In this review, we introduce the non-parametric Bayesian filtering algorithm known as the point-mass filter (PMF) and discuss recent studies related to it. PMF realizes Bayesian filtering by placing a deterministic grid on the state space and calculating the probability density at each grid point. PMF is known for its robustness and high accuracy compared to other nonparametric Bayesian filtering algorithms due to its uniform sampling. However, a drawback of PMF is its inherently high computational complexity in the prediction phase. In this review, we aim to understand the principles of the PMF algorithm and the reasons for the high computational complexity, and summarize recent research efforts to overcome this challenge. We hope that this review contributes to encouraging the consideration of PMF applications for various systems.
Journal of the Korean Data and Information Science Society
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v.27
no.5
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pp.1155-1168
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2016
This paper considers a probability density estimation problem of climate values. In particular, we focus on estimating probability densities of summer extreme temperature over South Korea. It is known that the probability density of climate values at one location is similar to those at near by locations and one doesn't follow well known parametric distributions. To accommodate these properties, we use a mixture of conditional autoregressive species sampling model, which is a nonparametric Bayesian model with a spatial dependency. We apply the model to a dataset consisting of summer maximum temperature and minimum temperature over South Korea. The dataset is obtained from University of East Anglia.
Communications for Statistical Applications and Methods
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v.29
no.5
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pp.547-559
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2022
For a chi-squared test, which is a statistical method used to test the independence of a contingency table of two factors, the expected frequency of each cell must be greater than 5. The percentage of cells with an expected frequency below 5 must be less than 20% of all cells. However, there are many cases in which the regional expected frequency is below 5 in general small area studies. Even in large-scale surveys, it is difficult to forecast the expected frequency to be greater than 5 when there is small area estimation with subgroup analysis. Another statistical method to test independence is to use the Bayes factor, but since there is a high ratio of data dependency due to the nature of the Bayesian approach, the low expected frequency tends to decrease the precision of the test results. To overcome these limitations, we will borrow information from areas with similar characteristics and pool the data statistically to propose a pooled Bayes test of independence in target areas. Jo et al. (2021) suggested hierarchical Bayesian pooling models for small area estimation of categorical data, and we will introduce the pooled Bayes factors calculated by expanding their restricted pooling model. We applied the pooled Bayes factors using bone mineral density and body mass index data from the Third National Health and Nutrition Examination Survey conducted in the United States and compared them with chi-squared tests often used in tests of independence.
The total fertility rate of Korea was 1.05 in 2017, showing a return to the 1.08 level in the year 2005. 1.05 is a very low fertility level that is far from replacement level fertility or safety zone 1.5. The number may indicate a low fertility trap. It is therefore important to predict fertility than at any other time. In the meantime, we have predicted the age-specific fertility rate and total fertility rate by various statistical methods. When the data trend is disconnected or fluctuating, it applied a nonparametric method applying the smoothness and weight. In addition, the Bayesian method of using the pre-distribution of fertility rates in advanced countries with reference to the three-stage transition phenomenon have been applied. This paper examines which method is reasonable in terms of precision and feasibility by applying estimation, forecasting, and comparing the results of the recent variability of the Korean fertility rate with parametric, non-parametric and Bayesian methods. The results of the analysis showed that the total fertility rate was in the order of KOSTAT's total fertility rate, Bayesian, parametric and non-parametric method outcomes. Given the level of TFR 1.05 in 2017, the predicted total fertility rate derived from the parametric and nonparametric models is most reasonable. In addition, if a fertility rate data is highly complete and a quality is good, the parametric model approach is superior to other methods in terms of parameter estimation, calculation efficiency and goodness-of-fit.
Estimating genetic interaction effects in animal genomics would be one of the most challenging studies because the phenotypic variation for economically important traits might be largely explained by interaction effects among multiple nucleotide sequence variants under various environmental exposures. Genetic improvement of economic animals would be expected by understanding multi-locus genetic interaction effects associated with economic traits. Most analyses in animal breeding and genetics, however, have excluded the possibility of genetic interaction effects in their analytical models. This review discusses a historical estimation of the genetic interaction and difficulties in analyzing the interaction effects. Furthermore, two recently developed methods for assessing genetic interactions are introduced to animal genomics. One is the restricted partition method, as a nonparametric grouping-based approach, that iteratively utilizes grouping of genotypes with the smallest difference into a new group, and the other is the Bayesian method that draws inferences about the genetic interaction effects based on their marginal posterior distributions and attains the marginalization of the joint posterior distribution through Gibbs sampling as a Markov chain Monte Carlo. Further developing appropriate and efficient methods for assessing genetic interactions would be urgent to achieve accurate understanding of genetic architecture for complex traits of economic animals.
In urban environments, signals of Global Positioning System (GPS) can be blocked and reflected by tall buildings, large vehicles, and complex components of road network. Therefore, the performance of the positioning system using the GPS module in urban areas can be degraded due to the loss of GPS signals necessary for the position estimation. To deal with this issue, various localization schemes using inertial measurement unit (IMU) sensors, such as gyroscope and accelerometer, and Bayesian filters, such as Kalman filter (KF) and particle filter (PF), have been designed to enhance the performance of the GPS-based positioning system. Among Bayesian filters, the PF has been widely used for the target tracking and vehicle navigation, since it can provide superior performance in estimating the state of a dynamic system under nonlinear/non-Gaussian circumstance. This paper presents a positioning system that uses the double-stacked particle filter (DSPF) as well as the accelerometer, gyroscope, and GPS receiver on the smartphone to provide higher pedestrian positioning accuracy in urban environments. The DSPF employs a nonparametric technique (Parzen-window) to create the multimodal target distribution that approximates the posterior distribution. Experimental results show that the DSPF-based positioning system can provide the significant improvement of the pedestrian position estimation in urban environments.
Estimation of geotechnical properties is an essential but challenging task since they are major components governing the safety and reliability of the entire structural system. However, due to time and budget constraints, reliable geotechnical properties estimation using traditional site characterization approach is difficult. In view of this, an alternative efficient and cost effective approach to address the overall uncertainty is necessary to facilitate an economical, safe and reliable geotechnical design. In this paper a probabilistic approach is proposed for real-time updating by incorporating new geotechnical information from the underlying project site. The updated model obtained from the proposed method is advantageous because it incorporates information from both existing database and the site of concern. An application using real data from a site in Hong Kong will be presented to demonstrate the proposed method.
Noise reduction processes that reduce or eliminate noise (caused by a variety of reasons) in noise contaminated image is an important theme in image processing fields. Many studies are being conducted on noise removal processes due to the importance of distinguishing between noise added to a pure image and the unique characteristics of original images. Adaptive filter and sigma filter are typical noise reduction filters used to reduce or eliminate noise; however, their effectiveness is affected by accurate noise estimation. This study generates a distribution of noise contaminating image based on a Dirichlet normal mixture model and presents a Bayesian approach to distinguish the characteristics of an image against the noise. In particular, to distinguish the distribution of noise from the distribution of characteristics, we suggest algorithms to develop a Bayesian inference and remove noise included in an image.
The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication
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v.8
no.4
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pp.75-88
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2008
This paper presents a spatial-level nonparametric multi-focus image fusion technique based on kernel estimates of input image blocks' underlying class-conditional probability density functions. Image fusion is approached as a classification task whose posterior class probabilities, P($wi{\mid}Bikl$), are calculated with likelihood density functions that are estimated from the training patterns. For each of the C input images Ii, the proposed method defines i classes wi and forms the fused image Z(k,l) from a decision map represented by a set of $P{\times}Q$ blocks Bikl whose features maximize the discriminant function based on the Bayesian decision principle. Performance of the proposed technique is evaluated in terms of RMSE and Mutual Information (MI) as the output quality measures. The width of the kernel functions, ${\sigma}$, were made to vary, and different kernels and block sizes were applied in performance evaluation. The proposed scheme is tested with C=2 and C=3 input images and results exhibited good performance.
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