Ransac 算法的探索和应用

Ransac 算法python 应用和实现

Ransac 算法是一种常用的图像匹配算法,在参数估计领域也经常被使用到。针对估计各种曲线的鲁棒模型参数,效果显著。这里对ransac算法进行某些探索。

python program:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import random
import math

# 数据量。
SIZE = 60
SIZE_N = 10 # the numbe of noise
# 产生数据。np.linspace 返回一个一维数组,SIZE指定数组长度。
# 数组最小值是0,最大值是10。所有元素间隔相等。
X = np.linspace(0, 10, SIZE)
Y = -2 * X + 5

fig = plt.figure()
# 画图区域分成1行1列。选择第一块区域。
ax1 = fig.add_subplot(111)
# 标题
ax1.set_title("title ")


# 让散点图的数据更加随机并且添加一些噪声。
random_x = []
random_y = []

random_x2 = []
random_y2 = []

random_x2b = []
random_y2b = []

random_x22 = []
random_y22 = []

random_x22b = []
random_y22b = []
# 添加直线随机噪声
for i in range(SIZE):
    random_x.append(X[i] + random.uniform(-1, 1)) 
    random_y.append(Y[i] + random.uniform(-1, 1)) 
# 添加随机噪声
for i in range(SIZE_N):
    random_x.append(random.uniform(-SIZE,SIZE))
    random_y.append(random.uniform(-SIZE,SIZE))
RANDOM_X = np.array(random_x) # 散点图的横轴。
RANDOM_Y = np.array(random_y) # 散点图的纵轴。



# 使用RANSAC算法估算模型
# 迭代最大次数,每次得到更好的估计会优化iters的数值
iters = 1000
iters2 = int(iters/2)
# 数据和模型之间可接受的差值
sigma = 3
sigma2 = 10
# 最好模型的参数估计和内点数目
best_a = 0
best_b = 0
best_a2 = 0
best_b2 = 0
pretotal = 0
pretotal2 = 0
# 希望的得到正确模型的概率
P = 0.99

for i in range(iters):
    # update the record position for seconde RANSAC 
    random_x2 = []
    random_y2 = []
    # 随机在数据中红选出两个点去求解模型
    sample_index = random.sample(range(SIZE + SIZE_N),2)
    x_1 = RANDOM_X[sample_index[0]]
    x_2 = RANDOM_X[sample_index[1]]
    y_1 = RANDOM_Y[sample_index[0]]
    y_2 = RANDOM_Y[sample_index[1]]

    # y = ax + b 求解出a,b
    a = (y_2 - y_1) / (x_2 - x_1)
    b = y_1 - a * x_1

    # 算出内点数目
    total_inlier = 0
    for index in range(SIZE + SIZE_N): # SIZE * 2 is because add 2 times noise of SIZE
        y_estimate = a * RANDOM_X[index] + b
        if abs(y_estimate - RANDOM_Y[index]) < sigma:
            total_inlier = total_inlier + 1
            # record these points that between +-sigma
            random_x2.append(RANDOM_X[index])
            random_y2.append(RANDOM_Y[index])

    # 判断当前的模型是否比之前估算的模型好
    if total_inlier > pretotal:
        iters = math.log(1 - P) / math.log(1 - pow(total_inlier / (SIZE + SIZE_N), 2))
        pretotal = total_inlier
        best_a = a
        best_b = b
        # update the latest better points
        random_x2b = np.array(pretotal) # 散点图的横轴。
        random_y2b = np.array(pretotal) # 散点图的纵轴。
        random_x2b = random_x2
        random_y2b = random_y2
        SIZE2 = pretotal
 
    # 判断是否当前模型已经超过八成的点
    if total_inlier > 0.8 * SIZE:
        break

# 用我们得到的最佳估计画图
# 横轴名称。
ax1.set_xlabel("top view x-axis")
# 纵轴名称。
ax1.set_ylabel("top view y-axis")

Y = best_a * RANDOM_X + best_b

# show the ransac2 points:
ax1.scatter(random_x2b, random_y2b, c='b', marker='v')

# 直线图
ax1.scatter(RANDOM_X, RANDOM_Y, c='r', marker='^')

ax1.plot(RANDOM_X, Y, c='b',)
text = "best_a = " + str(best_a) + "\nbest_b = " + str(best_b)
plt.text(5,50, text,
         fontdict={'size': 12, 'color': 'b'})


# the seconde ransac call the point that cover the largest area
RANDOM_XX = np.array(random_x2b) # 散点图的横轴。
RANDOM_YY = np.array(random_y2b) # 散点图的纵轴。

for i in range(iters2):
    random_x22 = []
    random_y22 = []
    # 随机在数据中红选出一个点去求解模型
    sample_index2 = random.sample(range(SIZE2),1)
    x_12 = RANDOM_XX[sample_index2[0]]
    y_12 = RANDOM_YY[sample_index2[0]]


    # y = ax + b 求解出a,b
    a2 = -1 / a
    b2 = y_12 - (a2 * x_12)

    # 算出内点数目
    total_inlier2 = 0
    for index in range(SIZE2):    # SIZE * 2 is because add 2 times noise of SIZE
        y_estimate2 = a2 * RANDOM_XX[index] + b2
        if abs(y_estimate2 - RANDOM_YY[index]) < sigma2:
            total_inlier2 = total_inlier2 + 1
            # record these points that between +-sigma
            random_x22.append(RANDOM_XX[index])
            random_y22.append(RANDOM_YY[index])
            

    # 判断当前的模型是否比之前估算的模型好
    if total_inlier2 > pretotal2:
        print("total_inlier2:", total_inlier2)
        print("SIZE2:", SIZE2)
        iters = math.log(1 - P) / math.log(1 - pow(total_inlier2 / SIZE2, 2))
        pretotal2 = total_inlier2
        best_a2 = a2
        best_b2 = b2
        
        # update the latest better points
        random_x22b = np.array(pretotal2) # 散点图的横轴。
        random_y22b = np.array(pretotal2) # 散点图的纵轴。
        random_x22b = random_x22
        random_y22b = random_y22
 
    # 判断是否当前模型已经超过八成的点
    if total_inlier2 > 0.8 * SIZE2:
        break
    
# 用我们得到的最佳估计画图
YY = best_a2 * RANDOM_XX + best_b2

# show the ransac2 points:
ax1.scatter(random_x22b, random_y22b, c='g', marker='o')

ax1.set_aspect('equal', adjustable='box')
# 直线图
ax1.plot(RANDOM_XX, YY, c='g' )
text = "best_a2 = " + str(best_a2) + "\nbest_b2 = " + str(best_b2)
plt.text(1,30, text,
         fontdict={'size': 12, 'color': 'g'})
plt.show()

ptyhon results:

在这里插入图片描述

References:

ransac实现参考:
scatter()使用方法
Matplotlib 绘制等轴正方形图
random.uniform( ) 函数教程与实例

<think>好的,我现在需要帮助用户了解或实现基于RANSAC算法的原理应用。首先,我得回顾一下RANSAC的基本概念,确保自己理解正确。RANSAC全称是随机抽样一致,主要用于处理数据中有大量异常值的情况,通过迭代随机采样来估计模型参数。 接下来,用户可能需要知道RANSAC的工作原理。我应该分步骤解释,比如随机采样、模型拟合、内点判断、迭代更新这些关键步骤。同时,结合用户提供的引用内容,特别是引用[1]中的Python实现示例,可能需要给出一个简单的代码示例,比如线性拟合,这样用户能更直观地理解。 然后,用户可能关心应用场景。根据引用[1][2],RANSAC常用于计算机视觉中的特征匹配、3D点云处理(如平面拟合),还有传感器数据去噪等。这部分需要具体举例,说明不同领域的实际应用,让用户知道如何将算法应用到实际问题中。 优化方法也是用户可能想了解的,比如动态迭代次数、自适应阈值、局部优化等。引用[1]提到他们的实现是简化版,可以作为起点,所以需要指出可能的优化方向,帮助用户进一步提升算法性能。 用户的问题还涉及实现,所以给出一个Python代码示例会很有帮助。代码需要包括数据生成、RANSAC核心逻辑、模型拟合内点选择,最后可视化结果。同时,要提醒用户注意参数调整,如迭代次数阈值,这对算法效果影响很大。 另外,引用[2]提到CGAL库中的RANSAC实现,可以建议用户如果需要更高效的实现,可以参考现有库,这样用户不必重复造轮子,尤其是处理复杂3D数据时。 最后,生成相关问题需要考虑用户可能深入的方向,比如与其他鲁棒算法的比较、参数调整技巧、处理高维数据的方法,以及具体应用案例,如图像拼接中的特征匹配。这些问题能引导用户进一步探索RANSAC的不同方面。</think>### RANSAC算法原理与实现 #### 算法原理 RANSAC(Random Sample Consensus)是一种鲁棒参数估计方法,通过迭代随机采样有效抵抗异常值干扰,核心流程包含四个步骤: 1. **随机采样**:从数据集中随机抽取最小样本集(如线性拟合取2个点) 2. **模型假设**:基于采样点建立数学模型(如直线方程) 3. **内点验证**:统计符合模型的样本数量(误差小于阈值的点视为内点) 4. **模型更新**:保留具有最多内点的模型,重复迭代直到满足终止条件[^1] 数学表达式: $$ \theta^* = \arg\max_{\theta} |\{ (x_i,y_i) | e(f_\theta(x_i), y_i) < \tau \}| $$ #### Python实现示例(线性拟合) ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt def ransac_linear(data, iterations=100, threshold=0.5): best_model = None best_inliers = [] for _ in range(iterations): sample = data[np.random.choice(len(data), 2, replace=False)] x1, y1 = sample[0] x2, y2 = sample[1] # 计算直线参数 y = kx + b k = (y2 - y1) / (x2 - x1 + 1e-6) b = y1 - k*x1 # 计算误差 distances = np.abs(k*data[:,0] - data[:,1] + b) / np.sqrt(k**2 + 1) inliers = data[distances < threshold] if len(inliers) > len(best_inliers): best_model = (k, b) best_inliers = inliers # 使用所有内点重新拟合模型 A = np.vstack([best_inliers[:,0], np.ones(len(best_inliers))]).T k, b = np.linalg.lstsq(A, best_inliers[:,1], rcond=None)[0] return (k, b), best_inliers # 生成含噪声数据 np.random.seed(42) x = np.linspace(0, 20, 100) y = 2*x + 5 + np.random.normal(0, 3, 100) outliers = np.random.uniform(0, 20, (20, 2)) data = np.vstack([np.column_stack([x,y]), outliers]) # 执行RANSAC model, inliers = ransac_linear(data, iterations=200, threshold=1.5) ``` #### 关键应用场景 1. **计算机视觉**:特征匹配(SIFT/SURF)、相机位姿估计 2. **3D点云处理**:平面检测(如Kinect深度数据)、点云配准[^2] 3. **传感器融合**:雷达/激光数据去噪 4. **图像拼接**:消除误匹配点对 5. **时序分析**:异常值过滤 #### 优化策略 1. **动态迭代次数**:根据内点比例自动调整最大迭代次数 $$ N = \frac{\log(1-p)}{\log(1-w^n)} $$ 其中$w$为内点比例,$n$为最小样本数,$p$为置信度 2. **自适应阈值**:基于数据分布自动调整距离阈值 3. **局部优化**:在候选模型上使用所有内点重新拟合 4. **并行采样**:利用GPU加速多假设生成 5. **模型验证**:引入残差加权评价机制
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