非线性最小二乘问题求解方法详解:视觉SLAM与三维重建应用

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《非线性最小二乘问题方法》是一本介绍求解数值优化中非线性最小二乘问题的经典教材,出版于2004年4月,作者包括K.Madsen、H.B.Nielsen和O.Tingleff,由丹麦技术大学的Informatics and Mathematical Modelling部门编写。该书主要针对视觉SLAM(同时定位与映射)和三维重建等领域的广泛应用,探讨了多种有效的求解策略。 书中首先定义了最优化的基本概念,即第1章中的“最小化问题”。最小二乘问题的核心是要找到一个向量x*,使得函数F(x),定义为所有fi(x)(i=1,2,...,m,其中m至少等于n)的平方和的一半,达到最小值。例如,数据拟合是这类问题的重要来源,如图1.1所示的数据点集合{(ti, yi)}。 在第2章“下降法”中,讲解了经典的梯度下降法,它通过沿着负梯度方向逐步逼近最小值。接着介绍了牛顿法,这是一种基于函数近似二次模型的方法,通过迭代更新来更精确地接近最小值。接下来讨论了线搜索策略,以确定在每次迭代中最佳的步长,确保收敛到最优解。 第三章深入探讨了非线性最小二平方问题的特定解决技术。首先是高斯-牛顿法,利用函数的局部线性化来简化问题。其次是Levenberg-Marquardt方法,这是一种结合了高斯-牛顿和梯度法优点的混合方法,通过调整参数动态调整步长。Powell's Dog Leg Method则是一种采用折线搜索的算法,提供更灵活的步长选择。书中还介绍了L-M方法的正切版本和Dog Leg方法的正切版本,这些变体在某些情况下能提高算法效率。 最后,第3.7节给出了总结性的讨论,可能包括算法的适用范围、优点和局限性,以及如何根据具体问题选择合适的方法。附录提供了补充的理论和技术细节,而参考文献列出了进一步研究的基础文献。索引部分便于读者查找特定概念或方法。 这本书详细阐述了非线性最小二乘问题求解的理论基础和实践技巧,对于从事计算机视觉、机器人学、信号处理等相关领域的研究人员和工程师具有很高的实用价值。通过学习本书,读者可以掌握从基本的梯度下降到高级的混合方法,如何在实际问题中有效应用这些技术。