Interpolation de la surface FX Vol à partir de la grève non uniforme vs grille ténor

Aug 16 2020

TL; DR

J'essaie d'adapter une surface vol aux cotations d'options FX du marché afin de créer un modèle vol local avec lequel établir le prix. Contrairement aux options listées qui ont généralement une belle grille rectangulaire de grèves et de ténors, les options FX ont tendance à être négociées OTC et les cotations disponibles ne fournissent pas une grille uniforme.

Quelle est l'approche judicieuse à adopter pour l'interpolation 2D sur des grilles non uniformes? Les idées que j'avais étaient:

Créez une grille carrée plus fine de points et interpolez les valeurs pour ceux-ci (par exemple en utilisant scipy.interpolate.griddataci-dessous), et construisez la surface vol pour cela (bien que cela semble inutile)
Appliquez une certaine transformation aux grèves d'option pour les répartir uniformément (en étirant les ténors plus tôt que les derniers), puis en utilisant un interpolateur de grille 2D standard

Finalement, j'aimerais construire un modèle en QuantLibutilisant ql.BlackVarianceSurface, qui nécessite actuellement une grille rectangulaire de vols.

J'aimerais entendre les approches adoptées par les gens, y compris les dangers d'interpolation 2D et les problèmes d'extrapolation.

Plus de détails sur le problème

Voici un exemple de surface de vol FX cotée par le marché:

Une fois que cela est converti en triples (strike, ténor, vol), les frappes ressemblent à ceci:

Cela nous donne une grille non uniforme de vols, tracés sur une surface 2D, ils ressemblent à ceci (en tte et en racine tte):

Cast en une grille carrée en utilisant scipy.interpolate.griddataet bi-interpolé:

Réponses

3 user35980 Aug 16 2020 at 17:54

J'ai essayé quelque chose de ce genre en python Quantlib il y a quelques semaines. Un peu plus simple par rapport à votre approche je pense:

Commencez par une convention de cotation delta standard pour les vols FX (10D put, 25D put, ATM, 25D call, 10D call)
calculer la valeur monétaire des options pour obtenir l'ensemble d'exercice (ce sera un ensemble d'exercice important puisque chaque échéance d'option aura des frappes uniques correspondant aux cotations monétaires de la source d'origine)
interpoler les vols manquants pour l'ensemble complet des frappes pour chaque maturité - je l'ai fait en utilisant la fonction BlackVarianceSurface de Quantlib. Ainsi j'avais une grille complète de maturités / grèves
J'ai finalement pris ces données et essayé un étalonnage Heston et branché la sortie dans une fonction HestonBlackVolSurface

Les résultats n'étaient pas excellents car les vols implicites de Heston ne reproduisaient pas vraiment mes vols de source d'entrée avec précision, mais cela a probablement plus à voir avec mon mauvais étalonnage et les valeurs de source d'entrée factices que j'ai utilisées. C'était néanmoins un exercice valable.

Au cas où cela pourrait être utile, mon code Quantlib est ci-dessous:

def deltavolquotes(ccypair,fxcurve):

from market import curveinfo

sheetname = ccypair + '_fx_volcurve'
df = pd.read_excel('~/iCloud/python_stuff/finance/marketdata.xlsx', sheet_name=sheetname)
curveinfo = curveinfo(ccypair, 'fxvols')
calendar = curveinfo.loc['calendar', 'fxvols']
daycount = curveinfo.loc['curve_daycount', 'fxvols']
settlement = curveinfo.loc['curve_sett', 'fxvols']
flat_vol = ql.SimpleQuote(curveinfo.loc['flat_vol', 'fxvols'])
flat_vol_shift = ql.SimpleQuote(0)
used_flat_vol = ql.CompositeQuote(ql.QuoteHandle(flat_vol_shift), ql.QuoteHandle(flat_vol), f)
vol_shift = ql.SimpleQuote(0)
calculation_date = fxcurve.referenceDate()
settdate = calendar.advance(calculation_date, settlement, ql.Days)

date_periods = df[ccypair].tolist()
atm = [ql.CompositeQuote(ql.QuoteHandle(vol_shift), ql.QuoteHandle(ql.SimpleQuote(i)), f) for i in
       df['ATM'].tolist()]
C25 = [ql.CompositeQuote(ql.QuoteHandle(vol_shift), ql.QuoteHandle(ql.SimpleQuote(i)), f) for i in
       df['25C'].tolist()]
P25 = [ql.CompositeQuote(ql.QuoteHandle(vol_shift), ql.QuoteHandle(ql.SimpleQuote(i)), f) for i in
       df['25P'].tolist()]
C10 = [ql.CompositeQuote(ql.QuoteHandle(vol_shift), ql.QuoteHandle(ql.SimpleQuote(i)), f) for i in
       df['10C'].tolist()]
P10 = [ql.CompositeQuote(ql.QuoteHandle(vol_shift), ql.QuoteHandle(ql.SimpleQuote(i)), f) for i in
       df['10P'].tolist()]
dates = [calendar.advance(settdate, ql.Period(i)) for i in date_periods]
yearfracs = [daycount.yearFraction(settdate, i) for i in dates]
dvq_C25 = [ql.DeltaVolQuote(0.25, ql.QuoteHandle(i), j, 0) for i, j in zip(C25, yearfracs)]
dvq_P25 = [ql.DeltaVolQuote(-0.25, ql.QuoteHandle(i), j, 0) for i, j in zip(P25, yearfracs)]
dvq_C10 = [ql.DeltaVolQuote(0.10, ql.QuoteHandle(i), j, 0) for i, j in zip(C10, yearfracs)]
dvq_P10 = [ql.DeltaVolQuote(-0.10, ql.QuoteHandle(i), j, 0) for i, j in zip(P10, yearfracs)]

info=[settdate,calendar,daycount,df,used_flat_vol,vol_shift,flat_vol_shift,date_periods]


return atm,dvq_C25,dvq_P25,dvq_C10,dvq_P10,dates,yearfracs,info

def fxvolsurface(ccypair,FX,fxcurve,curve):

atm,dvq_C25,dvq_P25,dvq_C10,dvq_P10,dates,yearfracs,info = deltavolquotes(ccypair,fxcurve)
settdate = info[0]
calendar=info[1]
daycount=info[2]
df=info[3]
used_flat_vol=info[4]
vol_shift=info[5]
flat_vol_shift=info[6]
date_periods=info[7]

blackdc_C25=[ql.BlackDeltaCalculator(ql.Option.Call,j.Spot,FX.value(),
                                   fxcurve.discount(i)/fxcurve.discount(settdate),
                                   curve.discount(i)/curve.discount(settdate),
                                   j.value()*(k**0.5))
                                   for i,j,k in zip(dates,dvq_C25,yearfracs)]
blackdc_C10=[ql.BlackDeltaCalculator(ql.Option.Call,j.Spot,FX.value(),
                                   fxcurve.discount(i)/fxcurve.discount(settdate),
                                   curve.discount(i)/curve.discount(settdate),
                                   j.value()*(k**0.5))
                                   for i,j,k in zip(dates,dvq_C10,yearfracs)]
blackdc_P25=[ql.BlackDeltaCalculator(ql.Option.Put,j.Spot,FX.value(),
                                   fxcurve.discount(i)/fxcurve.discount(settdate),
                                   curve.discount(i)/curve.discount(settdate),
                                   j.value()*(k**0.5))
                                   for i,j,k in zip(dates,dvq_P25,yearfracs)]
blackdc_P10=[ql.BlackDeltaCalculator(ql.Option.Put,j.Spot,FX.value(),
                                   fxcurve.discount(i)/fxcurve.discount(settdate),
                                   curve.discount(i)/curve.discount(settdate),
                                   j.value()*(k**0.5))
                                   for i,j,k in zip(dates,dvq_P10,yearfracs)]
C25_strikes=[i.strikeFromDelta(0.25) for i in blackdc_C25]
C10_strikes=[i.strikeFromDelta(0.10) for i in blackdc_C10]
P25_strikes=[i.strikeFromDelta(-0.25) for i in blackdc_P25]
P10_strikes=[i.strikeFromDelta(-0.10) for i in blackdc_P10]
ATM_strikes=[i.atmStrike(j.AtmFwd) for i,j in zip(blackdc_C25,dvq_C25)]
strikeset=ATM_strikes+C25_strikes+C10_strikes+P25_strikes+P10_strikes
strikeset.sort()
hestonstrikes=[P10_strikes,P25_strikes,ATM_strikes,C25_strikes,C10_strikes]
hestonvoldata=[df['10P'].tolist(),df['25P'].tolist(),df['ATM'].tolist(),df['25C'].tolist(),df['10C'].tolist()]

volmatrix=[]
for i in range(0,len(atm)):
    volsurface=ql.BlackVolTermStructureHandle(ql.BlackVarianceSurface(settdate,calendar,[dates[i]],
                                [P10_strikes[i],P25_strikes[i],ATM_strikes[i],C25_strikes[i],C10_strikes[i]],
                                [[dvq_P10[i].value()],[dvq_P25[i].value()],[atm[i].value()],[dvq_C25[i].value()],
                                 [dvq_C10[i].value()]],
                                daycount))
    volmatrix.append([volsurface.blackVol(dates[i],j,True) for j in strikeset])
volarray=np.array(volmatrix).transpose()
matrix = []
for i in range(0, volarray.shape[0]):
    matrix.append(volarray[i].tolist())
fxvolsurface=ql.BlackVolTermStructureHandle(
    ql.BlackVarianceSurface(settdate,calendar,dates,strikeset,matrix,daycount))

'''
process = ql.HestonProcess(fxcurve, curve, ql.QuoteHandle(FX), 0.01, 0.5, 0.01, 0.1, 0)
model = ql.HestonModel(process)
engine = ql.AnalyticHestonEngine(model)
print(model.params())
hmh = []
for i in range(0,len(date_periods)):
    for j in range(0,len(hestonstrikes)):
        helper=ql.HestonModelHelper(ql.Period(date_periods[i]), calendar, FX.value(),hestonstrikes[j][i],
                                    ql.QuoteHandle(ql.SimpleQuote(hestonvoldata[j][i])),fxcurve,curve)
        helper.setPricingEngine(engine)
        hmh.append(helper)
lm = ql.LevenbergMarquardt()
model.calibrate(hmh, lm,ql.EndCriteria(500, 10, 1.0e-8, 1.0e-8, 1.0e-8))
vs = ql.BlackVolTermStructureHandle(ql.HestonBlackVolSurface(ql.HestonModelHandle(model)))
vs.enableExtrapolation()'''

flatfxvolsurface = ql.BlackVolTermStructureHandle(
    ql.BlackConstantVol(settdate, calendar, ql.QuoteHandle(used_flat_vol), daycount))

fxvoldata=pd.DataFrame({'10P strike':P10_strikes,'25P strike':P25_strikes,'ATM strike':ATM_strikes,
                        '25C strike':C25_strikes,'10C strike':C10_strikes,'10P vol':df['10P'].tolist(),
                        '25P vol':df['25P'].tolist(),'ATM vol':df['ATM'].tolist(),
                        '25C vol':df['25C'].tolist(),'10C vol':df['10C'].tolist()})
fxvoldata.index=date_periods

fxvolsdf=pd.DataFrame({'fxvolsurface':[fxvolsurface,flatfxvolsurface],'fxvoldata':[fxvoldata,None]})
fxvolsdf.index=['surface','flat']
fxvolshiftsdf=pd.DataFrame({'fxvolshifts':[vol_shift,flat_vol_shift]})
fxvolshiftsdf.index=['surface','flat']

return fxvolshiftsdf,fxvolsdf

4 StackG Sep 30 2020 at 12:59

En fin de compte, j'ai trouvé que l'adaptation d'un sourire SABR à chaque ténor (en empruntant un résultat à cette réponse ) était suffisante pour construire une surface vol locale suffisamment lisse et bien comportée pour créer une surface de variance fonctionnant bien. J'y ai également installé un modèle Heston, et les deux surfaces se ressemblent assez. Voici le code final et les ajustements générés (le long extrait tout en bas est nécessaire pour générer ces graphiques, et contient également les données brutes requises)

Tout d'abord, en boucle sur chaque ténor et en ajustant un sourire SABR:

# This is the 'SABR-solution'... fit a SABR smile to each tenor, and let the vol surface interpolate
# between them. Below, we're using the python minimizer to do a fit to the provided smiles

calibrated_params = {}

# params are sigma_0, beta, vol_vol, rho
params = [0.4, 0.6, 0.1, 0.2]

fig, i = plt.figure(figsize=(6, 42)), 1

for tte, group in full_df.groupby('tte'):
    fwd = group.iloc[0]['fwd']
    expiry = group.iloc[0]['expiry']
    strikes = group.sort_values('strike')['strike'].values
    vols = group.sort_values('strike')['vol'].values

    def f(params):
        params[0] = max(params[0], 1e-8) # Avoid alpha going negative
        params[1] = max(params[1], 1e-8) # Avoid beta going negative
        params[2] = max(params[2], 1e-8) # Avoid nu going negative
        params[3] = max(params[3], -0.999) # Avoid nu going negative
        params[3] = min(params[3], 0.999) # Avoid nu going negative

        calc_vols = np.array([
            ql.sabrVolatility(strike, fwd, tte, *params)
            for strike in strikes
        ])
        error = ((calc_vols - np.array(vols))**2 ).mean() **.5
        return error

    cons = (
        {'type': 'ineq', 'fun': lambda x: x[0]},
        {'type': 'ineq', 'fun': lambda x: 0.99 - x[1]},
        {'type': 'ineq', 'fun': lambda x: x[1]},
        {'type': 'ineq', 'fun': lambda x: x[2]},
        {'type': 'ineq', 'fun': lambda x: 1. - x[3]**2}
    )

    result = optimize.minimize(f, params, constraints=cons, options={'eps': 1e-5})
    new_params = result['x']

    calibrated_params[tte] = {'v0': new_params[0], 'beta': new_params[1], 'alpha': new_params[2], 'rho': new_params[3], 'fwd': fwd}

    newVols = [ql.sabrVolatility(strike, fwd, tte, *new_params) for strike in strikes]

    # Start next round of optimisation with this round's parameters, they're probably quite close!
    params = new_params

    plt.subplot(len(tenors), 1, i)
    i = i+1

    plt.plot(strikes, vols, marker='o', linestyle='none', label='market {}'.format(expiry))
    plt.plot(strikes, newVols, label='SABR {0:1.2f}'.format(tte))
    plt.title("Smile {0:1.3f}".format(tte))

    plt.grid()
    plt.legend()

plt.show()

génère une séquence de tracés comme celui-ci, qui correspondent tous assez bien:

qui génère des paramètres SABR à chaque ténor ressemblant à ceci (pour cet exemple, j'ai défini les courbes de remise étrangères et nationales pour qu'elles soient plates):

Ensuite, j'ai calibré un modèle vol local et un modèle vol Heston, qui sont en fait assez proches l'un de l'autre:

# Fit a local vol surface to a strike-tenor grid extrapolated according to SABR
strikes = np.linspace(1.0, 1.5, 21)
expiration_dates = [calc_date + ql.Period(int(365 * x), ql.Days) for x in params.index]

implied_vols = []
for tte, row in params.iterrows():
    fwd, v0, beta, alpha, rho = row['fwd'], row['v0'], row['beta'], row['alpha'], row['rho']
    vols = [ql.sabrVolatility(strike, fwd, tte, v0, beta, alpha, rho) for strike in strikes]
    implied_vols.append(vols)

implied_vols = ql.Matrix(np.matrix(implied_vols).transpose().tolist())

local_vol_surface = ql.BlackVarianceSurface(calc_date, calendar, expiration_dates, strikes, implied_vols, day_count)

# Fit a Heston model to the data as well
v0 = 0.005; kappa = 0.01; theta = 0.0064; rho = 0.0; sigma = 0.01

heston_process = ql.HestonProcess(dom_dcf_curve, for_dcf_curve, ql.QuoteHandle(ql.SimpleQuote(spot)), v0, kappa, theta, sigma, rho)
heston_model = ql.HestonModel(heston_process)
heston_engine = ql.AnalyticHestonEngine(heston_model)

# Set up Heston 'helpers' to calibrate to
heston_helpers = []

for idx, row in full_df.iterrows():
    vol = row['vol']
    strike = row['strike']
    tenor = ql.Period(row['expiry'])

    helper = ql.HestonModelHelper(tenor, calendar, spot, strike, ql.QuoteHandle(ql.SimpleQuote(vol)), dom_dcf_curve, for_dcf_curve)
    helper.setPricingEngine(heston_engine)
    heston_helpers.append(helper)

    
lm = ql.LevenbergMarquardt(1e-8, 1e-8, 1e-8)
heston_model.calibrate(heston_helpers, lm,  ql.EndCriteria(5000, 100, 1.0e-8, 1.0e-8, 1.0e-8))
theta, kappa, sigma, rho, v0 = heston_model.params()
feller = 2 * kappa * theta - sigma ** 2

print(f"theta = {theta:.4f}, kappa = {kappa:.4f}, sigma = {sigma:.4f}, rho = {rho:.4f}, v0 = {v0:.4f}, spot = {spot:.4f}, feller = {feller:.4f}")

heston_handle = ql.HestonModelHandle(heston_model)
heston_vol_surface = ql.HestonBlackVolSurface(heston_handle)

# Plot the two vol surfaces ...
plot_vol_surface([local_vol_surface, heston_vol_surface], plot_years=np.arange(0.1, 1.0, 0.1), plot_strikes=np.linspace(1.05, 1.45, 20))

Nous nous attendons à ce que le modèle de vol local tarife correctement les vanilles mais donne une dynamique de vol non réaliste, alors que nous nous attendons à ce que Heston donne une meilleure dynamique de vol mais pas si bien les vanilles de prix, mais en calibrant une fonction de levier et en utilisant un modèle vol local stochastique de Heston, nous pouvons éventuellement obtenir le meilleur des deux mondes - et c'est aussi un bon test que la surface vol locale que nous avons créée se comporte bien