LM(Levenberg–Marquardt)算法原理及其python自定义实现

LM(Levenberg–Marquardt)算法原理

LM算法作为非线性优化的“标准”方法,算法的数学原理有很多优秀的参考资料。我看过这些参考资料之后,觉得再重新写一遍已经是无力且多余的事情了。我简单说明一下这些参考资料,然后贴上自己的手写笔记。
参考资料:
1.《Methods for non-linear least squares problems》这本书将非线性最小二乘问题的优化方法讲了一大通,非常值得一看。因为LM算法是从Gauss-Newton方法演进来的,而Gauss-Newton方法又是从Newton方法演进过来的,所以追根溯源应该从Newton法开始看起。而比Newton法更简洁的就是最速下降法了,这本书将所有的非线性优化问题讲了个底朝天,聪明人仔细读一读不吃亏。
2.A Brief Description of the Levenberg-Marquardt Algorithm Implemened by levmar
如果说上面那本书是准备好给搞理论看的版本的话,那这篇文章一定就是准备好给工程师看的了,文章对LM算法的实现给出了很好的讲解,工程师读一下,醍醐灌顶就可以写代码了。
3.[blog]原理及C++实现:Levenberg–Marquardt算法学习
4.[blog]原理及matlab实现:Levenberg-Marquardt
5.[blog]另一篇python实现:Python 算例实现Levenberg-Marquardt算法
6.我的笔记,你可以放心略过的部分:)D
在这里插入图片描述在这里插入图片描述在这里插入图片描述

LM算法python实现

实现步骤:

在LM算法原理中提到的参考资料提供了一些算法实现的伪代码,但是他们略有不同,主要的不同点是在公式表述以及u、v的更新比率上有小的差异。
我运行过他们的部分代码,发现优化效果也能够快速收敛,并不影响实际效果。
我按照文章A Brief Description of the Levenberg-Marquardt Algorithm Implemened by levmar中的步骤,重新写了python代码,代码实现步骤如下:
在这里插入图片描述

代码:

1.我随机产生了100个input_data,设定正确的参数a和b,然后按照我要拟合的公式a×np.exp(b×input_data)加上一些高斯噪声计算出了100个对应的output_data, 作为观察。
2.初始化参数a和b,使之不要与真实值太离谱
3.用LM算法对其优化拟合,画出拟合曲线和迭代误差曲线。

'''
#Implement LM algorithm only using basic python
#Author:Leo Ma
#For csmath2019 assignment4,ZheJiang University
#Date:2019.04.28
'''
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt 

#input data, whose shape is (num_data,1)
#data_input=np.array([[0.25, 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4, 6, 8]]).T
#data_output=np.array([[19.21, 18.15, 15.36, 14.10, 12.89, 9.32, 7.45, 5.24, 3.01]]).T


tao = 10**-3
threshold_stop = 10**-15
threshold_step = 10**-15
threshold_residual = 10**-15
residual_memory = []



#construct a user function
def my_Func(params,input_data):
    a = params[0,0]
    b = params[1,0]
    #c = params[2,0]
    #d = params[3,0]
    return a*np.exp(b*input_data)
    #return a*np.sin(b*input_data[:,0])+c*np.cos(d*input_data[:,1])


    
#generating the input_data and output_data,whose shape both is (num_data,1)
def generate_data(params,num_data):
    x = np.array(np.linspace(0,10,num_data)).reshape(num_data,1)       # 产生包含噪声的数据
    mid,sigma = 0,5
    y = my_Func(params,x) + np.random.normal(mid, sigma, num_data).reshape(num_data,1)
    return x,y
    

#calculating the derive of pointed parameter,whose shape is (num_data,1)
def cal_deriv(params,input_data,param_index):
    params1 = params.copy()
    params2 = params.copy()
    params1[param_index,0] += 0.000001
    params2[param_index,0] -= 0.000001
    data_est_output1 = my_Func(params1,input_data)
    data_est_output2 = my_Func(params2,input_data)
    return (data_est_output1 - data_est_output2) / 0.000002

#calculating jacobian matrix,whose shape is (num_data,num_params)
def cal_Jacobian(params,input_data):
    num_params = np.shape(params)[0]
    num_data = np.shape(input_data)[0]
    J = np.zeros((num_data,num_params))
    for i in range(0,num_params):
            J[:,i] = list(cal_deriv(params,input_data,i))
    return J

#calculating residual, whose shape is (num_data,1)
def cal_residual(params,input_data,output_data):
    data_est_output = my_Func(params,input_data)
    residual = output_data - data_est_output
    return residual
    

'''    
#calculating Hessian matrix, whose shape is (num_params,num_params)
def cal_Hessian_LM(Jacobian,u,num_params):
    H = Jacobian.T.dot(Jacobian) + u*np.eye(num_params)
    return H
    
#calculating g, whose shape is (num_params,1)
def cal_g(Jacobian,residual):
    g = Jacobian.T.dot(residual)
    return g

#calculating s,whose shape is (num_params,1)
def cal_step(Hessian_LM,g):
    s = Hessian_LM.I.dot(g)
    return s
     
'''


#get the init u, using equation u=tao*max(Aii)
def get_init_u(A,tao):
    m = np.shape(A)[0]
    Aii = []
    for i in range(0,m):
        Aii.append(A[i,i])
    u = tao*max(Aii)
    return u
    
#LM algorithm
def LM(num_iter,params,input_data,output_data):
    num_params = np.shape(params)[0]#the number of params
    k = 0#set the init iter count is 0
    #calculating the init residual
    residual = cal_residual(params,input_data,output_data)
    #calculating the init Jocobian matrix
    Jacobian = cal_Jacobian(params,input_data)
    
    A = Jacobian.T.dot(Jacobian)#calculating the init A
    g = Jacobian.T.dot(residual)#calculating the init gradient g
    stop = (np.linalg.norm(g, ord=np.inf) <= threshold_stop)#set the init stop
    u = get_init_u(A,tao)#set the init u
    v = 2#set the init v=2
    
    while((not stop) and (k<num_iter)):
        k+=1
        while(1):
            Hessian_LM = A + u*np.eye(num_params)#calculating Hessian matrix in LM
            step = np.linalg.inv(Hessian_LM).dot(g)#calculating the update step
            if(np.linalg.norm(step) <= threshold_step):
                stop = True
            else:
                new_params = params + step#update params using step
                new_residual = cal_residual(new_params,input_data,output_data)#get new residual using new params
                rou = (np.linalg.norm(residual)**2 - np.linalg.norm(new_residual)**2) / (step.T.dot(u*step+g))
                if rou > 0:
                    params = new_params
                    residual = new_residual
                    residual_memory.append(np.linalg.norm(residual)**2)
                    #print (np.linalg.norm(new_residual)**2)
                    Jacobian = cal_Jacobian(params,input_data)#recalculating Jacobian matrix with new params
                    A = Jacobian.T.dot(Jacobian)#recalculating A
                    g = Jacobian.T.dot(residual)#recalculating gradient g
                    stop = (np.linalg.norm(g, ord=np.inf) <= threshold_stop) or (np.linalg.norm(residual)**2 <= threshold_residual)
                    u = u*max(1/3,1-(2*rou-1)**3)
                    v = 2
                else:
                    u = u*v
                    v = 2*v
            if(rou > 0 or stop):
                break;
        
    return params
  


        
        
def main():
    #set the true params for generate_data() function
    params = np.zeros((2,1))
    params[0,0]=10.0
    params[1,0]=0.8
    num_data = 100# set the data number
    data_input,data_output = generate_data(params,num_data)#generate data as requested
    
    #set the init params for LM algorithm 
    params[0,0]=6.0
    params[1,0]=0.3

    #using LM algorithm estimate params
    num_iter=100    # the number of iteration
    est_params = LM(num_iter,params,data_input,data_output)
    print(est_params)
    a_est=est_params[0,0]
    b_est=est_params[1,0]


    #老子画个图看看状况
    plt.scatter(data_input, data_output, color='b')
    x = np.arange(0, 100) * 0.1 #生成0-10的共100个数据,然后设置间距为0.1
    plt.plot(x,a_est*np.exp(b_est*x),'r',lw=1.0)
    plt.xlabel("2018.06.13")
    plt.savefig("result_LM.png")
    plt.show()
    
    plt.plot(residual_memory)
    plt.xlabel("2018.06.13")
    plt.savefig("error-iter.png")
    plt.show()

if __name__ == '__main__':
    main()

运行结果:

在这里插入图片描述在这里插入图片描述

### Levenberg-Marquardt算法的应用场景 Levenberg-Marquardt (LM) 算法广泛应用于非线性最小二乘问题的求解,在多个领域有着重要应用。该算法特别适用于解决那些具有复杂误差表面的问题,能够有效地找到局部最优解[^1]。 #### 声源定位中的应用 在声学工程中,基于Levenberg-Marquardt算法可以实现高效的声源定位Matlab仿真。通过调整模型参数使预测值尽可能接近实际测量得到的声音传播特性,从而精确估计发声物体的位置信息[^2]。 #### 计算机视觉中的姿态评估 对于计算机视觉任务而言,如图像处理里的对象识别或三维重建等场合下,利用LM优化技术可提高特征匹配精度并加快计算速度。具体来说,在进行摄像机标定或者人体骨骼跟踪时,采用这种方法有助于更稳定地获取目标的姿态变化情况[^3]。 --- ### 实现方式概述 为了更好地理解如何编程实现这一强大的工具,下面给出Python版本的一个简单例子: ```python import numpy as np from scipy.optimize import least_squares def model_function(params, x_data): """定义待拟合的数据生成函数""" a, b = params return a * np.exp(-b*x_data) def residuals(params, x_data, y_measured): """计算残差向量""" y_predicted = model_function(params, x_data) err = y_measured - y_predicted return err.flatten() # 初始化输入变量 initial_guess = [0.8, 0.5] xdata = np.linspace(0, 4, 50) ytrue = model_function([1., .7], xdata) noise = 0.2*np.random.randn(len(xdata)) ymeas = ytrue + noise result = least_squares(residuals, initial_guess, args=(xdata, ymeas), method='lm') # 使用LM算法作为优化器 print(f"Optimized parameters: {result.x}") ``` 上述代码展示了怎样借助`scipy`库内的`least_squares()`接口轻松调用内置的支持LM策略的功能模块完成一次完整的曲线拟合过程。这里的关键在于正确设置损失函数的形式以及合理选取初值范围以便于后续迭代操作顺利开展[^4]。
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