1. 19.7 HMM模型API介绍

1.1. 学习目标

• 指导HMM模型API使用方法

1.2. 1 API的安装：

官网链接：https://hmmlearn.readthedocs.io/en/latest/

pip3 install hmmlearn

1.3. 2 hmmlearn介绍

hmmlearn实现了三种HMM模型类，按照观测状态是连续状态还是离散状态，可以分为两类。

GaussianHMM和GMMHMM是连续观测状态的HMM模型，而MultinomialHMM是离散观测状态的模型，也是我们在HMM原理系列篇里面使用的模型。

在这里主要介绍我们前面一直讲的关于离散状态的MultinomialHMM模型。

对于MultinomialHMM的模型，使用比较简单，里面有几个常用的参数：

• "startprob_"参数对应我们的隐藏状态初始分布Π,
• "transmat_"对应我们的状态转移矩阵A,
• "emissionprob_"对应我们的观测状态概率矩阵B。

1.4. 3 MultinomialHMM实例

下面我们用我们在前面讲的关于球的那个例子使用MultinomialHMM跑一遍。

import numpy as np
from hmmlearn import hmm
# 设定隐藏状态的集合
states = ["box 1", "box 2", "box3"]
n_states = len(states)

# 设定观察状态的集合
observations = ["red", "white"]
n_observations = len(observations)

# 设定初始状态分布
start_probability = np.array([0.2, 0.4, 0.4])

# 设定状态转移概率分布矩阵
transition_probability = np.array([
  [0.5, 0.2, 0.3],
  [0.3, 0.5, 0.2],
  [0.2, 0.3, 0.5]
])

# 设定观测状态概率矩阵
emission_probability = np.array([
  [0.5, 0.5],
  [0.4, 0.6],
  [0.7, 0.3]
])
# 设定模型参数
model = hmm.MultinomialHMM(n_components=n_states)
model.startprob_=start_probability  # 初始状态分布
model.transmat_=transition_probability  # 状态转移概率分布矩阵
model.emissionprob_=emission_probability  # 观测状态概率矩阵

现在我们来跑一跑HMM问题三维特比算法的解码过程，使用和之前一样的观测序列来解码，代码如下：

seen = np.array([[0,1,0]]).T  # 设定观测序列
box = model.predict(seen)

print("球的观测顺序为：\n", ", ".join(map(lambda x: observations[x], seen.flatten())))
# 注意：需要使用flatten方法，把seen从二维变成一维
print("最可能的隐藏状态序列为:\n"， ", ".join(map(lambda x: states[x], box)))

我们再来看看求HMM问题一的观测序列的概率的问题，代码如下：

print(model.score(seen))
# 输出结果是：-2.03854530992

要注意的是score函数返回的是以自然对数为底的对数概率值，我们在HMM问题一中手动计算的结果是未取对数的原始概率是0.13022。对比一下：

import math

math.exp(-2.038545309915233)
# ln0.13022≈−2.0385
# 输出结果是：0.13021800000000003