生产实践中的数据往往会有一定的偏差。例如我们知道两个变量X与Y之间呈线性关系,Y=aX+b,我们想确定参数a与b的具体值。通过实验,可以得到一组X与Y的测试值。虽然理论上两个未知数的方程只需要两组值即可确认,但由于系统误差的原因,任意取两点算出的a与b的值都不尽相同。我们希望的是,最后计算得出的理论模型与测试值的误差最小。大学的高等数学课程中,详细阐述了最小二乘法的思想。通过计算最小均方差关于参数a、b的偏导数为零时的值。事实上,在很多情况下,最小二乘法都是线性回归的代名词。
遗憾的是,最小二乘法只适合与误差较小的情况。试想一下这种情况,假使需要从一个噪音较大的数据集中提取模型(比方说只有20%的数据是符合模型的)时,最小二乘法就显得力不从心了。例如下图,肉眼可以很轻易地看出一条直线(模式),但算法却找错了。
RANSAC算法的输入是一组观测数据(往往含有较大的噪声或无效点),一个用于解释观测数据的参数化模型以及一些可信的参数。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:
- 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。
- 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。
- 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。
- 然后,用所有假设的局内点去重新估计模型(譬如使用最小二乘法),因为它仅仅被初始的假设局内点估计过。
- 最后,通过估计局内点与模型的错误率来评估模型。
- 上述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。
在模型确定以及最大迭代次数允许的情况下,RANSAC总是能找到最优解。经过我的实验,对于包含80%误差的数据集,RANSAC的效果远优于直接的最小二乘法。
RANSAC可以用于哪些场景呢?最著名的莫过于图片的拼接技术。由于镜头的限制,往往需要多张照片才能拍下那种巨幅的风景。在多幅图像合成时,事先会在待合成的图片中提取一些关键的特征点。计算机视觉的研究表明,不同视角下物体往往可以通过一个透视矩(3X3或2X2)阵的变换而得到。RANSAC被用于拟合这个模型的参数(矩阵各行列的值),由此便可识别出不同照片中的同一物体。如下图:
提取两幅图片的特征点后,进行图片拼接,结果如下:
另外,RANSAC还可以用于图像搜索时的纠错与物体识别定位。下图中,有几条直线是SIFT匹配算法的误判,RANSAC有效地将其识别,并将正确的模型(书本)用线框标注出来:
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