RANSAC算法

随机抽样一致(RANdom SAmple Consensus,RANSAC)算法可以从一组包含“局外点”的观测数据集中,通过迭代方式估计数学模型的参数。RANSAC算法是一种不确定的算法--它有一定的概率得出一个合理的结果,为了提高准确率要提高迭代次数。

RANSAC基本假设:

(1)数据由“局内点”组成,即数据的分布可以用一些模型参数解释;

(2)“局外点”是不能适应该模型的数据;

(3)给定一组(较小的)“局内点”,存在一个估计模型,能够解释并适用于该组“局内点”。

“局外点”产生的原因:噪声、错误的测量方法、对数据的错误假设等。

示例

 一个简单的例子是从一组观测数据中找出合适的2维直线。假设观测数据中包含局内点和局外点,其中局内点近似的被直线所通过,而局外点远离于直线。简单的最小二乘法不能找到适应于局内点的直线,原因是最小二乘法尽量去适应包括局外点在内的所有点。相反,RANSAC能得出一个仅仅用局内点计算出模型,并且概率还足够高。但是,RANSAC并不能保证结果一定正确,为了保证算法有足够高的合理概率,我们必须小心的选择算法的参数。


左图:包含很多局外点的数据集       右图:RANSAC找到的直线(局外点并不影响结果)

算法

RANSAC通过反复选择数据中的一组随机子集来达成目标。被选取的子集被假设为局内点,并用下述方法进行验证:
    1.有一个模型适应于假设的局内点,即所有的未知参数都能从假设的局内点计算得出。
    2.用1中得到的模型去测试所有的其它数据,如果某个点适用于估计的模型,认为它也是局内点。
    3.如果有足够多的点被归类为假设的局内点,那么估计的模型就足够合理。
    4.然后,用所有假设的局内点去重新估计模型,因为它仅仅被初始的假设局内点估计过。
    5.最后,通过估计局内点与模型的错误率来评估模型。

    这个过程被重复执行固定的次数,每次产生的模型要么因为局内点太少而被舍弃,要么因为比现有的模型更好而被选用。

算法输入:

data -- 一组观测数据

model -- 适用于数据的模型

n -- 适用于模型的最少数据个数

k -- 算法迭代次数

t -- 用于决定数据是否适应模型的阈值


输出:

best_model -- 跟数据最匹配的模型参数(没有找到合适的模型,返回NULL)

best_consensus_set -- 估计出模型的数据点

best_error -- 跟数据相关的估计出的模型错误

算法伪代码:

iterations = 0
best_model = null
best_consensus_set = null
best_error = 无穷大
while ( iterations < k )
    maybe_inliers = 从数据集中随机选择n个点
    maybe_model = 适合于maybe_inliers的模型参数
    consensus_set = maybe_inliers

    for ( 每个数据集中不属于maybe_inliers的点 )
        if ( 如果点适合于maybe_model,且错误小于t )
            将点添加到consensus_set
    if ( consensus_set中的元素数目大于d )
        已经找到了好的模型,现在测试该模型到底有多好
        better_model = 适合于consensus_set中所有点的模型参数
        this_error = better_model究竟如何适合这些点的度量
        if ( this_error < best_error )
            我们发现了比以前好的模型,保存该模型直到更好的模型出现
            best_model =  better_model
            best_consensus_set = consensus_set
            best_error =  this_error
iterations++ 
返回 best_model, best_consensus_set, best_error RANSAC算法的可能变化包括以下几种:
    (1)如果发现了一种足够好的模型(该模型有足够小的错误率),则跳出主循环。这样可能会节约计算额外参数的时间。
    (2)直接从maybe_model计算this_error,而不从consensus_set重新估计模型。这样可能会节约比较两种模型错误的时间,但可能会对噪声更敏感。

算法实现

python的sklearn库已经实现了RANSAC算法。下面是一个测试用例:

import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
from sklearn import linear_model


X = np.array([[445],[631],[800],[966],[1135],[1246]])
y = np.array([[1134],[1158],[1160],[1172],[1196],[2173]])

# Robustly fit linear model with RANSAC algorithm
ransac = linear_model.RANSACRegressor()
ransac.fit(X, y)
inlier_mask = ransac.inlier_mask_
outlier_mask = np.logical_not(inlier_mask)

print('outlier_mask:',outlier_mask)

# Predict data of estimated models
line_X = np.arange(0, 3000)[:, np.newaxis]
line_y_ransac = ransac.predict(line_X)

lw = 2
plt.scatter(X[inlier_mask], y[inlier_mask], color='yellowgreen', marker='.',
            label='Inliers')
plt.scatter(X[outlier_mask], y[outlier_mask], color='gold', marker='.',
            label='Outliers')

plt.plot(line_X, line_y_ransac, color='cornflowerblue', linewidth=lw,
         label='RANSAC regressor')
plt.legend(loc='lower right')
plt.xlabel("Input")
plt.ylabel("Response")
plt.show()
结果如下图所示:



参考:

[1] http://www.cnblogs.com/xrwang/archive/2011/03/09/ransac-1.html

### 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。
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值