切比雪夫(最小区域法)圆拟合算法

news2024/11/13 11:31:02

欢迎关注更多精彩
关注我,学习常用算法与数据结构,一题多解,降维打击。

本期话题:切比雪夫(最小区域法)直线拟合算法

相关背景和理论
点击前往
主要介绍了应用背景和如何转化成线性规划问题

在这里插入图片描述

圆拟合输入和输出要求

输入

  1. 10到631个点,全部采样自2D圆附近。
  2. 每个点3个坐标,坐标精确到小数点后面20位,最后1个坐标为0。
  3. 坐标单位是mm, 范围[-500mm, 500mm]。

输出

  1. 圆心1点C,用三个坐标表示。
  2. 半径r。
  3. 圆度F,所有点到圆距离最大的2倍。

F的最小区域法理解
在这里插入图片描述

黑色为点云。

对于圆来讲,最小区域是指用两个同心圆夹住点云,使得圆之间的半径之差最小。这个最小值就是F。拟合结果就是两圆中间的圆(橙色圆)。

精度要求

  1. C点到标准圆心距离不能超过0.0001mm。
  2. r与标准半径的差不能超过0.0001mm。
  3. F与标准圆度误差不能超过0.00001mm。

圆优化标函数

根据认证要求,圆拟合转化成数学表示如下:

圆参数化表示

  1. 圆心C = (x0, y0,0)。
  2. 半径r。

圆方程 ( x − x 0 ) 2 + ( y − y 0 ) 2 = r 2 圆方程 (x-x_0)^2+(y-y_0)^2=r^2 圆方程(xx0)2+(yy0)2=r2

点到圆距离

第i个点 pi(xi, yi, 0)。

根据定义得到距离

d i = ∥ ( p i − X 0 ) ∥ − r d_i =\left \| (p_i-X_0) \right \|-r di=(piX0)r

展开一下:

d i = r i − r d_i = r_i -r di=rir

r i = ( x i − x 0 ) 2 + ( y i − y 0 ) 2 r_i = \sqrt{(x_i-x_0)^2 + (y_i-y_0)^2} ri=(xix0)2+(yiy0)2

优化能量方程

能量方程 H = f ( X 0 , r ) = max ⁡ 1 n ∣ d i ∣ H=f(X0, r)=\displaystyle \max_1^n {|d_i|} H=f(X0,r)=1maxndi

上式是一个4元二次函数中,X0, r是未知量,拟合2D圆的过程也可以理解为优化X0, r使得方程E最小。

可以对上述方程求导,使得导数等于0取得最值。但是求导后会变成一个比较复杂的方程组,不好解。可以使用高斯牛顿迭代法来求解。

转化为线性规划

设 a = ( x 0 , y 0 , r ) , d i = F ( x i ;   a ) , 引入 Γ = M A X i = 1 n    ∣ d i ∣ 设a=(x_0, y_0, r), d_i=F(x_i;\ a), 引入\Gamma=\overset n{\underset {i=1}{MAX}}\;|d_i| a=(x0,y0,r),di=F(xi; a),引入Γi=1MAXndi

根据上述定义,可以将原来的最值问题转化为下述条件

对于所有点应该满足

F ( x i ;   a ) ≤ Γ , ( F ( x i ;   a ) > 0 ) F(x_i;\ a)\le \Gamma, (F(x_i;\ a)>0) F(xi; a)Γ,(F(xi; a)>0)

− F ( x i ;   a ) ≤ Γ , ( F ( x i ;   a ) < 0 ) -F(x_i;\ a)\le \Gamma, (F(x_i;\ a)<0) F(xi; a)Γ,(F(xi; a)<0)

我们可以通过小量迭代慢慢减小Γ

m a x      Δ Γ s . t .     F ( x i , a ) + J Δ a ≤ Γ − Δ Γ , ( i = 1 , 2... n )           − ( F ( x i , a ) + J Δ a ) ≤ Γ − Δ Γ , ( i = 1 , 2... n ) Δ Γ ≥ 0 \begin {array}{c}max \ \ \ \ \Delta {\Gamma}\\ s.t.\ \ \ F(x_i, a) + J\Delta a \le \Gamma -\Delta \Gamma, (i=1,2...n)\\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ -(F(x_i, a) + J\Delta a) \le \Gamma -\Delta \Gamma, (i=1,2...n)\\ \Delta \Gamma \ge0\end{array} max    ΔΓs.t.   F(xi,a)+JΔaΓΔΓ,(i=1,2...n)         (F(xi,a)+JΔa)ΓΔΓ,(i=1,2...n)ΔΓ0

上述条件不需要管 F ( x i , a ) + J Δ a 正负情况,若 F ( x i , a ) + J Δ a 为正 − ( F ( x i , a ) + J Δ a ) ≤ Γ − Δ Γ 必成立,反之亦然。 上述条件不需要管F(x_i, a) + J\Delta a正负情况,若F(x_i, a) + J\Delta a为正-(F(x_i, a) + J\Delta a) \le \Gamma -\Delta \Gamma必成立,反之亦然。 上述条件不需要管F(xi,a)+JΔa正负情况,若F(xi,a)+JΔa为正(F(xi,a)+JΔa)ΓΔΓ必成立,反之亦然。
求解出以后更新a, Γ。

对线性规划模型标准化

需要对 Δ x 0 , Δ y 0 , Δ r 拆解,要求变量都要大于等于 0 需要对\Delta x_0, \Delta y_0, \Delta r 拆解,要求变量都要大于等于0 需要对Δx0,Δy0,Δr拆解,要求变量都要大于等于0

m a x      Δ Γ s . t .     J i ⋅ [ Δ x 0 + - Δ x 0 - Δ y 0 + - Δ y 0 - Δ r + − Δ r − ] + Δ Γ ≤ Γ - d i , ( i = 1 , 2... n )        − J i ⋅ [ Δ x 0 + - Δ x 0 - Δ y 0 + - Δ y 0 - Δ r + − Δ r − ] + Δ Γ ≤ Γ + d i , ( i = 1 , 2... n ) Δ x 0 + , Δ x 0 − , Δ y 0 + , Δ y 0 − , Δ r , Δ Γ ≥ 0 ( 1 ) \begin {array}{c}max \ \ \ \ \Delta {\Gamma}\\ s.t.\ \ \ J_i \cdot \begin {bmatrix} \Delta x_0^+-\Delta x_0^-\\ \Delta y_0^+-\Delta y_0^-\\ \Delta r^+- \Delta r^- \end{bmatrix} +\Delta \Gamma\le \Gamma-d_i, (i=1,2...n)\\\\ \ \ \ \ \ \ -J_i \cdot \begin {bmatrix} \Delta x_0^+-\Delta x_0^-\\ \Delta y_0^+-\Delta y_0^-\\ \Delta r^+- \Delta r^- \end{bmatrix}+\Delta \Gamma\le \Gamma+d_i, (i=1,2...n)\\ \Delta x_0^+, \Delta x_0^-, \Delta y_0^+, \Delta y_0^-, \Delta r, \Delta \Gamma \ge0\end{array} (1) max    ΔΓs.t.   Ji Δx0+Δx0Δy0+Δy0Δr+Δr +ΔΓΓdi,(i=1,2...n)      Ji Δx0+Δx0Δy0+Δy0Δr+Δr +ΔΓΓ+di,(i=1,2...n)Δx0+,Δx0,Δy0+,Δy0,Δr,ΔΓ0(1)

算法描述

回顾一下

d i = r i − r d_i = r_i -r di=rir

r i = ( x i − x 0 ) 2 + ( y i − y 0 ) 2 r_i = \sqrt{(x_i-x_0)^2 + (y_i-y_0)^2} ri=(xix0)2+(yiy0)2

J, D的计算。

3个未知分别对d_i求导结果如下:

∂ d i ∂ x 0 = 1 2 ( x i − x 0 ) 2 + ( y i − y 0 ) 2 ⋅ ( x i − x 0 ) ⋅ − 1 = − ( x i − x 0 ) / r i \frac {\partial d_i} {\partial x_0}=\frac {1} {2 \sqrt{(x_i-x_0)^2 + (y_i-y_0)^2}}\cdot(x_i-x_0)\cdot -1 = -(x_i-x_0)/r_i x0di=2(xix0)2+(yiy0)2 1(xix0)1=(xix0)/ri

∂ d i ∂ y 0 = 1 2 ( x i − x 0 ) 2 + ( y i − y 0 ) 2 ⋅ ( y i − y 0 ) ⋅ − 1 = − ( y i − y 0 ) / r i \frac {\partial d_i} {\partial y_0}=\frac {1} {2 \sqrt{(x_i-x_0)^2 + (y_i-y_0)^2}}\cdot(y_i-y_0)\cdot -1 = -(y_i-y_0)/r_i y0di=2(xix0)2+(yiy0)2 1(yiy0)1=(yiy0)/ri

∂ d i ∂ r = − 1 \frac {\partial d_i} {\partial r}=-1 rdi=1

一次迭代过程

  1. 确定圆初值,Γ,使用高斯拟合点击前往

  2. 根据上述公式(1)构建线性规划方程

  3. 求解 Δ p \Delta p Δp

  4. 更新解
    x 0 = x 0 + p x 0 y 0 = y 0 + p y 0 r = r + p r Γ = Γ − Δ Γ \begin {array}{c} x_0 = x_0+p_{x_0} \\y_0 = y_0+p_{y_0} \\ r=r+p_r \\ \Gamma = \Gamma-\Delta \Gamma \end {array} x0=x0+px0y0=y0+py0r=r+prΓ=ΓΔΓ

  5. 重复2直到收敛

最后,输出时F=2*Γ

代码实现

代码链接:https://gitcode.com/chenbb1989/3DAlgorithm/blob/master/CBB3DAlgorithm/Fitting/chebyshev/CircleFitter.cpp

拟合代码


namespace Chebyshev {
	double CircleFitter::F(Fitting::Circle2D circle, const Point& p)
	{
		auto de = Eigen::Vector2d(p.x(), p.y()) - circle.center;
		return de.norm() - circle.r;
	}

	double CircleFitter::GetError(Fitting::Circle2D circle, const std::vector<Eigen::Vector3d>& points)
	{
		double err = 0;
		for (auto& p : points) {
			err = std::max(err, abs(F(circle, p)));
		}

		return err;
	}

	Fitting::Matrix CircleFitter::Jacobi(const std::vector<Eigen::Vector3d>& points)
	{
		Fitting::Matrix J(points.size(), 3);
		for (int i = 0; i < points.size(); ++i) {
			Eigen::Vector2d p = { points[i].x() - circle.center.x(),points[i].y() - circle.center.y() };
			J(i, 0) = -p.x() / p.norm();
			J(i, 1) = -p.y() / p.norm();
			J(i, 2) = -1;
		}
		return J;
	}

	void CircleFitter::beforHook(const std::vector<Eigen::Vector3d>& points)
	{}

	void CircleFitter::afterHook(const Eigen::VectorXd& xp)
	{
		circle.center += Eigen::Vector2d(xp(0), xp(1));
		circle.r += xp(2);
		gamma -= xp(3);
	}
	Eigen::VectorXd CircleFitter::getDArray(const std::vector<Eigen::Vector3d>& points)
	{
		Eigen::VectorXd D(points.size());
		for (int i = 0; i < points.size(); ++i)D(i) = F(circle, points[i]);
		return D;
	}
	bool CircleFitter::GetInitFit(const std::vector<Eigen::Vector3d>& points)
	{
		if (points.size() < 3)return false;
		Fitting::FittingBase* fb = new Gauss::FittingCircle2D();
		fb->Fitting(points, &circle);
		delete fb;

		gamma = GetError(circle, points);
		return true;
	}
	double CircleFitter::F(const Eigen::Vector3d& p)
	{
		return Chebyshev::CircleFitter::F(circle, p);
	}
	double CircleFitter::GetError(const std::vector<Eigen::Vector3d>& points)
	{
		return Chebyshev::CircleFitter::GetError(circle, points);
	}
	void CircleFitter::Copy(void* ele)
	{
		memcpy(ele, &circle, sizeof(Fitting::Circle2D));
	}
	CircleFitter::CircleFitter()
	{
		ft = Fitting::FittingType::CHEBYSHEV;
	}
}

测试结果

https://gitcode.com/chenbb1989/3DAlgorithm/blob/master/CBB3DAlgorithm/Fitting/chebyshev/chebyshev-testdata/officialtest/fitting_result/result.txt
C09 : CIRCLE_2D : pass
C10 : CIRCLE_2D : pass
C11 : CIRCLE_2D : pass
C12 : CIRCLE_2D : pass
C13 : CIRCLE_2D : pass
C14 : CIRCLE_2D : pass
C15 : CIRCLE_2D : pass
C16 : CIRCLE_2D : pass


本人码农,希望通过自己的分享,让大家更容易学懂计算机知识。创作不易,帮忙点击公众号的链接。

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.coloradmin.cn/o/1465319.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

相关文章

WordPress使用

WordPress功能菜单 仪表盘 可以查看网站基本信息和内容。 文章 用来管理文章内容&#xff0c;分类以及标签。编辑文章以及设置分类标签&#xff0c;分类和标签可以被添加到 外观-菜单 中。 分类名称自定义&#xff1b;别名为网页url链接中的一部分&#xff0c;最好别设置为中文…

Uniapp + VUE3.0 实现双向滑块视频裁剪效果

效果图 <template><view v-if"info" class"all"><video:src"info.videoUrl"class"video" id"video" :controls"true" object-fit"fill" :show-fullscreen-btn"false"play-btn…

极电电子WMS项目顺利验收,盘古信息助推新能源车企数字化转型

近年来&#xff0c;中国新能源汽车产销持续保持着较高增速&#xff0c;产销总量连续9年位居全球第一。 在产销高涨的背后&#xff0c;新能源汽车行业“内卷”现象也日益加剧&#xff0c;“配置战”、“价格战”等愈发激烈&#xff0c;驱动车企提高自身竞争力&#xff0c;以抢占…

基于AdaBoost算法的情感分析研究-微博情感分析-文本分类

基于AdaBoost算法的情感分析研究 摘 要 随着互联网的快速发展&#xff0c;各类社交媒体平台如微信、QQ等也与日俱增&#xff0c;而微博更是集成了传统网站、论坛、博客等的优点&#xff0c;并加上了人与人之间的互动性、关系亲密程度等多种智能算法&#xff0c;并以简练的形式…

华清远见嵌入式学习——驱动开发——day9

目录 作业要求&#xff1a; 作业答案&#xff1a; 代码效果&#xff1a; ​编辑 Platform总线驱动代码&#xff1a; 应用程序代码&#xff1a; 设备树配置&#xff1a; 作业要求&#xff1a; 通过platform总线驱动框架编写LED灯的驱动&#xff0c;编写应用程序测试&…

Docker容器故障排查与解决方案

Docker是一种相对使用较简单的容器&#xff0c;我们可以通过以下几种方式获取信息&#xff1a; 1、通过docker run执行命令&#xff0c;或许返回信息 2、通过docker logs 去获取日志&#xff0c;做有针对性的筛选 3、通过systemctl status docker查看docker服务状态 4、通过…

React学习——快速上手

文章目录 初步模块思维 初步 https://php.cn/faq/400956.html 1、可以手动使用npm来安装各种插件&#xff0c;来从头到尾自己搭建环境。 如&#xff1a; npm install react react-dom --save npm install babel babel-loader babel-core babel-preset-es2015 babel-preset-rea…

一休哥助手网页版如何使用

一休哥助手网页版可以使用GPT4提问了&#xff0c;具体操作流程如下&#xff1a; 1.登录网页版一休哥助手&#xff08;首次打开页面时&#xff0c;初始化久一点&#xff0c;请耐心等一下&#xff09; https://www.fudai.fun 2.登录后就可以使用GPT4了 3.你还可以自定义系统角色…

备战蓝桥杯---基础算法刷题1

最近在忙学校官网上的题&#xff0c;就借此记录分享一下有价值的题&#xff1a; 1.注意枚举角度 如果我们就对于不同的k常规的枚举&#xff0c;复杂度直接炸了。 于是我们考虑换一个角度&#xff0c;我们不妨从1开始枚举因子&#xff0c;我们记录下他的倍数的个数sum个&#…

c++笔记理解

1.封装 &#xff08;1&#xff09;构造函数不是必须在的 可以通过行为修改属性 &#xff08;2&#xff09;private和protected区别在于继承那里要学 &#xff08;3&#xff09;类默认是私有&#xff0c;struct是共有 私有的好处&#xff1a;控制数据的有效性&#xff0c;意…

如何快速提升Lazada和Shopee店铺订单量:自养号测评补单策略详解

Lazada和Shopee&#xff0c;作为东南亚地区领先的电商平台&#xff0c;汇聚了无数卖家和消费者。然而&#xff0c;随着市场竞争的日益激烈&#xff0c;如何有效地推广自己的店铺&#xff0c;成为卖家们亟待解决的问题。本文将深入探讨店铺推广的策略&#xff0c;并分享如何迅速…

百度百科词条在网络推广中的六大作用

也许很多网友都发现了&#xff0c;在网上查资料&#xff0c;百科词条往往是优先展示的。一方面因为百科是搜索引擎自身的平台&#xff0c;另一方面就是因为百科信息权威&#xff0c;网友认可度高。所以企业开展网络营销&#xff0c;百科营销是一块重要阵地。 也有的企业认为百科…

Feign远程调用(学习笔记)

先来看我们以前利用RestTemplate发起远程调用的代码&#xff1a; 存在下面的问题&#xff1a; ●代码可读性差&#xff0c;编程体验不统一 ●参数复杂URL难以维护 Feign是一个声明式的http客户端&#xff0c;官方地址&#xff1a;https://github.com/OpenFeign/feign 其作用…

代理IP为什么会有延迟?

在当今信息高速发展的时代&#xff0c;随着代理IP在数据采集、网络安全和匿名浏览等领域的应用&#xff0c;已成为网络技术中不可或缺的一环。然而&#xff0c;用户在使用代理IP时经常会遇到一个问题——延迟。 那我们要如何解决这个问题呢&#xff1f; 这需要从代理IP的原理说…

【MATLAB源码-第143期】基于matlab的蝴蝶优化算法(BOA)机器人栅格路径规划,输出做短路径图和适应度曲线。

操作环境&#xff1a; MATLAB 2022a 1、算法描述 蝴蝶优化算法&#xff08;Butterfly Optimization Algorithm, BOA&#xff09;是基于蝴蝶觅食行为的一种新颖的群体智能算法。它通过模拟蝴蝶个体在寻找食物过程中的嗅觉导向行为以及随机飞行行为&#xff0c;来探索解空间&a…

R语言数据分析(五)

R语言数据分析&#xff08;五&#xff09; 文章目录 R语言数据分析&#xff08;五&#xff09;前言一、什么是整洁的数据二、延长数据2.1 列名中的数据值2.2 pivot_longer()的处理原理2.3 列名中包含许多变量的情况2.4 列名同时包含数据和变量 三、扩宽数据3.1 pivot_wider的处…

uniapp微信小程序解决上方刘海屏遮挡

问题 在有刘海屏的手机上&#xff0c;我们的文字和按钮等可能会被遮挡 应该避免这种情况 解决 const SYSTEM_INFO uni.getSystemInfoSync();export const getStatusBarHeight ()> SYSTEM_INFO.statusBarHeight || 15;export const getTitleBarHeight ()>{if(uni.get…

k8s(2)

目录 一.二进制部署k8s 常见的K8S安装部署方式&#xff1a; k8s部署 二进制与高可用的区别 二.部署k8s 初始化操作&#xff1a; 每台node安装docker&#xff1a; 在 master01 节点上操作; 准备cfssl证书生成工具:&#xff1a; 执行脚本文件&#xff1a; 拉入etcd压缩包…

Spring Boot应用集成Actuator端点自定义Filter解决未授权访问的漏洞

一、前言 我们知道想要实时监控我们的应用程序的运行状态&#xff0c;比如实时显示一些指标数据&#xff0c;观察每时每刻访问的流量&#xff0c;或者是我们数据库的访问状态等等&#xff0c;需要使用到Actuator组件&#xff0c;但是Actuator有一个访问未授权问题&#xff0c;…

2023全新UI千月影视APP源码 | 前后端完美匹配、后端基于ThinkPHP框架

应用介绍 本文来自&#xff1a;2023全新UI千月影视APP源码 | 前后端完美匹配、后端基于ThinkPHP框架 - 源码1688 简介&#xff1a; 2023全新UI千月影视APP源码 | 前后端完美匹配、后端基于thinkphp框架 图片&#xff1a;