Ceres Learning

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0 参考资料

（1）Ceres Solver

（2）Ceres-Solver学习笔记(1)

（3）Ceres-Solver学习笔记(2)

（4）Ceres-Solver学习笔记(3)

（5）Ceres-Solver学习笔记(4)

（6）Ceres-Solver学习笔记(5)

（7）Ceres-Solver学习笔记(6)

（8）Ceres-Solver学习笔记(7)

（9）Ceres-Solver学习笔记(8)

（10）Ceres-Solver学习笔记(9)

1 练练手

1.1 非约束最优化问题

$${\arg \min}_{x} f(x)=\frac{1}{2}(10-x)^{2}\tag{1}$$

步骤

​ （1）编写CostFunction结构体。必须重载运算符()，必须使用模板类型，所有输入参数和输出参数都使用模板类型。

​ （2）构造一个求解非线性最小二乘法的Problem来进行未知数求解。

1.2 曲线拟合

（1）魏尔斯特拉斯函数(Weierstrass function)

$$f(x)=\sum_{n=0}^{N}a^{n}cos(b^{n} \pi x)\tag{2}$$

​ 其中$0<a<1$，$b$为正奇数，且满足$ab>1+\frac{3}{2} \pi$

（2）Weierstrass图像绘制

（3）步骤

​ （3.1）构造数据。设置参数$a=0.3, b=7, n=200$ 。

​ （3.2）编写CostFunction结构体。

​ （3.3）构造一个求解非线性最小二乘法的Problem来进行未知数求解。

（4）总结

​ （4.1）利用ceres无法对非线性函数进行曲线拟合，如魏尔斯特拉斯函数。原因包括两点：函数无法进行微分求解和初始点难以选取。

​ （4.2）此处改为ceres对$y=e^{ax^{2}+b}$函数进行曲线拟合，其中 $a=0.3, b=0.1$ 。该函数图如下所示：

​ （4.3）可以采用三种方法对问题进行求解，即：在进行Problem构建时，采用AutoDiffCostFunction或NumericDiffCostFunction进行数值微分求解；当无法使用模板来创建costfunctor时，继承SizedCostFunction类来实现Problem。

1.3 单像空间后方交会问题

（1）共线方程

$$\begin{equation} \begin{split} \left{ \begin{array}{} x-x_{0}=- f\frac{a_{1}(X-X_{s})+b_{1}(Y-Y_{s})+c_{1}(Z-Z_{s})}{a_{3}(X-X_{s})+b_{3}(Y-Y_{s})+c_{3}(Z-Z_{s})}, & \ y-y_{0}=-f \frac{a_{2}(X-X_{s})+b_{2}(Y-Y_{s})+c_{2}(Z-Z_{s})}{a_{3}(X-X_{s})+b_{3}(Y-Y_{s})+c_{3}(Z-Z_{s})} \end{array} \right. \end{split}\tag{3} \end{equation}$$

​ 其中$x_{0}, y_{0}, f$已知，$abc$为旋转矩阵，可以利用$\phi, \omega, \kappa$表示如下：

$$\begin{equation} \begin{split} \left{ \begin{array}{} a_{1}=cos\phi cos\kappa -sin\phi sin\omega sin\kappa, & \ a_{2}=-cos\phi sin\kappa -sin\phi sin\omega cos\kappa, & \ a_{3}=-sin\phi cos\omega, & \ b_{1}=cos\omega sin\kappa, & \ b_{2}=cos\omega cos\kappa, & \ b_{3}=-sin\omega, & \ c_{1}=sin\phi cos\kappa +cos\phi sin\omega sin\kappa, & \c_{2}=-sin\phi sin\kappa +cos\phi sin\omega cos\kappa, & \ c_{3}=cos\phi cos\omega \end{array} \right. \end{split}\tag{4} \end{equation}$$

（2）步骤

​ （2.1）读入数据，格式为$(x, y, X, Y, Z)$ 。前2维像素坐标—单位$mm$ ，后三维代像坐标—单位$m$ 。

​ （2.2）编写CostFunction结构体。

​ （2.3）构造一个求解非线性最小二乘法的Problem来进行未知数求解。

（3）运行结果

1.4 Powell's Quartic Function

（1）数学表达式

$$f(X)=\left(x_1+10x_2\right)^2+5\left(x_3-x_4\right)^2+\left(x_2-2x_3\right)^4+10\left(x_1-x_4\right)^4\tag{5}$$

​ 其中：

​ $\bullet -10\leq x_i\leq 10, i=1,2,3,4$

​ $\bullet f_{min}(X^*)=0$

​ $\bullet x^*_i=0$

（2）Powell's Quartic Function分解

$$\begin{equation} \begin{split} f_{1}(x)&=x_{1}+10x_{2} \ f_{2}(x)&=\sqrt{5}(x_{3}-x_{4}) \ f_{3}(x)&=(x_{2}-2x_{3})^{2} \ f_{4}(x)&=\sqrt{10}(x_{1}-x_{4})^{2} \ F(x)&=[f_{1}(x), f_{2}(x), f_{3}(x), f_{4}(x)] \end{split} \end{equation}\tag{6}$$

（3）最优化问题数学描述

$${\arg \min}_{x} \frac{1}{2} |F(x)|^{2}\tag{7}$$

（4）步骤

​ （4.1）编写CostFunction结构体。

​ （4.2）构造一个求解非线性最小二乘法的Problem来进行未知数求解。

（5）运行结果

1.5 Bundle Adjustment

（1）BA数据集

​ Bundle Adjustment in the Large

​ 备注：此处使用Ladybug Dataset：problem-49-7776-pre.txt.bz2

（2）BA问题

​ ceres solver学习之bundle adjustment

（3）步骤

​ （3.1）读取problem-49-7776-pre.txt.bz2数据。

​ （3.2）编写CostFunction结构体。

​ （3.3）构造一个求解非线性最小二乘法的Problem来进行未知数求解。

（4）运行结果