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Tipo: Dissertação
Título: Independent vector analysis using semi-parametric density estimation via multivariate entropy maximization
Autor(es): Damasceno, Lucas de Paula
Orientador: Cavalcante, Charles Casimiro
Coorientador: Boukouvalas, Zois
Palavras-chave: Análise de vetores independentes;Estimação de função densidade de probabilidade multivariada;Princípio da máxima entropia;Métodos de Monte Carlo
Data do documento: 2021
Citação: DAMASCENO, Lucas de Paula. Independent vector analysis using semi-parametric density estimation via multivariate entropy maximization. 2021. 46f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Teleinformática) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Teleinformática, Fortaleza, 2021.
Resumo: A separação cega de fontes (BSS) é uma ativa área de pesquisa em processamento estatístico de sinais devido às suas inúmeras aplicações, como análise de dados de imagens médicas, comunicações sem fio e processamento de imagens. Devido ao amplo uso da tecnologia de multi-sensores, a análise de múltiplos conjuntos de dados está no centro de muitos problemas desafiadores na engenharia. Isso motiva o desenvolvimento de modelos de separação cega de fontes para múltiplos conjunto de dados (JBSS) assumindo dependência estatística entre fontes latentes através de misturas. A análise de componentes independentes (ICA) é um método de BSS amplamente utilizado que pode alcançar a recuperação da fonte de forma exclusiva, sujeito apenas a ambigüidades de escala e permutação, por meio da suposição de independência estatística por parte das fontes latentes. Embora o ICA seja um dos algoritmos mais comumente usados, ele só pode decompor um único conjunto de dados. Isso tem impulsionado o desenvolvimento da análise de vetores independentes (IVA) uma generalização recente do ICA para múltiplos conjuntos de dados que pode alcançar um desempenho aprimorado em relação ao desempenho do ICA em cada conjunto separadamente, explorando dependências entre os conjuntos de dados. Embora os algoritmos ICA e IVA possam ser modelados com base na estrutura de máxima verossimilhança de modo que todos os tipos de diversidade disponíveis sejam levados em consideração simultaneamente por meio do uso de modelos de densidade geral para as fontes multivariadas latentes, eles frequentemente se desviam de suas propriedades de otimização devido à estimação inadequada da função densidade de probabilidade. Portanto, para garantir a eficiência dos algoritmos de IVA, é necessário um método de estimação de densidade eficiente. Nesta dissertação, apresentamos uma técnica de estimação de densidade multivariada com base no princípio da máxima entropia que utiliza conjuntamente funções de medição multidimensionais globais e locais para fornecer funções densidade de probabilidade flexíveis e além disso, integramos no algoritmo proposto uma técnica de integração multidimensional baseada no método de Monte Carlo. Então, derivamos um novo algoritmo de IVA, que aproveita a capacidade do método proposto de estimação de densidade para aprimorar o desempenho de separação de fontes em uma ampla gama de distribuições. Utilizamos experimentos numéricos para demonstrar o desempenho superior sobre algoritmos amplamente utilizados.
Abstract: Blind source separation (BSS) is an active area of research in statistical signal processing due to its numerous applications, such as analysis of medical imaging data, wireless communications, and image processing. Due to the wide use of multi-sensor technology, analysis of multiple datasets is at the heart of many challenging engineering problems. This motivates the development of the field of joint blind source separation (JBSS), which extends the classical BSS to simultaneously resolve several BSS problems by assuming statistical dependence between latent sources across mixtures. Independent component analysis (ICA) is a widely used BSS method that can uniquely achieve source recovery, subject to only scaling and permutation ambiguities, through the assumption of statistical independence on the part of the latent sources. Although ICA is one of the most commonly used, it can only decompose a single dataset. This has driven the development of independent vector analysis (IVA), a recent generalization of ICA to multiple datasets that can achieve improved performance over performing ICA on each dataset separately by exploiting dependencies across datasets. Though both ICA and IVA algorithms cast in the maximum likelihood (ML) framework such that all available types of diversity are taken into account simultaneously through the use of general density models for the latent multivariate sources, they often deviate from their theoretical optimality properties due to improper estimation of the probability density function (PDF). Therefore, in order to guarantee the effectiveness of IVA algorithms, an efficient density estimation method is required. In this dissertation, we present a multivariate density estimation technique based on the maximum entropy principle (MEP) that jointly uses global and local multidimensional measuring functions to provide flexible PDFs while keeping the complexity low by integrating into the proposed algorithm a multidimensional Monte-Carlo (MC) integration technique. Finally, we derive a new IVA algorithm, which takes advantage of the accurate estimation capability of the proposed density estimation method to greatly improve separation performance from a wide range of distributions. We use numerical experiments to demonstrate the superior performance over widely used algorithms.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/59717
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