概率图模型在真实世界中的应用案例

概率图模型有许多不同的实际应用。 为了激起大家对概率图模型的兴趣，也为了让大家能够对概率图模型有感性的认知，本章我会分享概率图模型的诸多实际应用案例。

文章目录

• • 图像中的概率模型
  • • 图像生成
    • 图像修复
    • 图像降噪
  • 语言模型
  • • 生成
    • 翻译
  • 音频模型
  • • 提升采样或超分辨率
    • 语音合成
    • 语音识别
  • 科学研究
  • • 纠错码
    • 计算生物学
    • 生态学
    • 经济学
  • 医疗健康
  • • 医疗诊断

图像中的概率模型

考虑图像上的一个分布 p(x)p(\mathbf{x})p(x)，其中 x\mathbf{x}x 是以像素向量表示的图像，它将高概率赋予看起来真实的图像，而将低概率分配给不真实的。有了这样一个模型，我们可以完成大量有趣的任务。

图像生成

Radfold 等人训练了一个概率模型 p(x)p(\mathbf{x})p(x) 将高概率赋予看起来像卧室的图片。为了实现这一点，他们在如下图所示的卧室图像数据集上训练了他们的模型：

训练数据集

当我们有了卧室的概率模型，我们就可以通过从分布中采样来生成新的真实卧室图像。具体来说，新的采样图像 x^∼p(x)\hat{\mathbf{x}} \sim p(\mathbf{x})x^∼p(x) 是直接从我们的模型 p(x)p(\mathbf{x})p(x) 中创建的，现在可以生成类似于我们训练它使用的卧室图像的数据。

此外，生成模型之所以强大的原因之一在于，它们的参数比它们训练的数据量少得多，因此，模型必须有效地提取训练数据的本质，才能生成新样本。我们看到，我们的卧室概率模型很好地捕捉了数据的本质，因此可以生成高度逼真的图像，其中一些示例如下：

生成的数据

同样，我们可以学习人脸模型。

和卧室里的照片一样，这些脸部照片不是来自与真实的人，而是完全合成出来的。

同样的方法也可以用于任何其他事物。

注意，图像不是完美的，可能需要细化；然而，采样生成的图像与人们期望的非常相似。

图像修复

用前面的脸部模型 p(x)p(\mathbf{x})p(x)，我们还可以“填充”图像的其余部分。例如，给定模型 p(x)p(\mathbf{x})p(x) 和已有图片的片段（比如照片的一部分），我们可以从 p(图片∣片段)p(\textsf{图片} \mid \textsf{片段})p(图片∣片段) 中采样，并生成完整图片的可能样貌：

请注意概率模型捕捉不确定性的重要性：可以有多种方法来完成图像！

图像降噪

类似地，给定一个被噪声破坏的图像（例如，一张旧照片），我们可以尝试基于图像外观的概率模型来恢复它。具体来说，我们需要生成一个图模型 p(原图∣噪声图)p(\textsf{原图} \mid \textsf{噪声图})p(原图∣噪声图) ，该模型能够很好地建模后验分布。然后，通过观察噪声图像，我们可以采样或使用精确推理来预测原始图像。

语言模型

了解概率分布也可以帮助我们建模自然语言语句。在这种情况下，我们希望在单词或字符序列 xxx 上构建一个概率分布 p(x)p(x)p(x)，为正确的（英语）句子分配高概率。可以从各种来源（如维基百科文章）了解此分布。

生成

假设我们从维基百科文章中构建了一个单词序列的分布。然后，我们可以从这个分布中采样，生成新的类似维基百科的文章，如下所示¹ ：

Naturalism and decision for the majority of Arab countries’ capitalide was grounded
by the Irish language by [[John Clair]], [[An Imperial Japanese Revolt]], associated
with Guangzham’s sovereignty. His generals were the powerful ruler of the Portugal
in the [[Protestant Immineners]], which could be said to be directly in Cantonese
Communication, which followed a ceremony and set inspired prison, training. The
emperor travelled back to [[Antioch, Perth, October 25|21]] to note, the Kingdom
of Costa Rica, unsuccessful fashioned the [[Thrales]], [[Cynth’s Dajoard]], known
in western [[Scotland]], near Italy to the conquest of India with the conflict.
Copyright was the succession of independence in the slop of Syrian influence that
was a famous German movement based on a more popular servicious, non-doctrinal
and sexual power post. Many governments recognize the military housing of the
[[Civil Liberalization and Infantry Resolution 265 National Party in Hungary]],
that is sympathetic to be to the [[Punjab Resolution]]
(PJS)[http://www.humah.yahoo.com/guardian.
cfm/7754800786d17551963s89.htm Official economics Adjoint for the Nazism, Montgomery
was swear to advance to the resources for those Socialism’s rule,
was starting to signing a major tripad of aid exile.]]

翻译

假设我们收集了一组用英文和中文转录的训练段落。我们可以建立一个概率模型p(y∣x)p(y \mid x)p(y∣x)，根据相应的汉语句子 xxx 生成英语句子 yyy；这是机器翻译的一个例子。

音频模型

我们还可以将概率图模型用于音频应用中。假设我们在音频信号上构造一个概率分布 p(x)p(x)p(x)，将高概率分配给听起来像人类语音的信号。

提升采样或超分辨率

给定低分辨率版本的音频信号，我们可以尝试提升其分辨率。我们可以将这个问题表述为：鉴于我们的语音概率分布 p(x)p(x)p(x) “知道”典型的人类语音听起来是什么样子的，以及音频信号的一些观测值，我们的目标是计算中间时间点的信号值。

在下图中，给定观察到的音频信号（蓝色的）和音频的一些基本模型，我们旨在通过预测中间信号（白色的）来重建原始信号（虚线）的高保真版本。

我们可以通过对 p(I∣O)p(\textbf{I} \mid \textbf{O})p(I∣O) 进行采样或推理来解决这个问题，其中 I\textbf{I}I 是我们想要预测的中间信号，O\textbf{O}O 是观察到的低分辨率音频信号。

音频信号超分辨率demo

语音合成

正如我们在图像处理中所做的那样，我们还可以对模型进行采样并生成（合成）语音信号。

语音合成demo

语音识别

给定语音信号和语言（文本）的（联合）模型，我们可以尝试从音频信号中推断语言内容。

科学研究

纠错码

在非理论世界中，概率模型通常用于建模通信信道（例如，以太网或Wifi）。例如，如果你通过信道发送消息，由于噪声，可能会在另一端收到不同的消息。基于图模型的纠错码及技术常用于检测和纠正通信错误。

计算生物学

图模型也广泛应用于计算生物学。例如，给定DNA序列如何随时间演化的模型，可以从给定物种的DNA序列重建系统发育树。

生态学

图模型常用于研究随空间和时间演变的现象，捕捉空间和时间相关性。例如，可以用来研究鸟类迁徙。

经济学

图模型可用于建模利息数量的空间分布（例如，基于资产或支出的财富度量）。

最后两个应用即所谓的时空模型。它们依赖于跨时间和空间收集的数据。

医疗健康

医疗诊断

概率图模型可以帮助医生诊断疾病和预测不良反应。例如，1998年，犹他州盐湖城的LDS医院开发了诊断肺炎的贝叶斯网络。他们的模型能够以高灵敏度（0.95）和特异性（0.965）区分肺炎患者和其他疾病患者，并在临床上使用多年。他们的网络模型概述如下：