (X^{*})^{T}X^{*}=Q\,D\,Q^{T},} حيث D هي مصفوفة قطرية ذات عناصر موجبة (بافتراضX*{\displaystyle X^{*}}(لها أعلى رتبة)، وQ مصفوفة متعامدة. [ 11 ] كتابة تحليل القيم المفردة لمصفوفة المزجأ=يوΣVتي{\displaystyle A=U\Sigma V^{T}}وبالمقارنة معأأتي=يوΣ2يوتي{\displaystyle AA^{T}=U\Sigma ^{2}U^{T}}يأخذ المزيج أ الشكل التالي أ=سؤالد1/2Vتي.{\displaystyle A=Q\,D^{1/2}\,V^{T}.} إذن، فإن قيم المصدر المعيارية تحقق sأنا*=Vyأنا*{\displaystyle s_{i}^{*}=V\,y_{i}^{*}}، أينyأنا*=د-12سؤالتيxأنا*.{\displaystyle y_{i}^{*}=D^{-{\tfrac {1}{2}}}Q^{T}x_{i}^{*}.} وبالتالي، فإن تحليل المكونات المستقلة (ICA) يختزل إلى إيجاد المصفوفة المتعامدة.V{\displaystyle V}يمكن حساب هذه المصفوفة باستخدام تقنيات التحسين عبر طرق البحث الإسقاطي (انظر البحث الإسقاطي ). [ 11 ]

تشمل الخوارزميات المعروفة لتحليل المكونات المستقلة (ICA) خوارزمية infomax ، و FastICA ، و JADE ، وتحليل المكونات المستقلة عن النواة ، وغيرها. وبشكل عام، لا يستطيع تحليل المكونات المستقلة تحديد العدد الفعلي لإشارات المصدر، أو الترتيب الصحيح لها، أو المقياس المناسب (بما في ذلك الإشارة) لها.

يُعدّ تحليل المكونات المستقلة (ICA) مهمًا لفصل الإشارات العمياء وله العديد من التطبيقات العملية. وهو يرتبط ارتباطًا وثيقًا (أو حتى حالة خاصة من) البحث عن رمز عاملي للبيانات، أي تمثيل متجهي جديد لكل متجه بيانات بحيث يتم ترميزه بشكل فريد بواسطة متجه الرمز الناتج (ترميز خالٍ من الفقد)، ولكن مكونات الرمز مستقلة إحصائيًا.

ICA خطي عديم الضوضاء

المكوناتxأنا{\displaystyle x_{i}}من المتجه العشوائي المرصودx=(x1،...،xم)تي{\displaystyle {\boldsymbol {x}}=(x_{1},\ldots ,x_{m})^{T}}يتم توليدها كمجموع للمكونات المستقلةsك{\displaystyle s_{k}}،ك=1،...،ن{\displaystyle k=1,\ldots ,n}:

xأنا=أأنا،1s1++أأنا،كsك++أأنا،نsن{\displaystyle x_{i}=a_{i,1}s_{1}+\cdots +a_{i,k}s_{k}+\cdots +a_{i,n}s_{n}}

مرجحة بأوزان الخلطأأنا،ك{\displaystyle a_{i,k}}.

يمكن كتابة النموذج التوليدي نفسه في شكل متجه كما يليx=ك=1نsكأك{\displaystyle {\boldsymbol {x}}=\sum _{k=1}^{n}s_{k}{\boldsymbol {a}}_{k}}، حيث يكون المتجه العشوائي المرصودx{\displaystyle {\boldsymbol {x}}}يتم تمثيلها بواسطة متجهات الأساسأك=(أ1،ك،...،أم،ك)تي{\displaystyle {\boldsymbol {a}}_{k}=({\boldsymbol {a}}_{1,k},\ldots ,{\boldsymbol {a}}_{m,k})^{T}}متجهات الأساسأك{\displaystyle {\boldsymbol {a}}_{k}}تشكل أعمدة مصفوفة الخلطأ=(أ1،...،أن){\displaystyle {\boldsymbol {A}}=({\boldsymbol {a}}_{1},\ldots ,{\boldsymbol {a}}_{n})}ويمكن كتابة الصيغة التوليدية على النحو التاليx=أs{\displaystyle {\boldsymbol {x}}={\boldsymbol {A}}{\boldsymbol {s}}}، أينs=(s1،...،sن)تي{\displaystyle {\boldsymbol {s}}=(s_{1},\ldots ,s_{n})^{T}}.

بالنظر إلى النموذج والتطبيقات (العينات)x1،...،xشمال{\displaystyle {\boldsymbol {x}}_{1},\ldots ,{\boldsymbol {x}}_{N}}من المتجه العشوائيx{\displaystyle {\boldsymbol {x}}}وتتمثل المهمة في تقدير كل من مصفوفة الخلطأ{\displaystyle {\boldsymbol {A}}}والمصادرs{\displaystyle {\boldsymbol {s}}}يتم ذلك عن طريق حساب تكيفيw{\displaystyle {\boldsymbol {w}}}المتجهات وتحديد دالة التكلفة التي إما تزيد من عدم غاوسية القيم المحسوبةsك=wتيx{\displaystyle s_{k}={\boldsymbol {w}}^{T}{\boldsymbol {x}}}أو يقلل من المعلومات المتبادلة. في بعض الحالات، يمكن استخدام المعرفة المسبقة بتوزيعات الاحتمالات للمصادر في دالة التكلفة.

المصادر الأصليةs{\displaystyle {\boldsymbol {s}}}يمكن استعادتها عن طريق ضرب الإشارات المرصودةx{\displaystyle {\boldsymbol {x}}}مع معكوس مصفوفة الخلطدبليو=أ-1{\displaystyle {\boldsymbol {W}}={\boldsymbol {A}}^{-1}}، والمعروفة أيضًا باسم مصفوفة الفصل. هنا يُفترض أن مصفوفة الخلط مربعة (ن=م{\displaystyle n=m}). إذا كان عدد متجهات الأساس أكبر من أبعاد المتجهات المرصودة،ن>م{\displaystyle n>m}، المهمة مكتملة بشكل زائد ولكن لا يزال من الممكن حلها باستخدام المعكوس الزائف .

تحليل المكونات المستقلة الخطي الضوضائي

مع افتراض إضافي يتمثل في ضوضاء غاوسية ذات متوسط ​​صفري وغير مترابطةنشمال(0،التشخيص(Σ)){\displaystyle n\sim N(0,\operatorname {diag} (\Sigma ))}، يأخذ نموذج ICA الشكلx=أs+ن{\displaystyle {\boldsymbol {x}}={\boldsymbol {A}}{\boldsymbol {s}}+n}.

تحليل المكونات المستقلة غير الخطي

لا يشترط أن يكون مزج المصادر خطيًا. باستخدام دالة مزج غير خطيةو(|θ){\displaystyle f(\cdot |\theta )}مع المعلماتθ{\displaystyle \theta }نموذج ICA غير الخطي هوx=و(s|θ)+ن{\displaystyle x=f(s|\theta )+n}.

إمكانية تحديد الهوية

يمكن تحديد المكونات المستقلة حتى تبديل المصادر وتغيير مقياسها. [ 13 ] ويتطلب هذا التحديد ما يلي:

  • أحد المصادر على الأكثرsك{\displaystyle s_{k}}هو توزيع غاوسي،
  • عدد الخلائط المرصودة،م{\displaystyle m}يجب أن يكون حجمه على الأقل مساوياً لعدد المكونات المقدرةن{\displaystyle n}:من{\displaystyle m\geq n}وهذا يعادل القول بأن مصفوفة الخلطأ{\displaystyle {\boldsymbol {A}}}يجب أن يكون العدد من الرتبة الكاملة حتى يكون معكوسه موجودًا.

تحليل المكونات المستقلة الثنائي

يُعدّ تحليل المكونات المستقلة الثنائي (binary ICA) نوعًا خاصًا من تحليل المكونات المستقلة، حيث تكون مصادر الإشارة وأجهزة المراقبة ثنائية، وتكون الملاحظات من أجهزة المراقبة عبارة عن مزيج منفصل من مصادر ثنائية مستقلة. وقد ثبت أن لهذه المسألة تطبيقات في العديد من المجالات، بما في ذلك التشخيص الطبي ، وتخصيص المجموعات المتعددة ، والتصوير المقطعي للشبكات ، وإدارة موارد الإنترنت .

يتركx1،x2،...،xم{\displaystyle {x_{1},x_{2},\ldots ,x_{m}}}لتكن مجموعة المتغيرات الثنائية منم{\displaystyle m}الشاشات وy1،y2،...،yن{\displaystyle {y_{1},y_{2},\ldots ,y_{n}}}لتكن مجموعة المتغيرات الثنائية منن{\displaystyle n}المصادر. يتم تمثيل اتصالات المصدر بالمراقب بواسطة مصفوفة المزج (غير المعروفة).جي{\textstyle {\boldsymbol {G}}}، أينزأناج=1{\displaystyle g_{ij}=1}يشير هذا إلى إمكانية رصد الإشارة من المصدر رقم i بواسطة جهاز المراقبة رقم j . يعمل النظام على النحو التالي: في أي وقت، إذا كان المصدرأنا{\displaystyle i}نشط (yأنا=1{\displaystyle y_{i}=1}وهو متصل بالشاشةج{\displaystyle j}(زأناج=1{\displaystyle g_{ij}=1}ثم الشاشةج{\displaystyle j}سنلاحظ بعض النشاط (xج=1{\displaystyle x_{j}=1}). رسميًا لدينا:

xأنا=ج=1ن(زأناجyج)،أنا=1،2،...،م،{\displaystyle x_{i}=\bigvee _{j=1}^{n}(g_{ij}\wedge y_{j}),i=1,2,\ldots ,m,}

أين{\displaystyle \wedge }هي عملية منطقية AND و{\displaystyle \vee }هي عملية منطقية OR. لا يتم نمذجة الضوضاء بشكل صريح، بل يمكن التعامل معها كمصادر مستقلة.

يمكن حل المشكلة المذكورة أعلاه بطريقة استدلالية [ 14 ] بافتراض أن المتغيرات متصلة وتشغيل FastICA على بيانات الملاحظة الثنائية للحصول على مصفوفة المزججي{\textstyle {\boldsymbol {G}}}(القيم الحقيقية)، ثم قم بتطبيق تقنيات الأعداد التقريبية عليهاجي{\textstyle {\boldsymbol {G}}}للحصول على القيم الثنائية. وقد ثبت أن هذا النهج ينتج عنه نتائج غير دقيقة للغاية.

هناك طريقة أخرى وهي استخدام البرمجة الديناميكية : تقسيم مصفوفة الملاحظة بشكل متكررX{\textstyle {\boldsymbol {X}}}يتم تقسيم المصفوفة إلى مصفوفات فرعية، ثم يتم تشغيل خوارزمية الاستدلال على هذه المصفوفات الفرعية. الملاحظة الأساسية التي تقود إلى هذه الخوارزمية هي المصفوفة الفرعية.X0{\textstyle {\boldsymbol {X}}^{0}}لX{\textstyle {\boldsymbol {X}}}أينxأناج=0،ج{\textstyle x_{ij}=0,\forall j}يتوافق ذلك مع مصفوفة الملاحظة غير المتحيزة للمكونات الخفية التي لا ترتبط بـأنا{\displaystyle i}الشاشة رقم -th. تُظهر النتائج التجريبية من [ 15 ] أن هذا النهج دقيق في ظل مستويات ضوضاء معتدلة.

يقدم إطار عمل تحليل المكونات المستقلة الثنائي المعمم [ 16 ] صياغةً أوسع للمشكلة لا تتطلب أي معرفة مسبقة بالنموذج التوليدي. بعبارة أخرى، تحاول هذه الطريقة تحليل مصدر إلى مكوناته المستقلة (قدر الإمكان، ودون فقدان أي معلومات) دون أي افتراض مسبق حول كيفية توليده. على الرغم من أن هذه المشكلة تبدو معقدة، إلا أنه يمكن حلها بدقة باستخدام خوارزمية شجرة البحث المتفرعة والمقيدة ، أو تحديد حدها الأعلى بدقة عن طريق ضرب مصفوفة بمتجه مرة واحدة.

طرق فصل المصادر العمياء

تتبع الإسقاط

تميل مخاليط الإشارات إلى امتلاك دوال كثافة احتمالية غاوسية، بينما تميل إشارات المصدر إلى امتلاك دوال كثافة احتمالية غير غاوسية. يمكن استخلاص كل إشارة مصدر من مجموعة مخاليط الإشارات بأخذ الجداء الداخلي لمتجه الأوزان مع مخاليط الإشارات التي يوفر هذا الجداء الداخلي إسقاطًا متعامدًا لها. يكمن التحدي المتبقي في إيجاد متجه الأوزان هذا. إحدى طرق القيام بذلك هي البحث الإسقاطي . [ 17 ] [ 18 ]

تسعى تقنية البحث الإسقاطي إلى استخلاص إشارة واحدة في كل مرة بحيث تكون الإشارة المستخلصة غير غاوسية قدر الإمكان. وهذا يختلف عن تحليل المكونات المستقلة (ICA)، الذي يستخلص عادةً M إشارة في آنٍ واحد من M مزيج إشارات، الأمر الذي يتطلب تقدير مصفوفة فصل M × M. ومن المزايا العملية لتقنية البحث الإسقاطي مقارنةً بتحليل المكونات المستقلة (ICA) إمكانية استخلاص أقل من M إشارة عند الحاجة، حيث تُستخلص كل إشارة مصدر من M مزيج إشارات باستخدام متجه وزن مكون من M عنصر.

يمكننا استخدام التفرطح لاستعادة إشارة المصادر المتعددة عن طريق إيجاد متجهات الوزن الصحيحة باستخدام تقنية البحث الإسقاطي.

يتم حساب التفرطح لدالة كثافة الاحتمال لإشارة ما، لعينة محدودة، على النحو التالي:

ك=هـ[(y-y¯)4](هـ[(y-y¯)2])2-3{\displaystyle K={\frac {\operatorname {E} [(\mathbf {y} -\mathbf {\overline {y}} )^{4}]}{(\operatorname {E} [(\mathbf {y} -\mathbf {\overline {y}} )^{2}])^{2}}}-3}

أينy¯{\displaystyle \mathbf {\overline {y}} }هو متوسط ​​العينة لـy{\displaystyle \mathbf {y} }، الإشارات المستخرجة. يضمن الثابت 3 أن تكون الإشارات الغاوسية ذات تفرطح صفري، والإشارات فوق الغاوسية ذات تفرطح موجب، والإشارات تحت الغاوسية ذات تفرطح سالب. المقام هو تباينy{\displaystyle \mathbf {y} }ويضمن ذلك أن يأخذ التفرطح المقاس في الحسبان تباين الإشارة. والهدف من عملية البحث عن الإسقاط هو تعظيم التفرطح، وجعل الإشارة المستخرجة غير طبيعية قدر الإمكان.

باستخدام التفرطح كمقياس لعدم التوزيع الطبيعي، يمكننا الآن دراسة كيفية تأثير تفرطح الإشارةy=wتيx{\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {w} ^{T}\mathbf {x} }مستخلص من مجموعة من M من المخاليطx=(x1،x2،...،xم)تي{\displaystyle \mathbf {x} =(x_{1},x_{2},\ldots ,x_{M})^{T}}يتغير بتغير متجه الوزنw{\displaystyle \mathbf {w} }يدور حول نقطة الأصل. بافتراضنا أن كل إشارة مصدرs{\displaystyle \mathbf {s} }إذا كان التوزيع فائق التوزيع الغاوسي، فسنتوقع ما يلي:

  1. التفرطح للإشارة المستخرجةy{\displaystyle \mathbf {y} }أن يكون في أقصى حالاته بالضبط عندماy=s{\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {s} }.
  2. التفرطح للإشارة المستخرجةy{\displaystyle \mathbf {y} }أن يكون في أقصى حالاته عندماw{\displaystyle \mathbf {w} }متعامد مع المحاور المسقطةS1{\displaystyle S_{1}}أوS2{\displaystyle S_{2}}لأننا نعلم أن متجه الوزن الأمثل يجب أن يكون متعامدًا مع المحور المحولS1{\displaystyle S_{1}}أوS2{\displaystyle S_{2}}.

بالنسبة لإشارات خليط المصادر المتعددة، يمكننا استخدام التفرطح وتقنية غرام-شميدت للتعامد (GSO) لاستعادة الإشارات. بفرض وجود M خليط إشارة في فضاء ذي M بُعد، تقوم تقنية GSO بإسقاط نقاط البيانات هذه على فضاء ذي ( M-1 ) بُعد باستخدام متجه الأوزان. وباستخدام GSO، نضمن استقلالية الإشارات المستخرجة.

لإيجاد القيمة الصحيحة لـw{\displaystyle \mathbf {w} }يمكننا استخدام طريقة التدرج الهبوطي . نقوم أولاً بتبييض البيانات، ثم تحويلها.x{\displaystyle \mathbf {x} }في مزيج جديدz{\displaystyle \mathbf {z} }، والتي لها تباين يساوي واحدًا، وz=(z1،z2،...،zم)تي{\displaystyle \mathbf {z} =(z_{1},z_{2},\ldots ,z_{M})^{T}}يمكن تحقيق هذه العملية من خلال تطبيق تحليل القيم المفردة علىx{\displaystyle \mathbf {x} }،

x=يودVتي{\displaystyle \mathbf {x} =\mathbf {U} \mathbf {D} \mathbf {V} ^{T}}

إعادة تحجيم كل متجهيوأنا=يوأنا/هـ(يوأنا2){\displaystyle U_{i}=U_{i}/\operatorname {E} (U_{i}^{2})}ودعz=يو{\displaystyle \mathbf {z} =\mathbf {U} }الإشارة المستخرجة بواسطة متجه مرجحw{\displaystyle \mathbf {w} }يكونy=wتيz{\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {w} ^{T}\mathbf {z} }إذا كان متجه الوزن w ذو طول وحدة واحدة، فإن تباين y يساوي أيضًا 1، أيهـ[(wتيz)2]=1{\displaystyle \operatorname {E} [(\mathbf {w} ^{T}\mathbf {z} )^{2}]=1}وبالتالي، يمكن كتابة التفرطح على النحو التالي:

ك=هـ[y4](هـ[y2])2-3=هـ[(wتيz)4]-3.{\displaystyle K={\frac {\operatorname {E} [\mathbf {y} ^{4}]}{(\operatorname {E} [\mathbf {y} ^{2}])^{2}}}-3=\operatorname {E} [(\mathbf {w} ^{T}\mathbf {z} )^{4}]-3.}

عملية التحديث لـw{\displaystyle \mathbf {w} }يكون:

wنهـw=woلد-ηهـ[z(woلدتيz)3].{\displaystyle \mathbf {w} _{new}=\mathbf {w} _{old}-\eta \operatorname {E} [\mathbf {z} (\mathbf {w} _{old}^{T}\mathbf {z} )^{3}].}

أينη{\displaystyle \eta }ثابت صغير لضمان ذلكw{\displaystyle \mathbf {w} }يتقارب مع الحل الأمثل. بعد كل تحديث، نقوم بتطبيعه.wنهـw=wنهـw|wنهـw|{\displaystyle \mathbf {w} _{new}={\frac {\mathbf {w} _{new}}{|\mathbf {w} _{new}|}}}، وضبطwoلد=wنهـw{\displaystyle \mathbf {w} _{old}=\mathbf {w} _{new}}ونكرر عملية التحديث حتى الوصول إلى التقارب. يمكننا أيضًا استخدام خوارزمية أخرى لتحديث متجه الأوزان.w{\displaystyle \mathbf {w} }.

ثمة نهج آخر يتمثل في استخدام الإنتروبيا السالبة [ 10 ] [ 19 ] بدلاً من التفرطح. يُعد استخدام الإنتروبيا السالبة طريقةً أكثر موثوقية من التفرطح، لأن التفرطح شديد الحساسية للقيم الشاذة. تعتمد طرق الإنتروبيا السالبة على خاصية مهمة للتوزيع الغاوسي: المتغير الغاوسي له أكبر إنتروبيا بين جميع المتغيرات العشوائية المستمرة ذات التباين المتساوي. وهذا هو السبب أيضًا وراء رغبتنا في إيجاد أكبر عدد من المتغيرات غير الغاوسية. يمكن الاطلاع على برهان بسيط في الإنتروبيا التفاضلية .

ج(x)=S(y)-S(x){\displaystyle J(x)=S(y)-S(x)\,}

y هو متغير عشوائي غاوسي له نفس مصفوفة التغاير الخاصة بـ x

S(x)=-صx(u)سجلصx(u)دu{\displaystyle S(x)=-\int p_{x}(u)\log p_{x}(u)du}

يُعدّ تقريب الإنتروبيا السالبة هو

ج(x)=112(هـ(x3))2+148(كuرت(x))2{\displaystyle J(x)={\frac {1}{12}}(E(x^{3}))^{2}+{\frac {1}{48}}(kurt(x))^{2}}

يمكن إيجاد برهان في الأوراق الأصلية لكومون؛ [ 20 ] [ 10 ] وقد أُعيد نشره في كتاب تحليل المكونات المستقلة من تأليف آبو هيفارينن، وجوها كارهونن، وإركي أوجا [ 21 ]. ويعاني هذا التقريب أيضًا من نفس مشكلة التفرطح (الحساسية للقيم الشاذة). وقد طُوّرت مناهج أخرى. [ 22 ]

ج(y)=ك1(هـ(جي1(y)))2+ك2(هـ(جي2(y))-هـ(جي2(v))2{\displaystyle J(y)=k_{1}(E(G_{1}(y)))^{2}+k_{2}(E(G_{2}(y))-E(G_{2}(v))^{2}}

خياراتجي1{\displaystyle G_{1}}وجي2{\displaystyle G_{2}}نكون

جي1=1أ1سجل(ضرب بالعصا(أ1u)){\displaystyle G_{1}={\frac {1}{a_{1}}}\log(\cosh(a_{1}u))}وجي2=-خبرة(-u22){\displaystyle G_{2}=-\exp(-{\frac {u^{2}}{2}})}

استنادًا إلى إنفوماكس

يُعدّ تحليل المكونات المستقلة باستخدام Infomax [ 23 ] نسخةً متعددة المتغيرات ومتوازية من تقنية البحث الإسقاطي. فبينما تستخلص تقنية البحث الإسقاطي سلسلةً من الإشارات واحدةً تلو الأخرى من مجموعة من M مزيجًا من الإشارات، تستخلص تقنية تحليل المكونات المستقلة M إشارةً بالتوازي. وهذا ما يجعلها أكثر قوةً من تقنية البحث الإسقاطي. [ 24 ]

تستخدم طريقة البحث الإسقاطي تعامد غرام-شميدت لضمان استقلالية الإشارة المستخرجة، بينما تستخدم طريقة تحليل المكونات المستقلة (ICA) تقدير المعلومات القصوى وتقدير الاحتمال الأقصى لضمان استقلالية الإشارة المستخرجة. ويتم تحقيق عدم انتظام الإشارة المستخرجة من خلال تعيين نموذج مناسب، أو توزيع احتمالي مسبق، للإشارة.

باختصار، تتلخص عملية تحليل المكونات المستقلة (ICA) القائمة على مبدأ المعلومات القصوى فيما يلي: بالنظر إلى مجموعة من مخاليط الإشاراتx{\displaystyle \mathbf {x} }ومجموعة من دوال التوزيع التراكمي النموذجية المستقلة المتطابقة (cdfs)ز{\displaystyle g}نسعى إلى إيجاد مصفوفة الفصلدبليو{\displaystyle \mathbf {W} }الذي يزيد من الإنتروبيا المشتركة للإشاراتY=ز(y){\displaystyle \mathbf {Y} =g(\mathbf {y} )}، أينy=دبليوx{\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {Wx} }هي الإشارات المستخرجة بواسطةدبليو{\displaystyle \mathbf {W} }بالنظر إلى الأمثلدبليو{\displaystyle \mathbf {W} }الإشاراتY{\displaystyle \mathbf {Y} }تتمتع هذه الإشارات بأقصى قدر من الإنتروبيا، وبالتالي فهي مستقلة، مما يضمن أن الإشارات المستخرجةy=ز-1(Y){\displaystyle \mathbf {y} =g^{-1}(\mathbf {Y} )}وهي مستقلة أيضاً.ز{\displaystyle g}دالة قابلة للعكس، و هو نموذج الإشارة. لاحظ أنه إذا كانت دالة كثافة الاحتمال لنموذج إشارة المصدرصs{\displaystyle p_{s}}يتطابق مع دالة كثافة الاحتمال للإشارة المستخرجةصy{\displaystyle p_{\mathbf {y} }}ثم تعظيم الإنتروبيا المشتركة لـY{\displaystyle Y}كما أنه يزيد من كمية المعلومات المتبادلة بينx{\displaystyle \mathbf {x} }وY{\displaystyle \mathbf {Y} }ولهذا السبب، فإن استخدام الإنتروبيا لاستخراج الإشارات المستقلة يُعرف باسم infomax .

ضع في اعتبارك إنتروبيا المتغير المتجهY=ز(y){\displaystyle \mathbf {Y} =g(\mathbf {y} )}، أينy=دبليوx{\displaystyle \mathbf {y} =\mathbf {Wx} }هي مجموعة الإشارات المستخرجة بواسطة مصفوفة الفصلدبليو{\displaystyle \mathbf {W} }بالنسبة لمجموعة محدودة من القيم المأخوذة من توزيع ذي دالة كثافة احتماليةصy{\displaystyle p_{\mathbf {y} }}، إنتروبياY{\displaystyle \mathbf {Y} }ويمكن تقدير ذلك على النحو التالي:

ح(Y)=-1شمالت=1شمالlnصY(Yت){\displaystyle H(\mathbf {Y} )=-{\frac {1}{N}}\sum _{t=1}^{N}\ln p_{\mathbf {Y} }(\mathbf {Y} ^{t})}

ملف PDF المشتركصY{\displaystyle p_{\mathbf {Y} }}يمكن إثبات ارتباطها بملف تعريف الارتباط المشتركصy{\displaystyle p_{\mathbf {y} }}من الإشارات المستخرجة بواسطة الشكل متعدد المتغيرات:

صY(Y)=صy(y)|Yy|{\displaystyle p_{\mathbf {Y} }(Y)={\frac {p_{\mathbf {y} }(\mathbf {y} )}{|{\frac {\partial \mathbf {Y} }{\partial \mathbf {y} }}|}}}

أينج=Yy{\displaystyle \mathbf {J} ={\frac {\partial \mathbf {Y} }{\partial \mathbf {y} }}}هي مصفوفة جاكوبي . لدينا|ج|=ز(y){\displaystyle |\mathbf {J} |=g'(\mathbf {y} )}، وز{\displaystyle g'}هل يتم افتراض دالة كثافة الاحتمال لإشارات المصدر؟ز=صs{\displaystyle g'=p_{s}}، لذلك،

صY(Y)=صy(y)|Yy|=صy(y)صs(y){\displaystyle p_{\mathbf {Y} }(Y)={\frac {p_{\mathbf {y} }(\mathbf {y} )}{|{\frac {\partial \mathbf {Y} }{\partial \mathbf {y} }}|}}={\frac {p_{\mathbf {y} }(\mathbf {y} )}{p_{\mathbf {s} }(\mathbf {y} )}}}

لذلك،

ح(Y)=-1شمالت=1شمالlnصy(y)صs(y){\displaystyle H(\mathbf {Y} )=-{\frac {1}{N}}\sum _{t=1}^{N}\ln {\frac {p_{\mathbf {y} }(\mathbf {y} )}{p_{\mathbf {s} }(\mathbf {y} )}}}

نحن نعلم ذلك عندماصy=صs{\displaystyle p_{\mathbf {y} }=p_{s}}،صY{\displaystyle p_{\mathbf {Y} }}وهي موزعة بشكل منتظم، وح(Y){\displaystyle H({\mathbf {Y} })}يتم تحقيق أقصى قدر من الفائدة. بما أن

صy(y)=صx(x)|yx|=صx(x)|دبليو|{\displaystyle p_{\mathbf {y} }(\mathbf {y} )={\frac {p_{\mathbf {x} }(\mathbf {x} )}{|{\frac {\partial \mathbf {y} }{\partial \mathbf {x} }}|}}={\frac {p_{\mathbf {x} }(\mathbf {x} )}{|\mathbf {W} |}}}

أين|دبليو|{\displaystyle |\mathbf {W} |}هي القيمة المطلقة لمحدد مصفوفة الفصلدبليو{\displaystyle \mathbf {W} }. لذلك،

ح(Y)=-1شمالت=1شمالlnصx(xت)|دبليو|صs(yت){\displaystyle H(\mathbf {Y} )=-{\frac {1}{N}}\sum _{t=1}^{N}\ln {\frac {p_{\mathbf {x} }(\mathbf {x} ^{t})}{|\mathbf {W} |p_{\mathbf {s} }(\mathbf {y} ^{t})}}}

لذا،

ح(Y)=1شمالت=1شمالlnصs(yت)+ln|دبليو|+ح(x){\displaystyle H(\mathbf {Y} )={\frac {1}{N}}\sum _{t=1}^{N}\ln p_{\mathbf {s} }(\mathbf {y} ^{t})+\ln |\mathbf {W} |+H(\mathbf {x} )}

منذح(x)=-1شمالت=1شمالlnصx(xت){\displaystyle H(\mathbf {x} )=-{\frac {1}{N}}\sum _{t=1}^{N}\ln p_{\mathbf {x} }(\mathbf {x} ^{t})}، وتحقيق أقصى قدر مندبليو{\displaystyle \mathbf {W} }لا يؤثرحx{\displaystyle H_{\mathbf {x} }}لذلك يمكننا تحقيق أقصى قيمة للدالة

ح(Y)=1شمالت=1شمالlnصs(yت)+ln|دبليو|{\displaystyle h(\mathbf {Y} )={\frac {1}{N}}\sum _{t=1}^{N}\ln p_{\mathbf {s} }(\mathbf {y} ^{t})+\ln |\mathbf {W} |}

لتحقيق استقلالية الإشارة المستخرجة.

إذا كان هناك M دالة كثافة احتمالية هامشية لدالة كثافة الاحتمالية المشتركة للنموذجصs{\displaystyle p_{\mathbf {s} }}مستقلة وتستخدم نموذج الكثافة الاحتمالية الفائق الغاوسي الشائع لإشارات المصدرصs=(1-tanh(s)2){\displaystyle p_{\mathbf {s} }=(1-\tanh(\mathbf {s} )^{2})}ثم لدينا

ح(Y)=1شمالأنا=1مت=1شمالln(1-tanh(wأناتيxت)2)+ln|دبليو|{\displaystyle h(\mathbf {Y} )={\frac {1}{N}}\sum _{i=1}^{M}\sum _{t=1}^{N}\ln(1-\tanh(\mathbf {w} _{i}^{\mathsf {T}}\mathbf {x} ^{t})^{2})+\ln |\mathbf {W} |}

في المجموع، بالنظر إلى مزيج الإشارة المرصودة x{\displaystyle \mathbf {x} }، المجموعة المقابلة من الإشارات المستخرجة y{\displaystyle \mathbf {y} } ونموذج إشارة المصدرصs=ز{\displaystyle p_{\mathbf {s} }=g'}، يمكننا إيجاد مصفوفة الفصل المثلىدبليو{\displaystyle \mathbf {W} }ونجعل الإشارات المستخرجة مستقلة وغير غاوسية. وكما هو الحال في حالة البحث عن الإسقاط، يمكننا استخدام طريقة التدرج الهبوطي لإيجاد الحل الأمثل لمصفوفة الفصل.

استنادًا إلى تقدير الاحتمال الأقصى

يُعد تقدير الاحتمال الأقصى (MLE) أداة إحصائية قياسية لإيجاد قيم المعلمات (مثل مصفوفة الفصل).دبليو{\displaystyle \mathbf {W} }) التي توفر أفضل تطابق لبعض البيانات (مثل الإشارات المستخرجة)y{\displaystyle y}) إلى نموذج معين (على سبيل المثال، دالة كثافة الاحتمال المشتركة المفترضة (pdf)صs{\displaystyle p_{s}}(من إشارات المصدر). [ 24 ]

يتضمن "نموذج" التعلم الآلي مواصفات لملف PDF، وهو في هذه الحالة ملف PDFصs{\displaystyle p_{s}}إشارات المصدر المجهولs{\displaystyle s}باستخدام خوارزمية ML ICA ، يتمثل الهدف في إيجاد مصفوفة فصل المكونات التي تُنتج إشارات مُستخرجة.y=دبليوx{\displaystyle y=\mathbf {W} x}مع ملف PDF مشترك مشابه قدر الإمكان لملف PDF المشتركصs{\displaystyle p_{s}}إشارات المصدر المجهولs{\displaystyle s}.

وبالتالي، يعتمد تقدير الاحتمال الأقصى على افتراض أنه إذا كان نموذج دالة كثافة الاحتمالصs{\displaystyle p_{s}}ومعلمات النموذجأ{\displaystyle \mathbf {A} }إذا كانت البيانات صحيحة، فيجب الحصول على احتمالية عالية لها.x{\displaystyle x}التي تمت ملاحظتها بالفعل. وعلى العكس من ذلك، إذاأ{\displaystyle \mathbf {A} }إذا كانت القيم بعيدة عن قيم المعلمات الصحيحة، فمن المتوقع أن تكون احتمالية البيانات المرصودة منخفضة.

باستخدام طريقة تقدير الاحتمال الأقصى (MLE) ، نسمي احتمال البيانات المرصودة لمجموعة معينة من قيم معلمات النموذج (على سبيل المثال، دالة كثافة الاحتمال).صs{\displaystyle p_{s}}ومصفوفةأ{\displaystyle \mathbf {A} }) احتمالية قيم معلمات النموذج بالنظر إلى البيانات المرصودة.

نُعرّف دالة الاحتماليةL(دبليو){\displaystyle \mathbf {L(W)} }لدبليو{\displaystyle \mathbf {W} }:

L(دبليو)=صs(دبليوx)|المحققدبليو|.{\displaystyle \mathbf {L(W)} =p_{s}(\mathbf {W} x)|\det \mathbf {W} |.}

وهذا يساوي كثافة الاحتمال عندx{\displaystyle x}، منذs=دبليوx{\displaystyle s=\mathbf {W} x}.

وبالتالي، إذا أردنا إيجاددبليو{\displaystyle \mathbf {W} }من المرجح أن يكون ذلك قد أدى إلى تكوين الخلائط المرصودةx{\displaystyle x}إشارات من مصدر مجهولs{\displaystyle s}مع ملف PDFصs{\displaystyle p_{s}}إذن كل ما نحتاجه هو أن نجد ذلكدبليو{\displaystyle \mathbf {W} }مما يزيد من الاحتماليةL(دبليو){\displaystyle \mathbf {L(W)} }. تُعرف مصفوفة الفصل التي تزيد من قيمة المعادلة باسم MLE لمصفوفة الفصل المثلى.

من الممارسات الشائعة استخدام دالة الاحتمال اللوغاريتمي ، لأنها أسهل في التقييم. وبما أن اللوغاريتم دالة رتيبة، فإندبليو{\displaystyle \mathbf {W} }الذي يزيد من قيمة الدالةL(دبليو){\displaystyle \mathbf {L(W)} }كما أنه يزيد من قيمة لوغاريتمهlnL(دبليو){\displaystyle \ln \mathbf {L(W)} }وهذا يسمح لنا بأخذ لوغاريتم المعادلة أعلاه، مما ينتج عنه دالة الاحتمال اللوغاريتمي

lnL(دبليو)=أناتlnصs(wأناتيxت)+شمالln|المحققدبليو|{\displaystyle \ln \mathbf {L(W)} =\sum _{i}\sum _{t}\ln p_{s}(w_{i}^{T}x_{t})+N\ln |\det \mathbf {W} |}

إذا استبدلنا نموذج كثافة الاحتمال عالي التفرطح الشائع الاستخدام بإشارات المصدرصs=(1-tanh(s)2){\displaystyle p_{s}=(1-\tanh(s)^{2})}ثم لدينا

lnL(دبليو)=1شمالأنامتشمالln(1-tanh(wأناتيxت)2)+ln|المحققدبليو|{\displaystyle \ln \mathbf {L(W)} ={1 \over N}\sum _{i}^{M}\sum _{t}^{N}\ln(1-\tanh(w_{i}^{T}x_{t})^{2})+\ln |\det \mathbf {W} |}

هذه المصفوفةدبليو{\displaystyle \mathbf {W} }إن الطريقة التي تحقق أقصى قيمة لهذه الدالة هي تقدير الاحتمال الأقصى .

التاريخ والخلفية

طُرح الإطار العام الأولي لتحليل المكونات المستقلة من قِبل جيني هيرولت وبرنارد آنس عام 1984، [ 25 ] ثم طوّره كريستيان جوتن عامي 1985 و1986، [ 2 ] [ 26 ] [ 27 ] وحسّنه بيير كومون عام 1991، [ 20 ] وشاع استخدامه في بحثه المنشور عام 1994. [ 10 ] وفي عام 1995، قدّم توني بيل وتيري سيجنوفسكي خوارزمية سريعة وفعّالة لتحليل المكونات المستقلة تعتمد على مبدأ إنفو ماكس ، وهو مبدأ طرحه رالف لينسكر عام 1987. وتوجد صلة بين تقدير الاحتمال الأقصى ومنهج إنفو ماكس. [ 28 ] وقد نشر جيه إف كاردوسو عام 1998 دليلاً شاملاً حول منهج الاحتمال الأقصى لتحليل المكونات المستقلة. [ 29 ]

تتوفر في الأدبيات العلمية العديد من الخوارزميات التي تُجري تحليل المكونات المستقلة (ICA). ومن أكثرها استخدامًا، بما في ذلك في التطبيقات الصناعية، خوارزمية FastICA التي طورها هيفارينين وأوجا [ 30 ] ، والتي تستخدم دالة الإنتروبيا السالبة كدالة تكلفة، والتي اقترحها بيير كومون في هذا السياق قبل سبع سنوات [ 10 ] . وتتعلق أمثلة أخرى بفصل المصادر العمياء، حيث يُستخدم نهج أكثر عمومية. فعلى سبيل المثال، يمكن التخلي عن فرضية الاستقلال وفصل الإشارات المترابطة، وبالتالي الإشارات "المعتمدة" إحصائيًا. وقد أوضح سيب هوكريتر ويورغن شميدهوبر كيفية الحصول على تحليل المكونات المستقلة غير الخطي أو فصل المصادر كنتيجة ثانوية للتنظيم (1999) [ 31 ] . ولا تتطلب طريقتهما معرفة مسبقة بعدد المصادر المستقلة.

التطبيقات

يمكن توسيع نطاق تحليل المكونات المستقلة (ICA) ليشمل تحليل الإشارات غير الفيزيائية. على سبيل المثال، تم تطبيق تحليل المكونات المستقلة لاكتشاف مواضيع النقاش في مجموعة كبيرة من أرشيفات قوائم الأخبار.

بعض تطبيقات ICA مدرجة أدناه: [ 6 ]

تحليل المكونات المستقلة في برنامج EEGLAB

التوافر

يمكن تطبيق ICA من خلال البرامج التالية:

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. "تحليل المكونات المستقلة: عرض توضيحي" .
  2. 1 2 أنس، ب.، هيرولت، جيه، وجوتن، سي. (1985). أبنية المحاكاة العصبية التكيفية : الكشف عن البدائيات. المعرفة 85 (المجلد 2، ص 593-597). باريس: سيستا.
  3. هيفارينين، آبو (2013). "تحليل المكونات المستقلة: التطورات الحديثة" . المعاملات الفلسفية: العلوم الرياضية والفيزيائية والهندسية . 371 (1984) 20110534. Bibcode : 2012RSPTA.37110534H . doi : 10.1098 / rsta.2011.0534 . ISSN 1364-503X . JSTOR 41739975. PMC 3538438. PMID 23277597 .    
  4. إيسومورا، تاكويا؛ تويوزومي، تارو (2016). "قاعدة تعلم محلية لتحليل المكونات المستقلة" . التقارير العلمية . 6 28073. Bibcode : 2016NatSR...628073I . doi : 10.1038/srep28073 . PMC 4914970. PMID 27323661 .  
  5. كومون، ب.؛ جوتن، س.، (2010): دليل فصل المصادر العمياء، وتحليل المكونات المستقلة، والتطبيقات. دار النشر الأكاديمية، أكسفورد، المملكة المتحدة. ISBN 978-0-12-374726-6
  6. 1 2 ستون، جيمس ف. (2004). تحليل المكونات المستقلة: مقدمة تعليمية . كامبريدج، ماساتشوستس: مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ISBN 978-0-262-69315-8.
  7. ^ هيفارينين، آبو؛ كارهونين، جحا؛ أوجا، إركي (2001). تحليل المكونات المستقلة (الطبعة الأولى ). نيويورك: جون وايلي وأولاده. رقم ISBN  978-0-471-22131-9.
  8. "عملية قصص الأشباح: داخل قضية التجسس الروسي" . FBI.gov . مكتب التحقيقات الفيدرالي. 28 يونيو 2010.
  9. «حُكم على مهندس سابق في شركة جنرال إلكتريك للطاقة بتهمة التآمر لارتكاب التجسس الاقتصادي» . Justice.gov . وزارة العدل الأمريكية. 3 يناير 2022.
  10. 1 2 3 4 5 بيير كومون (1994) تحليل المكونات المستقلة، مفهوم جديد؟ http://www.ece.ucsb.edu/wcsl/courses/ECE594/594C_F10Madhow/comon94.pdf
  11. 1 2 3 هولمز، م. (2023). مقدمة في الحوسبة العلمية وتحليل البيانات، الطبعة الثانية . سبرينغر. ISBN 978-3-031-22429-4.
  12. هولمز، مارك (2023). مقدمة في الحوسبة العلمية وتحليل البيانات ( الطبعة الثانية). سبرينغر. ISBN  978-3-031-22429-4.
  13. النظرية 11، كومون، بيير. "تحليل المكونات المستقلة، مفهوم جديد؟" معالجة الإشارات 36.3 (1994): 287-314.
  14. يوهان هيمبرغ وآبو هيفارينين، تحليل المكونات المستقلة للبيانات الثنائية: دراسة تجريبية ، وقائع ورشة العمل الدولية حول تحليل المكونات المستقلة وفصل الإشارات العمياء (ICA2001)، سان دييغو، كاليفورنيا، 2001.
  15. هوي نغوين ورونغ تشنغ، تحليل المكونات المستقلة الثنائية مع أو مخاليط ، معاملات IEEE في معالجة الإشارات، المجلد 59، العدد 7. (يوليو 2011)، الصفحات 3168 3181.
  16. باينسكي، أميشاي؛ روسيت، ساهارون؛ فيدر، مئير (2014). "تحليل المكونات المستقلة الثنائية المعمم". ندوة IEEE الدولية لنظرية المعلومات 2014. ص 1326-1330. doi : 10.1109 /ISIT.2014.6875048 . ISBN  978-1-4799-5186-4. S2CID 18579555 . 
  17. جيمس ف. ستون (2004)؛ "تحليل المكونات المستقلة: مقدمة تعليمية"، مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، كامبريدج، ماساتشوستس، لندن، إنجلترا؛ رقم ISBN 0-262-69315-1
  18. كروسكال، ج. ب. 1969؛ "نحو منهج عملي يساعد في الكشف عن بنية مجموعة من الملاحظات من خلال إيجاد تحويل الخط الذي يُحسِّن "مؤشر التكثيف" الجديد"، الصفحات 427-440 من: ميلتون، ر. س.، ونيلدر، ج. أ. (محرران)، الحساب الإحصائي؛ نيويورك، أكاديميك برس
  19. ^ هيفارينين، آبو؛ إركي أوجا (2000). “تحليل المكونات المستقلة: الخوارزميات والتطبيقات”. الشبكات العصبية . 4-5. 13 ( 4– 5): 411– 430. بيب كود : 2000NN.....13..411هـ . سيتيسيركس 10.1.1.79.7003 . دوى : 10.1016/s0893-6080(00)00026-5 . بميد 10946390 . S2CID 11959218 .   
  20. 1 2 ب. كومون، تحليل المكونات المستقلة، ورشة عمل حول الإحصاءات من الرتب العليا، يوليو 1991، أعيد نشرها في كتاب جيه إل لاكوم، محرر، الإحصاءات من الرتب العليا، الصفحات 29-38. إلسيفير، أمستردام، لندن، 1992. رابط HAL
  21. ^ هيفارينين، آبو؛ كارهونين، جحا؛ أوجا، إركي (2001). تحليل المكونات المستقلة (طبعة طبع ). نيويورك، نيويورك: وايلي. رقم ISBN  978-0-471-40540-5.
  22. هيفارينين، آبو (1998). "تقريبات جديدة للإنتروبيا التفاضلية لتحليل المكونات المستقلة وتتبع الإسقاط". التقدم في أنظمة معالجة المعلومات العصبية . 10 : 273-279 .
  23. بيل، أ. ج.؛ سيجنوفسكي، ت. ج. (1995). "نهج تعظيم المعلومات للفصل الأعمى وإزالة الالتفاف الأعمى"، الحوسبة العصبية، 7، 1129-1159
  24. 1 2 جيمس ف. ستون (2004). "تحليل المكونات المستقلة: مقدمة تعليمية"، مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، كامبريدج، ماساتشوستس، لندن، إنجلترا؛ ISBN 0-262-69315-1
  25. ^ هيرولت، ج. أنس، ب. (1984). "شبكة المشابك العصبية القابلة للتعديل: فك الرسائل الحسية المركبة من خلال التدريب غير الخاضع للإشراف والدائم". Comptes Rendus de l'Académie des Sciences، Série III . 299 : 525 – 528.
  26. ^ هيرولت، جيه، جوتن، سي، أنس، بي. (1985). الكشف عن عظمة البدائيات في رسالة مركبة من خلال بنية حسابية عصبية في التدريب غير الخاضع للإشراف. وقائع ورشة العمل العاشرة لتطبيقات إشارة وتطبيقات ses (المجلد 2، الصفحات من 1017 إلى 1022). نيس (فرنسا): جريتسي.
  27. هيرولت، ج.، وجوتن، س. (1986). معالجة الإشارات التكيفية المكانية أو الزمنية بواسطة نماذج الشبكات العصبية. المؤتمر الدولي حول الشبكات العصبية للحوسبة (ص 206-211). سنو بيرد (يوتا، الولايات المتحدة الأمريكية).
  28. JF.Cardoso, "Infomax and Maximum Likelihood for source separation", IEEE Sig. Proc. Letters, 1997, 4(4):112-114.
  29. JF.Cardoso, "Blind signal separation: statistics principles", Proc. of the IEEE, 1998, 90(8):2009-2025.
  30. هيفارينين، أ.؛ أوجا، إ. (2000-06-01). "تحليل المكونات المستقلة: الخوارزميات والتطبيقات" (ملف PDF) . الشبكات العصبية . 13 (4): 411-430 . Bibcode : 2000NN.....13..411H . doi : 10.1016 / S0893-6080(00)00026-5 . ISSN 0893-6080 . PMID 10946390. S2CID 11959218 .   
  31. هوكريتر، سيب؛ شميدهوبر، يورغن (1999). "استخلاص الميزات باستخدام LOCOCODE" ( ملف PDF) . الحوسبة العصبية . 11 (3): 679-714 . doi : 10.1162/089976699300016629 . ISSN 0899-7667 . PMID 10085426. S2CID 1642107. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 2017-07-06 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 فبراير 2018 .   
  32. فيريرا، أرتور جيه؛ فيغيريدو، ماريو إيه تي (2006). "حول استخدام تحليل المكونات المستقلة لضغط الصور" . معالجة الإشارات: اتصالات الصور . 21 (5): 378-389 . doi : 10.1016/j.image.2006.01.002 . ISSN 0923-5965 . 
  33. براون، جي دي؛ يامادا، إس؛ سيجنوفسكي، تي جيه (2001). "تحليل المكونات المستقلة في اجتماع الخلايا العصبية". اتجاهات في علم الأعصاب . 24 (1): 54-63 . doi : 10.1016/s0166-2236(00)01683-0 . PMID 11163888. S2CID 511254 .  
  34. ليفيكي، م.س. (1998). "مراجعة لطرق فرز النبضات: الكشف عن كمونات الفعل العصبية وتصنيفها". الشبكة: الحوسبة في الأنظمة العصبية . 9 (4): 53-78 . Bibcode : 1998NCNS....9..R53L . doi : 10.1088/0954-898X_9_4_001 . S2CID 10290908 . 
  35. بارليت، إم إس (2001). تحليل صور الوجه بواسطة التعلم غير الخاضع للإشراف . بوسطن: سلسلة كلوير الدولية في الهندسة وعلوم الحاسوب.
  36. بيل، أ. ج.؛ سيجنوفسكي، ت. ج . (1997). "المكونات المستقلة للمشاهد الطبيعية هي مرشحات الحواف" . أبحاث الرؤية . 37 (23): 3327-3338 . doi : 10.1016/s0042-6989(97)00121-1 . PMC 2882863. PMID 9425547 .  
  37. باك، أ.د.؛ ويغند، أ.س. (1997). "تطبيق أولي لتحليل المكونات المستقلة لاستخلاص البنية من عوائد الأسهم" . المجلة الدولية للأنظمة العصبية . 8 (4): 473-484 . Bibcode : 1997IJNS...08..473B . doi : 10.1142/s0129065797000458 . PMID 9730022. S2CID 872703 .  
  38. هيفارينين، أ، كارهونين، ج، وأوجا، إي (2001أ). تحليل المكونات المستقلة . نيويورك: جون وايلي وأولاده.{{cite book}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  39. بولدر، ج؛ فان دير هيجن، ف.و.أ.م. (2003). "تقدير توزيع المركبات في الصور الطيفية للطماطم باستخدام تحليل المكونات المستقلة" . في ر. لايتنر (محرر). التصوير الطيفي. وقائع ورشة العمل الدولية لشركة كارينثيان تك ريسيرش إيه جي، غراتس، النمسا، 3 أبريل 2003. فيينا، النمسا: الجمعية النمساوية للحاسبات. ص 57-64 . 
  40. ديلورم، أ؛ سيجنوفسكي، ت؛ ماكيج، س (2007). "تحسين كشف التشوهات في بيانات تخطيط كهربية الدماغ باستخدام الإحصاءات ذات الرتبة العليا وتحليل المكونات المستقلة" . مجلة NeuroImage . 34 (4): 1443-1449 . doi : 10.1016/j.neuroimage.2006.11.004 . PMC 2895624. PMID 17188898 .  
  41. دوغلاس، ب. (2013). "فك تشفير عملية اتخاذ القرار بشأن المعتقدات من بيانات تخطيط كهربية الدماغ والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي باستخدام سمات المكونات المستقلة" في تجربة واحدة . مجلة فرونتيرز في علم الأعصاب البشري . 7 : 392. doi : 10.3389/fnhum.2013.00392 . PMC 3728485. PMID 23914164 .  
  42. ترابنيل، سي؛ كاتشياريلي، دي؛ غريمسبي، جيه (2014). "ديناميكيات ومنظمات قرارات مصير الخلية تُكشف من خلال الترتيب الزمني الزائف للخلايا المفردة" . مجلة نيتشر للتكنولوجيا الحيوية . 32 (4): 381-386 . doi : 10.1038/nbt.2859 . PMC 4122333. PMID 24658644 .  
  43. ^ كيفينيمي، فيسا ج.؛ كانتولا، جحا هيكي؛ جوهياينن، جوكا؛ هيفارينين، آبو؛ ترفونين، أوسمو (2003). “تحليل المكونات المستقلة لمصادر إشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي غير المحددة”. صورة عصبية . 19 (2): 253–260 . دوى : 10.1016/S1053-8119(03)00097-1 . بميد 12814576 . S2CID 17110486 .  
  44. ^ وانغ، جينغ ينغ؛ شو، هايجوانج؛ قو، جونهوا؛ آن، تاو؛ كوي، هايجوان؛ لي، جيانشون؛ تشانغ، تشونغ لي. تشنغ، تشيان. وو ، شيانغ بينغ (2010/11/01). "كيفية التعرف على مجموعات المجرات الساطعة وفصلها عن سماء الراديو ذات التردد المنخفض؟" . مجلة الفيزياء الفلكية . 723 (1): 620– 633. أرخايف : 1008.3391 . بيب كود : 2010ApJ...723..620W . دوى : 10.1088/0004-637X/723/1/620 . ISSN 0004-637X . 
  45. مورو، فرانك؛ فيلا، كريستوف (2003). "ديناميكيات هيكل آجال أسعار الفائدة: تحليل المكونات المستقلة". مناهج الاتصال في الاقتصاد وعلوم الإدارة . التقدم في علوم الإدارة الحاسوبية. المجلد 6. الصفحات 215-232 . doi : 10.1007/978-1-4757-3722-6_11 . ISBN   978-1-4757-3722-6.

مراجع

  • كومون، بيير (1994): "تحليل المكونات المستقلة: مفهوم جديد؟" مؤرشف في 2016-03-04 في Wayback Machine ، معالجة الإشارات ، 36(3):287–314 (الورقة الأصلية التي تصف مفهوم ICA)
  • هيفارينين، أ.؛ كارهونين، J .؛ أوجا، إي. (2001): تحليل المكونات المستقلة ، نيويورك: وايلي، ISBN 978-0-471-40540-5( الفصل التمهيدي )
  • Hyvärinen, A.; Oja, E. (2000): "تحليل المكونات المستقلة: الخوارزميات والتطبيق" ، الشبكات العصبية ، 13(4-5):411-430. (مقدمة تقنية ولكنها تعليمية).
  • كومون، ب.؛ جوتن، س. (2010): دليل فصل المصادر العمياء، وتحليل المكونات المستقلة وتطبيقاتها. دار النشر الأكاديمية، أكسفورد، المملكة المتحدة. ISBN 978-0-12-374726-6
  • لي، ت.-و. (1998): تحليل المكونات المستقلة: النظرية والتطبيقات ، بوسطن، ماساتشوستس: دار نشر كلوير الأكاديمية، رقم ISBN 0-7923-8261-7
  • أشاريا، رانجان (2008): منهج جديد لفصل المصادر العمياء للمصادر الالتفافية - الفصل القائم على الموجات باستخدام دالة الانكماش ISBN 3-639-07797-0رقم الكتاب المعياري الدولي (ISBN) 978-3639077971(يركز هذا الكتاب على التعلم غير الخاضع للإشراف باستخدام فصل المصادر العمياء)