Interpolazione di FX Vol Surface da strike non uniforme vs griglia tenore

Aug 16 2020

TL; DR

Sto cercando di adattare una superficie vol alle quotazioni di opzioni FX sul mercato al fine di costruire un modello vol locale con cui quotare. A differenza delle opzioni elencate che in genere hanno una bella griglia rettangolare di strike e tenori, le opzioni FX tendono a scambiare OTC e le quotazioni disponibili non forniscono una griglia uniforme.

Qual è un approccio sensato da adottare per l'interpolazione 2D su griglie non uniformi? Le idee che avevo erano:

Crea una griglia quadrata più fine di punti e interpola i valori per quelli (ad esempio usando scipy.interpolate.griddatamostrato sotto), e costruisci la superficie vol per quello (anche se questo sembra uno spreco)
Applica una trasformazione agli scioperi delle opzioni per distribuirli in modo uniforme (allungando i tenori precedenti più di quelli successivi), quindi utilizzando un interpolatore di griglia 2D standard

Alla fine mi piacerebbe costruire un modello in QuantLibuso ql.BlackVarianceSurface, che attualmente richiede una griglia rettangolare di volumi.

Mi piacerebbe sapere quali approcci hanno adottato le persone, inclusi eventuali pericoli dell'interpolazione 2D e problemi di estrapolazione.

Ulteriori dettagli sul problema

Ecco un esempio di una superficie vol FX quotata dal mercato:

Una volta convertito in triplo (strike, tenor, vol), gli strike assomigliano a questo:

Questo ci dà una griglia non uniforme di volumi, tracciati su una superficie 2D hanno questo aspetto (in tte e in root tte):

Cast su una griglia quadrata usando scipy.interpolate.griddatae bi-interpolato:

Risposte

3 user35980 Aug 16 2020 at 17:54

Ho provato qualcosa del genere in Quantlib python poche settimane fa. Leggermente più semplice rispetto al tuo approccio penso:

iniziare con una convenzione di quotazione delta standard per i volumi FX (put 10D, put 25D, ATM, chiamata 25D, chiamata 10D)
calcolare la redditività delle opzioni per ottenere lo strike set (questo sarà un ampio strike set poiché ogni scadenza di opzione avrà strike unici corrispondenti alle quotazioni di moneyness della fonte originale)
interpolare i volumi mancanti per l'intero set di strike per ogni scadenza: l'ho fatto utilizzando la funzione BlackVarianceSurface in Quantlib. Così ho avuto una griglia completa di scadenze / strike
Alla fine ho preso questi dati e ho provato una calibrazione Heston e ho collegato l'uscita a una funzione HestonBlackVolSurface

I risultati non sono stati eccezionali poiché i volumi impliciti di Heston non riproducevano con precisione i volumi della sorgente di input, ma probabilmente è più a che fare con la mia scarsa calibrazione e i valori fittizi della sorgente di input che ho usato. Tuttavia è stato un esercizio utile.

Nel caso in cui possa essere utile il mio codice Quantlib è di seguito:

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

Alla fine ho scoperto che adattare un sorriso SABR a ciascun tenore (prendendo in prestito un risultato da questa risposta ) era sufficiente per costruire una superficie vol locale che fosse abbastanza liscia e ben educata per costruire una superficie varianza funzionante bene. Ho anche adattato un modello Heston e le due superfici sembrano abbastanza simili. Ecco il codice finale e gli adattamenti generati (il frammento lungo in fondo è necessario per generare questi grafici e contiene anche i dati grezzi richiesti)

In primo luogo, ripetendo ogni tenore e adattando un sorriso 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()

genera una sequenza di trame come questa, che per lo più si adattano abbastanza bene:

che genera parametri SABR ad ogni tenore simile a questo (per questo esempio ho impostato le curve di sconto estere e domestiche in modo che siano piatte):

Quindi ho calibrato un modello vol locale e un modello vol Heston, che in realtà sembrano entrambi abbastanza vicini tra loro:

# 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))

Ci aspettiamo che il modello vol locale stabilisca un prezzo corretto per i vanilla ma fornisca dinamiche vol non realistiche, mentre ci aspettiamo che Heston dia dinamiche vol migliori ma non vanillas di prezzo così bene, ma calibrando una funzione di leva e utilizzando un modello vol locale stocastico di Heston possiamo eventualmente ottenere il meglio di entrambi i mondi - e questo è anche un buon test per verificare che la superficie vol locale che abbiamo creato si comporti bene