[LA] Different convexity

本文介绍了凸优化的基础概念,包括凸函数与严格凸函数的定义及其性质。通过一阶和二阶条件详细阐述了函数凸性的判断准则,并进一步讨论了强凸函数的概念及性质。

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1. Convex and strictly convex

Common used notations about convexity are convex and strictly convex. Their definitions are

Definition 1: [convex]: f(x) is said to be convex if one of the following holds x,y

f(λx+(1λ)y)λf(x)+(1λ)f(y)

Definition 2: [strictly convex]: f(x) is said to be strictly convex if one of the following holds x,y

f(λx+(1λ)y)<λf(x)+(1λ)f(y)

And there exist two equivalent definitions:

Theorem 3. [first order condition(1)]: If f(x) is first differentiable, then f(x) is convex iff x,y

f(y)f(x)+f(x)(yx)

This equivalence holds for strictly convex for > .

proof:
necessary: If f(x) is convex and let λ0

f(x)f(λx+(1λ)y)(1λ)f(y)λ=f(y)+f(y+λ(xy))f(y)λ=f(y)+f(y+λ(xy))f(y)λ(xy)(xy)=f(y)+f(y)(xy)

sufficient: If the first order condition is satisfied,
f(x)f(y)f(λx+(1λ)y)+f(λx+(1λ)y)(1λ)(xy)f(λx+(1λ)y)+f(λx+(1λ)y)λ(yx)

combining these two together, we get:

λf(x)+(1λ)f(y)f(λx+(1λ)y)

**Theorem 4. [first order condition(2)[monotone of f(x) ]]: f(x) is convex iff (f(x)f(y))(xy)0 .
proof: necessary:
If f(x) is convex, then x,y , we have

f(x)f(y)+f(y)(xy)f(y)f(x)+f(x)(yx)

adding these two equalities:
f(x)+f(y)f(y)+f(x)+(f(y)f(x))(xy)

i.e.
(f(x)f(y))(xy)0

sufficient:
Let g(t)=f(x+t(yx)) . Then g(x)=f(x+t(yx))(yx)

g(t)g(0)=f(x+t(yx))(yx)f(x)(yx)=1t(f(x+t(yx))f(x))t(yx)0

so g(t) is monotone increasing.

So

g(1)=g(0)+10g(t)dtg(0)f(y)f(x)+f(x)(yx)

Theorem 5. [second order condition]: If f(x) is second differentiable, then f(x) is convex iff x

2f(x)0

This equivalence holds for strictly convex for > .
proof:
For simply, we firstly prove one variable function situation:
If h(x):xR is convex iff its twice derivative h′′(x)0
sufficient:
From h′′(x)0 and taylor expansion, we have
h(y)h(x)+h(x)(yx)

and from last theorem, we know h(x) is convex.
necessary:
xzy , we have z=λx+(1λy) with λ=yzyx
h(z)=h(λx+(1λ)y)λh(x)+(1λ)h(y)=yzyxh(x)+zxyxh(y)

(yx)h(z)(yz)h(x)+(zx)h(y)

(yz)(h(z)h(x))(zx)(h(y)h(z))

h(z)h(x)zxh(y)h(z)yz

So for t1xzyt2 , we have

h(x)h(t1)xt1h(z)h(x)zxh(y)h(z)yzh(t2)h(y)t2y

letting t1x and t2y , we have
h(x)h(z)h(x)zxh(y)h(z)yzh(y)

So h(x) is increasing h′′(x)0 .

Now we prove for multivariable function. Let g(t)=f(x+t) be one variable function.
sufficient:
From convexity of f(x) ,

g(λt1+(1λ)t2)=f(x+λt1+(1λ))λf(x+t1)+(1λ)f(x+t2)=g(t1)+g(t2)

So g(t) is convex as a one variable function. Then
g′′(t)=t2f(x+t)0

So
2f(x)0

necessary:*
Let g(t)=f(x+t(yx)) , then
g′′(t)=(yx)t2f(x+t(yx))(yx)0

So g(t) is convex.

Then

f(λx+(1λ)y)=f(x+(1λ)(yx))=g(1λ)=g(λ0+(1λ)1)λg(0)+(1λ)g(1)=λg(x)+(1λ)f(y)

So f(x) is convex.

From the proof, we know that the convexity of a function on a convex set is one-dimensional fact.

Intuition:

  • convex says a function is convex a linear function
  • strictly convex says a function is convex > a linear function

2. Strong convex

Definition 3: [strong convex]: f(x) is said to be m-strong convex if f(x)m2x22 is convex.

Then from last section, we have that:
first order condition (1):

f(y)f(x)+f(x)(yx)+m2yx22

first order condition (2)[monotone of derivative]:
(f(x)f(y))(xy)>mxy22

seconf order condition :
2f(x)>mI

Intuition: strong convex says a function is convex a quadratic function.

Theorem: If a function is strong convex then the first derivative of it is Lipschitz continuous.
proof: Firstly, we claim that the subset S={x,f(x)f(x(0))} is closed. Since yS , we have

f(x(0))f(y)f(x)+f(x)(yx)+m2yx22yx222mf(x(0))

And the maximum eigenvalue of 2f(x) is continuous, so there exists a upper bound M for 2f(x), which says that f(x) is lipschitz continuous.

<think>好的,我现在要回答用户关于Halcon中convexity(凸度)计算原理的问题。首先,我需要仔细分析用户提供的参考引用,看看里面有没有相关的信息。 根据用户提供的引用,尤其是引用[1]、[3]、[4]提到了凸性和凸度相关的条件。首先,引用[1]提到凸函数的二阶导数条件,但Halcon中的凸性检测可能更侧重于区域形状的凸性,而不是数学函数的凸性。引用[3]中提到‘convexity’是区域的一个特征,可能和形状相关。引用[4]则直接说明,如果区域是凸的,形状因子C为1,否则小于1,还提到了压痕或孔洞的影响。这应该和凸度的计算有关。 接下来,我需要确认Halcon中如何计算convexity。根据引用[4],形状因子C可能指的是convexity。当区域是凸的,C=1,否则C<1。可能的公式是convexity = 区域面积 / 其凸包面积,或者凸包周长与原区域周长之比?需要进一步验证。 通常,凸性(convexity)在图像处理中的定义是区域与其凸包的面积比。例如,凸性=区域面积/凸包面积。当区域完全凸时,两者面积相等,所以比值为1;如果存在凹陷,凸包面积会更大,导致比值小于1。另一种可能是使用周长,比如convexity = 原区域周长 / 凸包周长,但这可能不如面积常用。 引用[4]提到形状因子C,当区域凸时为1,凹陷或孔洞时C<1,这更符合面积比的情况。例如,凸包的面积大于等于原区域面积,所以比值≤1。因此,Halcon的convexity可能是基于面积计算的,即convexity = Area / ConvexArea,其中ConvexArea是凸包的面积。但需要确认公式是否正确。 另外,引用[3]中的特征列表有‘convexity’,可能对应的计算方式。可能还涉及到其他参数,比如区域的紧密度(compactness)也可能影响。 此外,Halcon的文档可能需要进一步参考,但用户没有提供直接的文档引用。因此需要依赖现有的引用信息。 总结可能的步骤: 1. 计算区域的凸包(convex hull)。 2. 计算原区域的面积Area。 3. 计算凸包的面积ConvexArea。 4. convexity = Area / ConvexArea。 或者,也可能是其他方式,比如基于周长或者结合其他几何矩。但根据引用[4]的描述,面积比的可能性较大,因为孔洞或凹陷会减少原区域的面积相对于凸包的面积。 例如,如果一个区域有一个凹陷,凸包会填补这个凹陷,使得凸包的面积大于原区域的面积,所以比值会小于1。如果是完全凸的区域,两者的面积相等,比值为1。这符合引用[4]中的说明。 因此,Halcon中的convexity的计算公式应为: $$ \text{convexity} = \frac{\text{RegionArea}}{\text{ConvexHullArea}} $$ 实现方法则是先通过算子计算区域的凸包,再分别计算两个区域的面积,最后取比值。例如,在Halcon中可能使用算子convex_hull来获取凸包,然后area_center计算面积。 此外,还需要确认是否有其他因素影响,比如区域的连通性或者孔洞的处理。比如,如果区域内部有孔洞,原区域面积可能更小,而凸包面积可能更大,导致convexity降低。但根据引用[4],孔洞会导致C小于1,这也符合这个公式的逻辑。 因此,最终的结论是Halcon的convexity计算基于区域面积与其凸包面积之比,公式如上。实现时需使用相关算子获取凸包并计算面积。</think>在Halcon中,convexity(凸度)的计算基于区域与其凸包的几何关系,具体实现原理如下: ### 一、凸度定义 凸度是衡量区域与凸形接近程度的指标,计算公式为: $$ \text{convexity} = \frac{\text{RegionArea}}{\text{ConvexHullArea}} $$ - **完全凸区域**(如矩形、圆形):区域面积与凸包面积相等,凸度为1[^4]; - **非凸区域**(存在凹陷或孔洞):凸包面积大于原区域面积,凸度小于1。 ### 二、实现步骤 1. **提取区域凸包**:使用Halcon算子`convex_hull`生成目标区域的凸包; 2. **计算面积**:通过`area_center`分别获取原区域和凸包的面积; 3. **比值计算**:将原区域面积除以凸包面积,得到凸度值。 示例代码逻辑(Halcon语法): ```python * 获取目标区域 read_image(Image, 'example') threshold(Image, Region, 128, 255) * 计算凸包 convex_hull(Region, ConvexHull) * 计算面积 area_center(Region, Area, Row, Column) area_center(ConvexHull, ConvexArea, Row1, Column1) * 凸度计算 Convexity := Area / ConvexArea ``` ### 三、应用场景 - **缺陷检测**:通过凸度值识别表面凹陷或孔洞; - **形状分类**:区分规则凸形(如工业零件)与非规则形状; - **特征筛选**:在OCR或目标识别中,排除因变形导致的干扰区域。
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