HMM ,MHMM,CRF 优缺点与区别

隐马尔科夫模型（HMM）：

图1. 隐马尔科夫模型

隐马尔科夫模型的缺点：

        1、HMM只依赖于每一个状态和它对应的观察对象：

              序列标注问题不仅和单个词相关，而且和观察序列的长度，单词的上下文，等等相关。

        2、目标函数和预测目标函数不匹配：

              HMM学到的是状态和观察序列的联合分布P(Y,X)，而预测问题中，我们需要的是条件概率P(Y|X)。

最大熵隐马尔科夫模型（MEMM）：

图2. 最大熵马尔科夫模型

        MEMM考虑到相邻状态之间依赖关系，且考虑整个观察序列，因此MEMM的表达能力更强；MEMM不考虑P(X)减轻了建模的负担，同时学到的是目标函数是和预测函数一致。

MEMM的标记偏置问题：

图3. Viterbi算法解码MEMM，状态1倾向于转换到状态2，同时状态2倾向于保留在状态2；

P(1-> 1-> 1-> 1)= 0.4 x 0.45 x 0.5 = 0.09 ，P(2->2->2->2)= 0.2 X 0.3 X 0.3 = 0.018，

P(1->2->1->2)= 0.6 X 0.2 X 0.5 = 0.06，P(1->1->2->2)= 0.4 X 0.55 X 0.3 = 0.066。

        图3中状态1倾向于转换到状态2，同时状态2倾向于保留在状态2；但是得到的最优的状态转换路径是1->1->1->1，为什么呢？因为状态2可以转换的状态比状态1要多，从而使转移概率降低；即MEMM倾向于选择拥有更少转移的状态。这就是标记偏置问题。而CRF很好地解决了标记偏置问题。

CRF模型解决了标注偏置问题，去除了HMM中两个不合理的假设，当然，模型相应得也变复杂了。

MEMM是局部归一化，CRF是全局归一化

        另一方面，MEMMs不可能找到相应的参数满足以下这种分布：

         a b c --> a/A b/B c/C      p(A B C | a b c) = 1

         a b e --> a/A b/D e/E      p(A D E | a b e) = 1

         p(A|a)p(B|b,A)p(C|c,B) = 1

         p(A|a)p(D|b,A)p(E|e,D) = 1

       但是CRFs可以找到模型满足这种分布。

1）生成式模型or判别式模型（假设 o 是观察值，m 是模型。）

    a）生成式模型：无穷样本 -> 概率密度模型 = 产生式模型 -> 预测

        如果对 P(o|m) 建模，就是生成式模型。其基本思想是首先建立样本的概率密度模型，再利用模型进行推理预测。要求已知样本无穷或尽可能的大限制。这种方法一般建立在统计力学和 Bayes 理论的基础之上。

        HMM模型对转移概率和表现概率直接建模，统计共同出现的概率，是一种生成式模型。

　　b）判别式模型：有限样本 -> 判别函数 = 判别式模型 -> 预测

         如果对条件概率 P(m|o) 建模，就是判别模型。其基本思想是有限样本条件下建立判别函数，不考虑样本的产生模型，直接研究预测模型。代表性理论为统计学习理论。

         CRF是一种判别式模型。MEMM不是一种生成式模型，它是一种基于下状态分类的有限状态模型。

2）拓扑结构

    HMM和MEMM是一种有向图，CRF是一种无向图

3）全局最优or局部最优

    HMM对转移概率和表现概率直接建模，统计共现概率。

    MEMM是对转移概率和表现概率建立联合概率，统计时统计的是条件概率，由于其只在局部做归一化，所以容易陷入局部最优。

    CRF是在全局范围内统计归一化的概率，而不像是MEMM在局部统计归一化概率。是全局最优的解。解决了MEMM中标注偏置的问题。

4）优缺点比较

    优点：

   a）与HMM比较。CRF没有HMM那样严格的独立性假设条件，因而可以容纳任意的上下文信息。特征设计灵活（与ME一样）

   b）与MEMM比较。由于CRF计算全局最优输出节点的条件概率，它还克服了最大熵马尔可夫模型标记偏置（Label-bias）的缺点。

   c）与ME比较。CRF是在给定需要标记的观察序列的条件下，计算整个标记序列的联合概率分布，而不是在给定当前状态条件下，定义下一个状态的状态分布。

    缺点：

    训练代价大、复杂度高