Levenberg–Marquardt算法学习

xiaoxiao2021-02-28  158

本次是对Levenberg–Marquardt的学习总结,是为之后看懂sparse bundle ajdustment打基础。这篇笔记包含如下内容:

回顾高斯牛顿算法,引入LM算法惩罚因子的计算(迭代步子的计算)完整的算法流程及代码样例

1.      回顾高斯牛顿,引入LM算法

 根据之前的博文: Gauss-Newton算法学习   假设我们研究如下形式的非线性最小二乘问题:

  r(x)为某个问题的残差residual,是关于x的非线性函数。我们知道高斯牛顿法的迭代公式:

  Levenberg–Marquardt算法是对高斯牛顿的改进,在迭代步长上略有不同:

  

  最速下降法对初始点没有特别要求具有整体收敛性,但是相邻两次的搜索方向是相互垂直的,所以收敛并不一定快。总而言之就是:当目标函数的等值线接近于圆(球)时,下降较快;等值线类似于扁长的椭球时,一开始快,后来很慢。This is good if the current iterate is far from the solution.

  c.   如果μ的值很小,那么hlm成了高斯牛顿法的方向(适合迭代的最后阶段,非常接近最优解,避免了最速下降的震荡)

 由此可见,惩罚因子既下降的方向又影响下降步子的大小。

 

2.    惩罚因子的计算[迭代步长计算]

  我们的目标是求f的最小值,我们希望迭代开始时,惩罚因子μ被设定为较小的值,若

    信赖域方法与线搜索技术一样,也是优化算法中的一种保证全局收敛的重要技术. 它们的功能都是在优化算法中求出每次迭代的位移, 从而确定新的迭代点.所不同的是: 线搜索技术是先产生位移方向(亦称为搜索方向), 然后确定位移的长度(亦称为搜索步长)。而信赖域技术则是直接确定位移, 产生新的迭代点。

    信赖域方法的基本思想是:首先给定一个所谓的“信赖域半径”作为位移长度的上界,并以当前迭代点为中心以此“上界”为半径确定一个称之为“信赖域”的闭球区域。然后,通过求解这个区域内的“信赖域子问题”(目标函数的二次近似模型) 的最优点来确定“候选位移”。若候选位移能使目标函数值有充分的下降量, 则接受该候选位移作为新的位移,并保持或扩大信赖域半径, 继续新的迭代。否则, 说明二次模型与目标函数的近似度不够理想,需要缩小信赖域半径,再通过求解新的信赖域内的子问题得到新的候选位移。如此重复下去,直到满足迭代终止条件。

  现在用信赖域方法解决之前的无约束线性规划:

  如果q很大,说明L(h)非常接近F(x+h),我们可以减少惩罚因子μ,以便于下次迭代此时算法更接近高斯牛顿算法。如果q很小或者是负的,说明是poor approximation,我们需要增大惩罚因子,减少步长,此时算法更接近最速下降法。具体来说,

a.当q大于0时,此次迭代有效:

b.当q小于等于0时,此次迭代无效:

3.完整的算法流程及代码距离

LM的算法流程和高斯牛顿几乎一样,只是迭代步长求法利用信赖域法

(1)给定初始点x(0),允许误差ε>0,置k=0

(2)当f(xk+1)-f(xk)小于阈值ε时,算法退出,否则(3)

(3)xk+1=xk+hlm,代入f,返回(1)

两个例子还是沿用之前的。

例子1,根据美国1815年至1885年数据,估计人口模型中的参数A和B。如下表所示,已知年份和人口总量,及人口模型方程,求方程中的参数。

[cpp]  view plain  copy // A simple demo of Gauss-Newton algorithm on a user defined function      #include <cstdio>   #include <vector>   #include <opencv2/core/core.hpp>      using namespace std;   using namespace cv;      const double DERIV_STEP = 1e-5;   const int MAX_ITER = 100;         void LM(double(*Func)(const Mat &input, const Mat ¶ms), // function pointer                    const Mat &inputs, const Mat &outputs, Mat ¶ms);      double Deriv(double(*Func)(const Mat &input, const Mat ¶ms), // function pointer                const Mat &input, const Mat ¶ms, int n);      // The user defines their function here   double Func(const Mat &input, const Mat ¶ms);      int main()   {       // For this demo we're going to try and fit to the function       // F = A*exp(t*B)       // There are 2 parameters: A B       int num_params = 2;          // Generate random data using these parameters       int total_data = 8;          Mat inputs(total_data, 1, CV_64F);       Mat outputs(total_data, 1, CV_64F);          //load observation data       for(int i=0; i < total_data; i++) {           inputs.at<double>(i,0) = i+1;  //load year       }       //load America population       outputs.at<double>(0,0)= 8.3;       outputs.at<double>(1,0)= 11.0;       outputs.at<double>(2,0)= 14.7;       outputs.at<double>(3,0)= 19.7;       outputs.at<double>(4,0)= 26.7;       outputs.at<double>(5,0)= 35.2;       outputs.at<double>(6,0)= 44.4;       outputs.at<double>(7,0)= 55.9;          // Guess the parameters, it should be close to the true value, else it can fail for very sensitive functions!       Mat params(num_params, 1, CV_64F);          //init guess       params.at<double>(0,0) = 6;       params.at<double>(1,0) = 0.3;          LM(Func, inputs, outputs, params);          printf("Parameters from GaussNewton: %lf %lf\n", params.at<double>(0,0), params.at<double>(1,0));          return 0;   }      double Func(const Mat &input, const Mat ¶ms)   {       // Assumes input is a single row matrix       // Assumes params is a column matrix          double A = params.at<double>(0,0);       double B = params.at<double>(1,0);          double x = input.at<double>(0,0);          return A*exp(x*B);   }      //calc the n-th params' partial derivation , the params are our  final target   double Deriv(double(*Func)(const Mat &input, const Mat ¶ms), const Mat &input, const Mat ¶ms, int n)   {       // Assumes input is a single row matrix          // Returns the derivative of the nth parameter       Mat params1 = params.clone();       Mat params2 = params.clone();          // Use central difference  to get derivative       params1.at<double>(n,0) -= DERIV_STEP;       params2.at<double>(n,0) += DERIV_STEP;          double p1 = Func(input, params1);       double p2 = Func(input, params2);          double d = (p2 - p1) / (2*DERIV_STEP);          return d;   }      void LM(double(*Func)(const Mat &input, const Mat ¶ms),                    const Mat &inputs, const Mat &outputs, Mat ¶ms)   {       int m = inputs.rows;       int n = inputs.cols;       int num_params = params.rows;          Mat r(m, 1, CV_64F); // residual matrix       Mat r_tmp(m, 1, CV_64F);       Mat Jf(m, num_params, CV_64F); // Jacobian of Func()       Mat input(1, n, CV_64F); // single row input       Mat params_tmp = params.clone();          double last_mse = 0;       float u = 1, v = 2;       Mat I = Mat::ones(num_params, num_params, CV_64F);//construct identity matrix       int i =0;       for(i=0; i < MAX_ITER; i++) {           double mse = 0;           double mse_temp = 0;              for(int j=0; j < m; j++) {               for(int k=0; k < n; k++) {//copy Independent variable vector, the year                   input.at<double>(0,k) = inputs.at<double>(j,k);               }                  r.at<double>(j,0) = outputs.at<double>(j,0) - Func(input, params);//diff between previous estimate and observation population                  mse += r.at<double>(j,0)*r.at<double>(j,0);                  for(int k=0; k < num_params; k++) {                   Jf.at<double>(j,k) = Deriv(Func, input, params, k);  //construct jacobian matrix               }           }              mse /= m;           params_tmp = params.clone();                      Mat hlm = (Jf.t()*Jf + u*I).inv()*Jf.t()*r;           params_tmp += hlm;            for(int j=0; j < m; j++) {               r_tmp.at<double>(j,0) = outputs.at<double>(j,0) - Func(input, params_tmp);//diff between current estimate and observation population               mse_temp += r_tmp.at<double>(j,0)*r_tmp.at<double>(j,0);           }              mse_temp /= m;              Mat q(1,1,CV_64F);           q = (mse - mse_temp)/(0.5*hlm.t()*(u*hlm-Jf.t()*r));           double q_value = q.at<double>(0,0);           if(q_value>0)           {               double s = 1.0/3.0;               v = 2;               mse = mse_temp;               params = params_tmp;               double temp = 1 - pow(2*q_value-1,3);               if(s>temp)               {                   u = u * s;               }else               {                   u = u * temp;               }           }else           {               u = u*v;                v = 2*v;               params = params_tmp;           }                                // The difference in mse is very small, so quit           if(fabs(mse - last_mse) < 1e-8) {               break;           }              //printf("%d: mse=%f\n", i, mse);           printf("%d %lf\n", i, mse);           last_mse = mse;       }   }   A=7.0,B=0.26   ( 初始值, A=6,B=0.3),100次迭代到第7次收敛了。和之前差不多,但是LM对于初始的选择是非常敏感的,如果A=6,B=6,则拟合失败! 我调用了matlab的接口跑LM,结果也是一样错误的,图片上可以看到拟合失败 [plain]  view plain  copy clc;   clear;   a0=[6,6];   options=optimset('Algorithm','Levenberg-Marquardt','Display','iter');   data_1=[1 2 3 4 5 6 7 8];   obs_1=[8.3 11.0 14.7 19.7 26.7 35.2 44.4 55.9];   a=lsqnonlin(@myfun,a0,[],[],options,data_1,obs_1);   plot(data_1,obs_1,'o');   hold on   plot(data_1,a(1)*exp(a(2)*data_1),'b');   plot(data_1,7*exp(a(2)*data_1),'b');   %hold off   a(1)   a(2)               function E = myfun(a, x,y)   %这是一个测试文件用于测试 lsqnonlin   %   Detailed explanation goes here   x=x(:);   y=y(:);   Y=a(1)*exp(a(2)*x);   E=y-Y;   end   最后一个点拟合失败的,所以函数不对的

   因此虽然莱文博格-马夸特迭代法能够自适应的在高斯牛顿和最速下降法之间调整,既可保证在收敛较慢时迭代过程总是下降的,又可保证迭代过程在解的邻域内迅速收敛。但是,LM对于初始点选择还是比较敏感的!

例子2:我想要拟合如下模型,

  由于缺乏观测量,就自导自演,假设4个参数已知A=5,B=1,C=10,D=2,构造100个随机数作为x的观测值,计算相应的函数观测值。然后,利用这些观测值,反推4个参数。

[cpp]  view plain  copy // A simple demo of Gauss-Newton algorithm on a user defined function      #include <cstdio>   #include <vector>   #include <opencv2/core/core.hpp>      using namespace std;   using namespace cv;      const double DERIV_STEP = 1e-5;   const int MAX_ITER = 100;         void LM(double(*Func)(const Mat &input, const Mat ¶ms), // function pointer                    const Mat &inputs, const Mat &outputs, Mat ¶ms);      double Deriv(double(*Func)(const Mat &input, const Mat ¶ms), // function pointer                const Mat &input, const Mat ¶ms, int n);      // The user defines their function here   double Func(const Mat &input, const Mat ¶ms);      int main()   {       // For this demo we're going to try and fit to the function       // F = A*sin(Bx) + C*cos(Dx)       // There are 4 parameters: A, B, C, D       int num_params = 4;          // Generate random data using these parameters       int total_data = 100;          double A = 5;       double B = 1;       double C = 10;       double D = 2;          Mat inputs(total_data, 1, CV_64F);       Mat outputs(total_data, 1, CV_64F);          for(int i=0; i < total_data; i++) {           double x = -10.0 + 20.0* rand() / (1.0 + RAND_MAX); // random between [-10 and 10]           double y = A*sin(B*x) + C*cos(D*x);              // Add some noise          // y += -1.0 + 2.0*rand() / (1.0 + RAND_MAX);              inputs.at<double>(i,0) = x;           outputs.at<double>(i,0) = y;       }          // Guess the parameters, it should be close to the true value, else it can fail for very sensitive functions!       Mat params(num_params, 1, CV_64F);          params.at<double>(0,0) = 1;       params.at<double>(1,0) = 1;       params.at<double>(2,0) = 8; // changing to 1 will cause it not to find the solution, too far away       params.at<double>(3,0) = 1;          LM(Func, inputs, outputs, params);          printf("True parameters: %f %f %f %f\n", A, B, C, D);       printf("Parameters from GaussNewton: %f %f %f %f\n", params.at<double>(0,0), params.at<double>(1,0),                                                           params.at<double>(2,0), params.at<double>(3,0));          return 0;   }      double Func(const Mat &input, const Mat ¶ms)   {       // Assumes input is a single row matrix       // Assumes params is a column matrix          double A = params.at<double>(0,0);       double B = params.at<double>(1,0);       double C = params.at<double>(2,0);       double D = params.at<double>(3,0);          double x = input.at<double>(0,0);          return A*sin(B*x) + C*cos(D*x);   }      //calc the n-th params' partial derivation , the params are our  final target   double Deriv(double(*Func)(const Mat &input, const Mat ¶ms), const Mat &input, const Mat ¶ms, int n)   {       // Assumes input is a single row matrix          // Returns the derivative of the nth parameter       Mat params1 = params.clone();       Mat params2 = params.clone();          // Use central difference  to get derivative       params1.at<double>(n,0) -= DERIV_STEP;       params2.at<double>(n,0) += DERIV_STEP;          double p1 = Func(input, params1);       double p2 = Func(input, params2);          double d = (p2 - p1) / (2*DERIV_STEP);          return d;   }      void LM(double(*Func)(const Mat &input, const Mat ¶ms),                    const Mat &inputs, const Mat &outputs, Mat ¶ms)   {       int m = inputs.rows;       int n = inputs.cols;       int num_params = params.rows;          Mat r(m, 1, CV_64F); // residual matrix       Mat r_tmp(m, 1, CV_64F);       Mat Jf(m, num_params, CV_64F); // Jacobian of Func()       Mat input(1, n, CV_64F); // single row input       Mat params_tmp = params.clone();          double last_mse = 0;       float u = 1, v = 2;       Mat I = Mat::ones(num_params, num_params, CV_64F);//construct identity matrix       int i =0;       for(i=0; i < MAX_ITER; i++) {           double mse = 0;           double mse_temp = 0;              for(int j=0; j < m; j++) {               for(int k=0; k < n; k++) {//copy Independent variable vector, the year                   input.at<double>(0,k) = inputs.at<double>(j,k);               }                  r.at<double>(j,0) = outputs.at<double>(j,0) - Func(input, params);//diff between estimate and observation population                  mse += r.at<double>(j,0)*r.at<double>(j,0);                  for(int k=0; k < num_params; k++) {                   Jf.at<double>(j,k) = Deriv(Func, input, params, k);  //construct jacobian matrix               }           }              mse /= m;           params_tmp = params.clone();                      Mat hlm = (Jf.t()*Jf + u*I).inv()*Jf.t()*r;           params_tmp += hlm;            for(int j=0; j < m; j++) {               r_tmp.at<double>(j,0) = outputs.at<double>(j,0) - Func(input, params_tmp);//diff between estimate and observation population               mse_temp += r_tmp.at<double>(j,0)*r_tmp.at<double>(j,0);           }              mse_temp /= m;              Mat q(1,1,CV_64F);           q = (mse - mse_temp)/(0.5*hlm.t()*(u*hlm-Jf.t()*r));           double q_value = q.at<double>(0,0);           if(q_value>0)           {               double s = 1.0/3.0;               v = 2;               mse = mse_temp;               params = params_tmp;               double temp = 1 - pow(2*q_value-1,3);               if(s>temp)               {                   u = u * s;               }else               {                   u = u * temp;               }           }else           {               u = u*v;                v = 2*v;               params = params_tmp;           }                                // The difference in mse is very small, so quit           if(fabs(mse - last_mse) < 1e-8) {               break;           }              //printf("%d: mse=%f\n", i, mse);           printf("%d %lf\n", i, mse);           last_mse = mse;       }   }     我们看到迭代了100次,结果几何和高斯牛顿算出来是一样的。我们绘制LM和高斯牛顿的残差函数收敛过程,发现LM一直是总体下降的,没有太多反复。 高斯牛顿: LM:
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