基于直接最小二乘的椭圆拟合(Direct Least Squares Fitting of Ellipses)
算法思想:
算法通过最小化约束条件4ac-b^2 = 1,最小化距离误差。利用最小二乘法进行求解,首先引入拉格朗日乘子算法获得等式组,然后求解等式组得到最优的拟合椭圆。
算法的优点:
a、椭圆的特异性,在任何噪声或者遮挡的情况下都会给出一个有用的结果;
b、不变性,对数据的Euclidean变换具有不变性,即数据进行一系列的Euclidean变换也不会导致拟合结果的不同;
c、对噪声具有很高的鲁棒性;
d、计算高效性。
算法原理:
代码实现(Matlab):
%
function a = fitellipse(X,Y) % FITELLIPSE Least-squares fit of ellipse to 2D points.
% A = FITELLIPSE(X,Y) returns the parameters of the best-fit
% ellipse to 2D points (X,Y).
% The returned vector A contains the center, radii, and orientation
% of the ellipse, stored as (Cx, Cy, Rx, Ry, theta_radians)
%
% Authors: Andrew Fitzgibbon, Maurizio Pilu, Bob Fisher
% Reference: "Direct Least Squares Fitting of Ellipses", IEEE T-PAMI,
%
% @Article{Fitzgibbon99,
% author = "Fitzgibbon, A.~W.and Pilu, M. and Fisher, R.~B.",
% title = "Direct least-squares fitting of ellipses",
% journal = pami,
% year = 1999,
% volume = 21,
% number = 5,
% month = may,
% pages = "476--480"
% }
%
% This is a more bulletproof version than that in the paper, incorporating
% scaling to reduce roundoff error, correction of behaviour when the input
% data are on a perfect hyperbola, and returns the geometric parameters
% of the ellipse, rather than the coefficients of the quadratic form.
%
% Example: Run fitellipse without any arguments to get a demo
if nargin ==
% Create an ellipse
t = linspace(,); Rx = ;
Ry = ;
Cx = ;
Cy = ;
Rotation = .; % Radians NoiseLevel = .; % Will add Gaussian noise of this std.dev. to points x = Rx * cos(t);
y = Ry * sin(t);
nx = x*cos(Rotation)-y*sin(Rotation) + Cx + randn(size(t))*NoiseLevel;
ny = x*sin(Rotation)+y*cos(Rotation) + Cy + randn(size(t))*NoiseLevel; % Clear figure
clf
% Draw it
plot(nx,ny,'o');
% Show the window
figure(gcf)
% Fit it
params = fitellipse(nx,ny);
% Note it may return (Rotation - pi/) and swapped radii, this is fine.
Given = round([Cx Cy Rx Ry Rotation*])
Returned = round(params.*[ ]) % Draw the returned ellipse
t = linspace(,pi*);
x = params() * cos(t);
y = params() * sin(t);
nx = x*cos(params())-y*sin(params()) + params();
ny = x*sin(params())+y*cos(params()) + params();
hold on
plot(nx,ny,'r-') return
end % normalize data
mx = mean(X);
my = mean(Y);
sx = (max(X)-min(X))/;
sy = (max(Y)-min(Y))/; x = (X-mx)/sx;
y = (Y-my)/sy; % Force to column vectors
x = x(:);
y = y(:); % Build design matrix
D = [ x.*x x.*y y.*y x y ones(size(x)) ]; % Build scatter matrix
S = D'*D; % Build 6x6 constraint matrix
C(,) = ; C(,) = -; C(,) = ; C(,) = -; % Solve eigensystem
if
% Old way, numerically unstable if not implemented in matlab
[gevec, geval] = eig(S,C); % Find the negative eigenvalue
I = find(real(diag(geval)) < 1e-8 & ~isinf(diag(geval))); % Extract eigenvector corresponding to negative eigenvalue
A = real(gevec(:,I));
else
% New way, numerically stabler in C [gevec, geval] = eig(S,C); % Break into blocks
tmpA = S(:,:);
tmpB = S(:,:);
tmpC = S(:,:);
tmpD = C(:,:);
tmpE = inv(tmpC)*tmpB';
[evec_x, eval_x] = eig(inv(tmpD) * (tmpA - tmpB*tmpE)); % Find the positive (as det(tmpD) < ) eigenvalue
I = find(real(diag(eval_x)) < 1e-8 & ~isinf(diag(eval_x))); % Extract eigenvector corresponding to negative eigenvalue
A = real(evec_x(:,I)); % Recover the bottom half...
evec_y = -tmpE * A;
A = [A; evec_y];
end % unnormalize
par = [
A()*sy*sy, ...
A()*sx*sy, ...
A()*sx*sx, ...
-*A()*sy*sy*mx - A()*sx*sy*my + A()*sx*sy*sy, ...
-A()*sx*sy*mx - *A()*sx*sx*my + A()*sx*sx*sy, ...
A()*sy*sy*mx*mx + A()*sx*sy*mx*my + A()*sx*sx*my*my ...
- A()*sx*sy*sy*mx - A()*sx*sx*sy*my ...
+ A()*sx*sx*sy*sy ...
]'; % Convert to geometric radii, and centers thetarad = 0.5*atan2(par(),par() - par());
cost = cos(thetarad);
sint = sin(thetarad);
sin_squared = sint.*sint;
cos_squared = cost.*cost;
cos_sin = sint .* cost; Ao = par();
Au = par() .* cost + par() .* sint;
Av = - par() .* sint + par() .* cost;
Auu = par() .* cos_squared + par() .* sin_squared + par() .* cos_sin;
Avv = par() .* sin_squared + par() .* cos_squared - par() .* cos_sin; % ROTATED = [Ao Au Av Auu Avv] tuCentre = - Au./(.*Auu);
tvCentre = - Av./(.*Avv);
wCentre = Ao - Auu.*tuCentre.*tuCentre - Avv.*tvCentre.*tvCentre; uCentre = tuCentre .* cost - tvCentre .* sint;
vCentre = tuCentre .* sint + tvCentre .* cost; Ru = -wCentre./Auu;
Rv = -wCentre./Avv; Ru = sqrt(abs(Ru)).*sign(Ru);
Rv = sqrt(abs(Rv)).*sign(Rv); a = [uCentre, vCentre, Ru, Rv, thetarad];
实验效果:
a、同等噪声条件下,不同长度的样本点,导致的拟合结果,如下所示:
b、相同长度的样本点下,不同噪声的样本点,导致的拟合结果,如下所示:
c、少样本点下,拟合结果如下:
源码下载:
地址: FitEllipse
参考文献:
[1]. Andrew W. Fitzgibbon, Maurizio Pilu and Robert B. Fisher. Direct Least Squares Fitting of Ellipses. 1996.
[2]. http://research.microsoft.com/en-us/um/people/awf/ellipse/
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