RANSAC算法

RANSAC算法是一种处理包含噪声数据的有效方法,尤其在数据集中有效数据占多数时。它通过随机抽样和最小二乘法去除异常点,提高模型的准确性。在比较中,RANSAC算法的拟合效果优于传统的最小二乘法,能得出更优的数学模型。算法通过迭代找到最大共识集,并以此构建最佳模型。在模拟实验中,RANSAC算法在MATLAB中得到了实现。

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RANSAC算法全称是随机抽样一致算法(random sample consensus,RANSAC)RANSAC算法的基本假设是样本中包含正确数据(inliers,可以被模型描述的数据),也包含异常数据(outliers,偏离正常范围很远、无法适应数学模型的数据),即数据集中含有噪声。这些异常数据可能是由于错误的测量、错误的假设、错误的计算等产生的。同时RANSAC也假设,给定一组正确的数据,存在可以计算出符合这些数据的模型参数的方法。数据分两种:有效数据(inliers)无效数据(outliers)。偏差不大的数据称为有效数据,偏差大的数据是无效数据。如果有效数据占大多数,无效数据只是少量时,我们可以通过最小二乘法或类似的方法来确定模型的参数和误差;如果无效数据很多(比如超过了50%的数据都是无效数据),最小二乘法就失效了,我们需要新的算法。

如果一组二位的数据点含有许多噪声点,直接采用最小二乘法求出的数学模型不够准确。而比较好的方法就是用RANSAC算法剔除那些噪声点,获得最大的支持数据集合,再用最大支持数据通过最小二乘求出最佳数学模型。

首先如果没有使用RANSAC算法,通过最小二乘法模拟出的数学模型如下图所示,其中的二位数据是我们随机生成的包含噪声点的数据集合。



可以看出,上半部分是误差较大的点,而通过最小二乘拟合的直线将噪声点也考虑进去,得到的不是最佳数学模

型。

现在我们采用RANSAC算法剔除一些噪声点后,在进行最小二乘拟合得到的图如下所示。

其中红色的直线是未使用RANSAC算法拟合的直线,蓝色的直线是使用RANSAC算法拟合的直线。从中可以看出使用RANSAC算法之后的数学模型更佳。

算法:

伪代码的算法如下所示:

输入:

Data   

### RANSAC算法概述 RANSAC(Random Sample Consensus,随机采样一致性)算法是一种基于随机采样的迭代算法,主要用于从一组包含大量噪声和异常值(外点)的数据中估计数学模型的参数。该算法由Fischler和Bolles于1981年提出,并在计算机视觉和计算机图形学等领域得到了广泛应用[^2]。 ### RANSAC算法原理 RANSAC的核心思想是从数据集中随机选取最小数量的样本集来构建一个可能的模型假设;然后计算其他数据点与这个假设模型的一致性程度,即内点的数量;重复上述过程多次,最终选择具有最多一致性的模型作为最佳模型。具体来说: - **初始化**:设定最大迭代次数`N`、阈值`t`用于判断内外点的标准。 - **迭代过程**: - 随机抽取最少必要量的数据子集形成初始模型; - 计算剩余所有数据相对于此模型的距离误差; - 将距离小于给定阈值`t`的数据视为内点集合; - 更新当前最好的模型及其对应的内点数。 - **终止条件**:当达到预设的最大迭代次数或找到足够好的模型时结束循环。 ### Python实现示例 下面给出一段简单的Python代码实现了针对二维直线拟合场景下的RANSAC算法: ```python import numpy as np from sklearn.linear_model import LinearRegression def ransac_fit_line(points, n_iterations=100, threshold=1e-2): best_inliers = None max_inliers_count = 0 for _ in range(n_iterations): # Randomly select two points to form a line model sample_indices = np.random.choice(len(points), size=2, replace=False) sampled_points = points[sample_indices] # Fit the linear regression on these samples lr = LinearRegression().fit(sampled_points[:, :-1], sampled_points[:, -1]) # Predict distances of all other points from this fitted line predictions = lr.predict(points[:, :-1]) residuals = abs(predictions - points[:, -1]) # Count how many are within our tolerance level (inliers) current_inliers = points[residuals < threshold] num_current_inliers = len(current_inliers) if num_current_inliers > max_inliers_count: best_inliers = current_inliers.copy() max_inliers_count = num_current_inliers return best_inliers # Example usage with synthetic data containing outliers np.random.seed(42) X = np.linspace(-5, 5, 100).reshape((-1, 1)) y_true = X * 3 + 7 noise = np.random.normal(size=y_true.shape)*2 outlier_mask = np.zeros_like(y_true,dtype=bool) outlier_mask[:10]=True y_noisy = y_true + noise y_outliers = y_noisy.copy() y_outliers[outlier_mask]+=10*(np.random.rand(sum(outlier_mask))-0.5) data_with_outliers=np.hstack([X,y_outliers]) best_fitted_data=ransac_fit_line(data_with_outliers,n_iterations=100,threshold=.5) print('Best Fitted Data Points:\n',best_fitted_data) ``` 这段代码展示了如何利用Scikit-Learn库中的LinearRegression类来进行简单线性回归建模,并通过自定义函数`ransac_fit_line()`实现了基本形式的RANSAC算法逻辑[^1]。 ### 应用领域 除了经典的线性和平面拟合之外,RANSAC还广泛应用于以下几个方面: - 图像拼接中去除误匹配的关键点对,提高图像间变换矩阵估算精度[^4]。 - 在三维重建任务里用来识别并剔除激光扫描仪获取到的离群点云数据。 - 自动驾驶车辆感知模块中处理传感器输入信号中存在的干扰因素。
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