算法评价和误差分析
1.性能的界定
记号的规定:
- xxx测量得到的量
- 被估计的量加帽子来表示如x^\hat{x}x^或H^\hat{H}H^
- 量的真值用加横杠表示,如xˉ\bar{x}xˉ或Hˉ\bar{H}Hˉ
单图像误差
2D单应的估计问题在仅给第二幅图像的坐标加噪声的情形下,设有n 组这样的匹配点,RMS( 均方根)残差:
εres=(12n∑i=1nd(xi′,x^i′)2)1/2\varepsilon _{res}=(\frac{1}{2n}\sum _{i=1}^nd(x'_i,\hat{x}'_i)^2)^{1/2}εres=(2n1i=1∑nd(xi′,x^i′)2)1/2
双图像误差
对双图像误差情形,残差是:
εres=14n(∑i=1nd(xi,x^i)2+∑i=1nd(xi′,x^i′)2)1/2\varepsilon _{res}=\frac{1}{\sqrt{4n}}(\sum _{i=1}^nd(x_i,\hat{x}_i)^2+\sum _{i=1}^nd(x'_i,\hat{x}'_i)^2)^{1/2}εres=4n1(i=1∑nd(xi,x^i)2+i=1∑nd(xi′,x^i′)2)1/2
最优估计算法(MLE)
结论1 IRNIR^NIRN上总方差为Nδ2N\delta ^2Nδ2的各向同性高斯分布向一个sss维子空间的投影是总方差为sδ2s\delta ^2sδ2的各向同性高斯分布。
结论2 考虑一个估计问题, 其中NNN个测量由依赖于ddd个本质参数集的函数模型化。 假定每个测量变量有标准差δ\deltaδ的独立高斯噪声。
(1)ML 估计算法的 RMS 残差(测量值到估计值的距离)是:
εres=E[∥X^−X∥/N]1/2=δ(1−d/N)1/2\varepsilon _{res}=E[\left \| \hat{X}- X\right \|/N]^{1/2}=\delta (1-d/N)^{1/2}εres=E[∥∥∥X^−X∥∥∥/N]1/2=δ(1−d/N)1/2
(2)ML 估计算法的 RMS估计误差 (估计值到真值的距离)是:
εest=E[∥X^−Xˉ∥/N]1/2=δ(d/N)1/2\varepsilon _{est}=E[\left \| \hat{X}- \bar{X}\right \|/N]^{1/2}=\delta (d/N)^{1/2}εest=E[∥∥∥X^−Xˉ∥∥∥/N]1/2=δ(d/N)1/2
2.变换估计的协方差
求得的变换的不可靠性通常由变换的协方差矩阵获得。因为HHH
是 9 元素的矩阵,它的协方差矩阵是一个 9x9 矩阵。
协方差的前向传播
结论1 令vvv是IRMIR^MIRM中的一个具有均值vˉ\bar{v}vˉ和协方差矩阵∑\sum∑的随机矢量, 假定$ f: IRM→IRN是一个仿射映射:定义为是一个仿射映射:定义为是一个仿射映射:定义为 f(v)= f( \bar{v}) + A( v- \bar{v})$ 。那么f(v)f(v)f(v)是一个具有均值 f(vˉ)f( \bar{v})f(vˉ)和协方差矩阵$ A\sum A^T $的随机变量。
结论2 令vvv是IRMIR^MIRM中一个具有均值vˉ\bar{v}vˉ和协方差矩阵∑\sum∑的随机矢量,令f:IRM→IRNf: IR^M→IR^Nf:IRM→IRN 在vˉ\bar{v}vˉ的邻域可微。那么在精确到一阶近似的程度下,f(v)f(v)f(v)是一个具均值f(vˉ)f( \bar{v})f(vˉ)和协方差矩阵$ J\sum J^T 的随机变量,其中的随机变量,其中的随机变量,其中 J 是是是 f 的雅可比矩阵在的雅可比矩阵在的雅可比矩阵在\bar{v}$的值。
协方差的反向传播
结论3 协方差的反向输送一仿射情形. 令f:IRM→IRNf: IR^M→IR^Nf:IRM→IRN是形为f(P)=f(Pˉ)+J(P−Pˉ)f( P ) = f( \bar{P} )+ J(P - \bar{P} )f(P)=f(Pˉ)+J(P−Pˉ)的仿射映射, 其中JJJ的秩等于MMM。 令XXX是IRNIR^NIRN中的一个具有均值Xˉ=f(Pˉ)\bar{X} = f(\bar{P} )Xˉ=f(Pˉ)和协方差矩阵∑\sum∑的随机变量。 令f−1oη:IRN→IRMf^{-1}o\eta :IR^N\rightarrow IR^Mf−1oη:IRN→IRM是一个映射, 它把测量矢量XXX映射到对应于 ML 估计X^\hat{X}X^的参数矢量PPP。那么P^=f−1oη(X)\hat{P}=f^{-1}o\eta (X)P^=f−1oη(X)是一个具有均值Pˉ\bar{P}Pˉ 的随机变量, 其协方差矩阵是:∑P=(JT∑x−1J)−1{\sum }_P=(J^T{\sum }_{x}^{-1}J)^{-1}∑P=(JT∑x−1J)−1
结论4 协方差的反向输送一非线性情形. 令f:IRM→IRNf: IR^M→IR^Nf:IRM→IRN是一个可微映射,而JJJ是它在点Pˉ\bar{P}Pˉ处的雅可比矩阵。假定JJJ的秩为MMM,则fff在Pˉ\bar{P}Pˉ的邻域是一一对应的 .。令XXX是IRNIR^NIRN中的一个具有均值Xˉ=f(Pˉ)\bar{X} = f( \bar{P} )Xˉ=f(Pˉ)和协方差矩阵与∑X{\sum}_X∑X的随机变量。令映射f−1oη:IRN→IRMf^{-1}o\eta :IR^N\rightarrow IR^Mf−1oη:IRN→IRM, 把测量矢量XXX映射到对应于 ML 估计X^\hat{X}X^的参数矢量PPP。那么在一阶精度下,P^=f−1oη(X)\hat{P}=f^{-1}o\eta (X)P^=f−1oη(X)是一个具有均值Pˉ\bar{P}Pˉ 和协方差矩阵(JT∑x−1J)−1(J^T{\sum }_{x}^{-1}J)^{-1}(JT∑x−1J)−1的随机变量。
超参数化
结论5 协方差的反向输送一一超参数化情形.。令f:IRM→IRNf: IR^M→IR^Nf:IRM→IRN是一个可微映射 , 它把一组参数Pˉ\bar{P}Pˉ映射到测量矢量Xˉ\bar{X}Xˉ。令SpS_pSp是嵌入IRMIR^MIRM中的过点Pˉ\bar{P}Pˉ的ddd维光滑流形并使得映射fff在流形SpS_pSp上Pˉ\bar{P}Pˉ的一个邻域内是一一对应的 ,fff把SpS_pSp局域地映射到IRNIR^NIRN上的流形f(Sp)f( S_p)f(Sp)。 函数fff有一个局部逆函数,记为f−1f^{-1}f−1, 它限制在曲面f(Sp)f(S_p)f(Sp)上Xˉ\bar{X}Xˉ的一个邻域内。定义IRNIR^NIRN上的一个具有均值Xˉ\bar{X}Xˉ和协方差∑x{\sum}_x∑x的高斯分布,并令η:IRN→f(Sp)\eta :IR^N →f( S_p)η:IRN→f(Sp)把IRNIR^NIRN上的点映射到f(Sp)f( S_p)f(Sp) 上并在 Mahalanobis 范数∥⋅∥∑x\left \| \cdot \right \|_{{\sum }_x}∥⋅∥∑x意义下最近的点.。IRNIR^NIRN上具有协方差矩阵∑x{\sum}_x∑x的概率分布通过f−1oηf^{-1}o\etaf−1oη诱导IRMIR^MIRM上的概率分布, 它在一阶精度下的协方差矩阵是:
∑P=(JT∑X−1J)+A=A(ATJT∑X−1JA)−1AT{\sum }_P=(J^T{\sum }_{X}^{-1}J)^{+A}=A(A^TJ^T{\sum }_{X}^{-1}JA)^{-1}A^T∑P=(JT∑X−1J)+A=A(ATJT∑X−1JA)−1AT
其中AAA是任意 m X d 矩阵, 它的列矢量生成SpS_pSp的过点Pˉ\bar{P}Pˉ 的切空间 。
结论6 令可微映射f:IRM→IRNf: IR^M→IR^Nf:IRM→IRN 把Pˉ\bar{P}Pˉ映射到Xˉ\bar{X}Xˉ, 并令JJJ为fff的雅可比矩阵。 设IRNIR^NIRN上一个具有协方差矩阵∑x{\sum}_x∑x的高斯分布定义在Xˉ\bar{X}Xˉ, 令f−1oη:IRN→IRMf^{-1}o\eta :IR^N\rightarrow IR^Mf−1oη:IRN→IRM是把一个测量XXX映到约束在局部正交于JJJ的零空间的曲面SpS_pSp上的 MLE 参数矢量PPP的映射。那么 f−1oηf^{-1}o\etaf−1oη诱导IRMIR^MIRM上的一个分布 。它的协方差矩阵在一阶精度下是:
∑P=(JT∑X−1J)+{\sum }_P=(J^T{\sum }_{X}^{-1}J)^{+}∑P=(JT∑X−1J)+