本文翻译自维基百科,英文原文地址是:http://en.wikipedia.org/wiki/ransac,如果您英语不错,建议您直接查看原文。
RANSAC是“RANdom SAmple Consensus(随机抽样一致)”的缩写。它可以从一组包含“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。它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;为了提高概率必须提高迭代次数。该算法最早由Fischler和Bolles于1981年提出。
RANSAC的基本假设是:
(1)数据由“局内点”组成,例如:数据的分布可以用一些模型参数来解释;
(2)“局外点”是不能适应该模型的数据;
(3)除此之外的数据属于噪声。
局外点产生的原因有:噪声的极值;错误的测量方法;对数据的错误假设。
RANSAC也做了以下假设:给定一组(通常很小的)局内点,存在一个可以估计模型参数的过程;而该模型能够解释或者适用于局内点。
本文内容
1 示例
2 概述
3 算法
4 参数
5 优点与缺点
6 应用
7 参考文献
8 外部链接
一、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)
二、概述
RANSAC算法的输入是一组观测数据,一个可以解释或者适应于观测数据的参数化模型,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:
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。
三、算法
伪码形式的算法如下所示:
输入:
data —— 一组观测数据
model —— 适应于数据的模型
n —— 适用于模型的最少数据个数
k —— 算法的迭代次数
t —— 用于决定数据是否适应于模型的阀值
d —— 判定模型是否适用于数据集的数据数目
输出:
best_model —— 跟数据最匹配的模型参数(如果没有找到好的模型,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
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
增加迭代次数
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。
四、参数
我们不得不根据特定的问题和数据集通过实验来确定参数t和d。然而参数k(迭代次数)可以从理论结果推断。当我们从估计模型参数时,用p表示一些迭代过程中从数据集内随机选取出的点均为局内点的概率;此时,结果模型很可能有用,因此p也表征了算法产生有用结果的概率。用w表示每次从数据集中选取一个局内点的概率,如下式所示:
w = 局内点的数目 / 数据集的数目
通常情况下,我们事先并不知道w的值,但是可以给出一些鲁棒的值。假设估计模型需要选定n个点,wn是所有n个点均为局内点的概率;1 − wn是n个点中至少有一个点为局外点的概率,此时表明我们从数据集中估计出了一个不好的模型。 (1 − wn)k表示算法永远都不会选择到n个点均为局内点的概率,它和1-p相同。因此,
1 − p = (1 − wn)k
我们对上式的两边取对数,得出
值得注意的是,这个结果假设n个点都是独立选择的;也就是说,某个点被选定之后,它可能会被后续的迭代过程重复选定到。这种方法通常都不合理,由此推导出的k值被看作是选取不重复点的上限。例如,要从上图中的数据集寻找适合的直线,RANSAC算法通常在每次迭代时选取2个点,计算通过这两点的直线maybe_model,要求这两点必须唯一。
为了得到更可信的参数,标准偏差或它的乘积可以被加到k上。k的标准偏差定义为:
五、优点与缺点
RANSAC的优点是它能鲁棒的估计模型参数。例如,它能从包含大量局外点的数据集中估计出高精度的参数。RANSAC的缺点是它计算参数的迭代次数没有上限;如果设置迭代次数的上限,得到的结果可能不是最优的结果,甚至可能得到错误的结果。RANSAC只有一定的概率得到可信的模型,概率与迭代次数成正比。RANSAC的另一个缺点是它要求设置跟问题相关的阀值。
RANSAC只能从特定的数据集中估计出一个模型,如果存在两个(或多个)模型,RANSAC不能找到别的模型。
六、应用
RANSAC算法经常用于计算机视觉,例如同时求解相关问题与估计立体摄像机的基础矩阵。
七、参考文献
- Martin A. Fischler and Robert C. Bolles (June 1981). "Random Sample Consensus: A Paradigm for Model Fitting with Applications to Image Analysis and Automated Cartography". Comm. of the ACM 24: 381–395.doi:10.1145/358669.358692.
- David A. Forsyth and Jean Ponce (2003). Computer Vision, a modern approach. Prentice Hall. ISBN 0-13-085198-1.
- Richard Hartley and Andrew Zisserman (2003). Multiple View Geometry in Computer Vision (2nd ed.). Cambridge University Press.
- P.H.S. Torr and D.W. Murray (1997). "The Development and Comparison of Robust Methods for Estimating the Fundamental Matrix". International Journal of Computer Vision 24: 271–300. doi:10.1023/A:1007927408552.
- Ondrej Chum (2005). "Two-View Geometry Estimation by Random Sample and Consensus". PhD Thesis.http://cmp.felk.cvut.cz/~chum/Teze/Chum-PhD.pdf
- Sunglok Choi, Taemin Kim, and Wonpil Yu (2009). "Performance Evaluation of RANSAC Family". In Proceedings of the British Machine Vision Conference (BMVC). http://www.bmva.org/bmvc/2009/Papers/Paper355/Paper355.pdf.
八、外部链接
- RANSAC Toolbox for MATLAB. A research (and didactic) oriented toolbox to explore the RANSAC algorithm inMATLAB. It is highly configurable and contains the routines to solve a few relevant estimation problems.
- Implementation in C++ as a generic template.
- RANSAC for Dummies A simple tutorial with many examples that uses the RANSAC Toolbox for MATLAB.
- 25 Years of RANSAC Workshop
九、后话
本文在翻译的过程中参考了沈乐君的文章《随机抽样一致性算法RANSAC源程序和教程》。Ziv Yaniv已经用C++实现了RANSAC,您可以点击这里下载源程序。
不过,如果时间允许的话,我打算自己动手用C#去实现RANSAC算法,原因有两个:
(1)熟悉算法的最佳途径是自己去实现它;
(2)方便使用.net的同志们利用RANSAC。
感谢您耐心看完我的蹩脚翻译,希望对您有所帮助。
RANSAC C++ examples
Fri, 08/06/2010 - 17:11 — jlblanco
1. RANSAC algorithm
MRPT comprises a generic C++ implementation of this robust model fit algorithm.
For a theoretical description of the algorithm, refer to this Wikipedia article and the cites herein.
See also the excellent MATLAB toolkit by Kovesi, on which MRPT's implementation is strongly based.
Note: In MRPT 0.9.4 a new RANSAC implementation was introduced which can be used to fit a model using both RANSAC and a simple genetic-like modification of RANSAC. Refer to the template class mrpt::math::ModelSearch.
2. C++ Examples
A few sample applications of RANSAC are provided with MRPT. The generic implementation can be found in the class mrpt::math::RANSAC_template, whose main method is:
01 |
static bool mrpt::math::RANSAC_Template< NUMTYPE >::execute ( |
02 |
const CMatrixTemplateNumeric< NUMTYPE > & data, |
03 |
TRansacFitFunctor fit_func, |
04 |
TRansacDistanceFunctor dist_func, |
05 |
TRansacDegenerateFunctor degen_func, |
06 |
const double distanceThreshold, |
07 |
const unsigned int minimumSizeSamplesToFit, |
08 |
mrpt::vector_size_t & out_best_inliers, |
09 |
CMatrixTemplateNumeric< NUMTYPE > & out_best_model, |
11 |
const double prob_good_sample = 0.999, |
12 |
const size_t maxIter = 2000 |
For the complete documentation of this class, please see mrpt::math::RANSAC_Template<>.
A complete example of how to use this templatized version can be found in: http://mrpt.googlecode.com/svn/trunk/samples/ransac-demo-plane3D/
There exist as well other application-specific methods (like the N-planes detector), which instantiate the generic template to offer a more user-friendly interface for each specific problem. See mrpt::math::ransac_detect_3D_planes and the "RANSAC detectors" module, part of the library mrpt-base.
2.1 Fit a 3D plane
The source for this example can be found in: http://mrpt.googlecode.com/svn/trunk/samples/ransac-demo-plane3D
This is the resulting fit plane. Average execution time for 300 inliers and 100 outliers is 0.5 milliseconds on a Pentium M @ 2.0Ghz.
2.2 Fit a number of 3D planes
The source for this example can be found in http://mrpt.googlecode.com/svn/trunk/samples/ransac-demo-applications.
The method tries to identify an unknown number of planes in a point cloud, given a threshold for considering a point as an inlier and a minimum number of inliers to consider a plane hypothesis as valid. Average execution time for 3 planes x 300 inliers and 300 outliers is 60ms on a Pentium M @ 2.0Ghz.
2.3 Fit a number of 2D lines
The source for this example can be found in http://mrpt.googlecode.com/svn/trunk/samples/ransac-demo-applications.
These are the resulting fit lines.
2.4. Data association with RANSAC
See: Example:ransac-data-association.
Applications[edit]
The RANSAC algorithm is often used in computer vision, e.g., to simultaneously solve the correspondence problem and estimate the fundamental matrixrelated to a pair of stereo cameras.
我的数学之美(一)——RANSAC算法详解
算法 C C++ C# J#
给定两个点p1与p2的坐标,确定这两点所构成的直线,要求对于输入的任意点p3,都可以判断它是否在该直线上。初中解析几何知识告诉我们,判断一个点在直线上,只需其与直线上任意两点点斜率都相同即可。实际操作当中,往往会先根据已知的两点算出直线的表达式(点斜式、截距式等等),然后通过向量计算即可方便地判断p3是否在该直线上。
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%的数据时符合模型的)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。
整个过程可参考下图:
关于算法的源代码,Ziv Yaniv曾经写一个不错的C++版本,我在关键处增补了注释:
- #include <math.h>
- #include "LineParamEstimator.h"
-
- LineParamEstimator::LineParamEstimator(double delta) : m_deltaSquared(delta*delta) {}
-
-
-
-
-
-
- void LineParamEstimator::estimate(std::vector<Point2D *> &data,
- std::vector<double> ¶meters)
- {
- parameters.clear();
- if(data.size()<2)
- return;
- double nx = data[1]->y - data[0]->y;
- double ny = data[0]->x - data[1]->x;
- double norm = sqrt(nx*nx + ny*ny);
-
- parameters.push_back(nx/norm);
- parameters.push_back(ny/norm);
- parameters.push_back(data[0]->x);
- parameters.push_back(data[0]->y);
- }
-
-
-
-
-
- void LineParamEstimator::leastSquaresEstimate(std::vector<Point2D *> &data,
- std::vector<double> ¶meters)
- {
- double meanX, meanY, nx, ny, norm;
- double covMat11, covMat12, covMat21, covMat22;
- int i, dataSize = data.size();
-
- parameters.clear();
- if(data.size()<2)
- return;
-
- meanX = meanY = 0.0;
- covMat11 = covMat12 = covMat21 = covMat22 = 0;
- for(i=0; i<dataSize; i++) {
- meanX +=data[i]->x;
- meanY +=data[i]->y;
-
- covMat11 +=data[i]->x * data[i]->x;
- covMat12 +=data[i]->x * data[i]->y;
- covMat22 +=data[i]->y * data[i]->y;
- }
-
- meanX/=dataSize;
- meanY/=dataSize;
-
- covMat11 -= dataSize*meanX*meanX;
- covMat12 -= dataSize*meanX*meanY;
- covMat22 -= dataSize*meanY*meanY;
- covMat21 = covMat12;
-
- if(covMat11<1e-12) {
- nx = 1.0;
- ny = 0.0;
- }
- else {
-
-
- double lamda1 = (covMat11 + covMat22 + sqrt((covMat11-covMat22)*(covMat11-covMat22) + 4*covMat12*covMat12)) / 2.0;
- nx = -covMat12;
- ny = lamda1 - covMat22;
- norm = sqrt(nx*nx + ny*ny);
- nx/=norm;
- ny/=norm;
- }
- parameters.push_back(nx);
- parameters.push_back(ny);
- parameters.push_back(meanX);
- parameters.push_back(meanY);
- }
-
-
-
-
-
-
-
- bool LineParamEstimator::agree(std::vector<double> ¶meters, Point2D &data)
- {
- double signedDistance = parameters[0]*(data.x-parameters[2]) + parameters[1]*(data.y-parameters[3]);
- return ((signedDistance*signedDistance) < m_deltaSquared);
- }
RANSAC寻找匹配的代码如下:
-
- template<class T, class S>
- double Ransac<T,S>::compute(std::vector<S> ¶meters,
- ParameterEsitmator<T,S> *paramEstimator ,
- std::vector<T> &data,
- int numForEstimate)
- {
- std::vector<T *> leastSquaresEstimateData;
- int numDataObjects = data.size();
- int numVotesForBest = -1;
- int *arr = new int[numForEstimate];
- short *curVotes = new short[numDataObjects];
- short *bestVotes = new short[numDataObjects];
-
-
-
- if(numDataObjects < numForEstimate)
- return 0;
-
- computeAllChoices(paramEstimator,data,numForEstimate,
- bestVotes, curVotes, numVotesForBest, 0, data.size(), numForEstimate, 0, arr);
-
-
- for(int j=0; j<numDataObjects; j++) {
- if(bestVotes[j])
- leastSquaresEstimateData.push_back(&(data[j]));
- }
-
- paramEstimator->leastSquaresEstimate(leastSquaresEstimateData,parameters);
-
- delete [] arr;
- delete [] bestVotes;
- delete [] curVotes;
-
- return (double)leastSquaresEstimateData.size()/(double)numDataObjects;
- }
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。优于镜头的限制,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。可参考下图:
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:
References[edit]
- Martin A. Fischler and Robert C. Bolles (June 1981). "Random Sample Consensus: A Paradigm for Model Fitting with Applications to Image Analysis and Automated Cartography". Comm. of the ACM 24 (6): 381–395. doi:10.1145/358669.358692.
- David A. Forsyth and Jean Ponce (2003). Computer Vision, a modern approach. Prentice Hall. ISBN 0-13-085198-1.
- Richard Hartley and Andrew Zisserman (2003). Multiple View Geometry in Computer Vision (2nd ed.). Cambridge University Press.
- P.H.S. Torr and D.W. Murray (1997). "The Development and Comparison of Robust Methods for Estimating the Fundamental Matrix". International Journal of Computer Vision 24 (3): 271–300. doi:10.1023/A:1007927408552.
- Ondrej Chum (2005). "Two-View Geometry Estimation by Random Sample and Consensus". PhD Thesis
- Sunglok Choi, Taemin Kim, and Wonpil Yu (2009). "Performance Evaluation of RANSAC Family". In Proceedings of the British Machine Vision Conference (BMVC).
External links[edit]
- RANSAC Toolbox for MATLAB. A research (and didactic) oriented toolbox to explore the RANSAC algorithm in MATLAB. It is highly configurable and contains the routines to solve a few relevant estimation problems.
- Implementation in C++ as a generic template.
- RANSAC for Dummies A simple tutorial with many examples that uses the RANSAC Toolbox for MATLAB.
- 25 Years of RANSAC Workshop
- Source code for RANSAC in MATLAB
- Ransac.js Javascript implementation with visual representation of the iterations (Example of 2D Line fitting).
- ransac.py Python implementation for Scipy/Numpy.