M04 · Математика рядом
Вероятность и статистические модели
Повторное измерение одного участка объясняет шум, среднее, неопределённость и ограничения усреднения.
Здесь — математическая опора для глав учебника: сначала маленький расчёт, затем интерактивный пример и точные определения.
Посчитаем на маленьком примере
Три равновероятных измерения: 2, 4, 6. Насколько они разбросаны вокруг среднего?
- Среднее
- Средний квадрат отклонения
Здесь посчитана дисперсия конечного распределения с тремя равными вероятностями. Оценка неизвестной дисперсии по выборке — другой вопрос: для несмещённой оценки используют деление на n−1.
Случайна не формула, а наблюдение
Шумовая модель описывает распределение возможных измерений. При и среднее , но один кадр не обязан совпасть с s. Гауссова модель задаёт среднее и дисперсию; пуассоновская — неотрицательное число событий с равными средним и дисперсией до усиления и других шумов.
Для N независимых одинаково распределённых измерений дисперсия среднего уменьшается в N раз. Корреляция добавляет ковариационные члены: одинаковый фиксированный шум не исчезает от повторного среднего. Независимость и отсутствие смещения — проверяемые предположения, а не свойства любого шума.
Увеличивай число измерений одной сцены. Усредняются разные шумовые реализации, а не копии одного повреждённого кадра. В выбранном пикселе сравни исходное значение, отдельное наблюдение и среднее: среднее обычно ближе, но один конкретный отсчёт не обязан улучшаться при каждом увеличении N.
Среднее повторных кадров
Сравните 1, 4 и 16 кадров при одном Seed. Затем включите периодические полосы: почему они остаются?
Точные значения — в разборе точки
Серая шкала -0.5…1.5: от чёрного к белому.
- Та же точка в последовательных кадрах
- Разделить на число измерений
Точные значения — в разборе точки
Серая шкала -0.5…1.5: от чёрного к белому.
Разобрать выбранную точку
Что показывает график
Кривая считает ошибку всего изображения после каждого добавленного кадра. Независимый шум обычно ослабевает, но не обязан ослабевать на каждом шаге. Одинаковые полосы остаются.
- Наблюдаемая ошибка
- Сейчас: 4; 0.0072
Независимые нулевые ошибки частично компенсируются. Общее смещение и одинаковые полосы не исчезают.
- Среднеквадратичная ошибка
- 0.0072
Параметры и подробности
Seed фиксирует шум; изменение числа кадров не меняет первые кадры. До отображения значения не обрезаются. Гауссов шум складывается, импульсы заменяют отсчёты, пуассоновская модель считает фотоны, мультипликативный шум умножает сигнал. Периодическая помеха одинакова во всех кадрах и усреднением не уходит.
Выбери точку на изображении. Стрелки перемещают её; Home и End — к краям строки. Просмотр не изменяет вычисление.
Для изменения примера нужен JavaScript и Canvas. Рассчитанные изображения доступны выше.
Условная вероятность меняется после наблюдения
Определения и подробности
Байес связывает априорное представление p(x), правдоподобие измерения p(y|x) и апостериорное p(x|y). Правдоподобие — функция x при фиксированном наблюдении y, а не само по себе распределение x. MAP выбирает максимум posterior, но не описывает всю неопределённость.
Для плотностей нормирующий знаменатель должен быть положительным; условные плотности и единицы надо согласовать. У суммы вероятностей дискретных классов одна нормировка, у непрерывной яркости — интегральная. Softmax нормирует числа, но не доказывает калибровку на настоящих данных.
Пиксели могут зависеть друг от друга
Определения и подробности
Случайное поле — набор случайных величин, индексированный пространством. Марковское предположение ограничивает условную зависимость соседством; это не утверждение, что далёкие пиксели безусловно независимы. Гиббсовская запись p(x)∝exp(−E(x)) описывает предпочтительные конфигурации через энергию при существующей нормировке.
Вероятностная модель может предпочитать гладкие области и допускать края. Но регулярная мелкая текстура тоже важна: модель, которая считает её шумом, сгладит настоящий сигнал. Правдоподобная prior — часть предположений метода, не свойство всех изображений.
Смещение и разброс — разные ошибки
Определения и подробности
Для оценки θ̂ среднеквадратичная ошибка раскладывается на дисперсию и квадрат смещения при существующих вторых моментах. Сильное сглаживание часто уменьшает разброс, но сдвигает край или уничтожает детали. Нельзя выбрать метод по одной гладкости результата.
Одни и те же фиксированные шумовые реализации делают сравнение параметров честнее. Для вывода о качестве в среднем нужны разные реализации и независимые примеры, а не удачный единственный кадр.