如何解决超定线性系统X * A = B?

如何解决如何解决超定线性系统X * A = B?

如何求解超定线性系统X * A = B,给出了A,B,我需要找到X

对于平方矩阵(https://stackoverflow.com/a/18848074/1179925)来说,解决方案似乎很简单:

X * A = B
M * A * Inv(A) = B * Inv(A)
M = B * Inv(A)

但是如何处理非平方矩阵?

示例代码:

def to_homogeneous(_pts):
    n = _pts.shape[0]
    _pts = _pts.transpose()
    pts = np.ones((3,n),np.float32)
    pts[:2,:] = _pts
    return pts

def get_random_affine_matrix():
    src_tri = np.random.rand(3,2) * np.random.randint(1,10)
    src_tri = src_tri.astype(np.float32)
    src_tri = to_homogeneous(src_tri)
    
    dst_tri = np.random.rand(3,10)
    dst_tri = dst_tri.astype(np.float32)
    dst_tri = to_homogeneous(dst_tri)
    
    m = dst_tri @ np.linalg.inv(src_tri)
    
    print('-'*60)
    print('src_tri.shape',src_tri.shape)
    print('src_tri:')
    print(src_tri)

    print('-'*60)
    print('dst_tri.shape',dst_tri.shape)
    print('dst_tri:')
    print(dst_tri)

    print('-'*60)
    print('m.shape',m.shape)
    print('m:')
    print(np.round(m,5))

    return m

m = get_random_affine_matrix()

src_pts = np.random.rand(4,10)
src_pts = src_pts.astype(np.float32)
src_pts = to_homogeneous(src_pts)

dst_pts = m @ src_pts

print('-'*60)
print('src_pts.shape',src_pts.shape)
print('src_pts:')
print(src_pts)

print('-'*60)
print('dst_pts.shape',dst_pts.shape)
print('dst_pts:')
print(dst_pts)

m = dst_pts @ np.linalg.inv(src_pts) # Gives LinAlgError: Last 2 dimensions of the array must be square

输出:

------------------------------------------------------------
src_tri.shape (3,3)
src_tri:
[[2.7440674 3.0138168 2.118274 ]
 [3.5759468 2.724416  3.2294705]
 [1.        1.        1.       ]]
------------------------------------------------------------
dst_tri.shape (3,3)
dst_tri:
[[0.5950692  0.5453126  1.6243374 ]
 [0.11342596 0.95533025 0.9599543 ]
 [1.         1.         1.        ]]
------------------------------------------------------------
m.shape (3,3)
m:
[[-1.42684 -0.39356  5.91778]
 [-0.68516 -1.20574  6.30521]
 [ 0.       0.       1.     ]]
------------------------------------------------------------
src_pts.shape (3,4)
src_pts:
[[8.33037    0.7841637  7.4935784  7.830109  ]
 [0.63932455 0.18196557 7.003411   8.807565  ]
 [1.         1.         1.         1.        ]]
------------------------------------------------------------
dst_pts.shape (3,4)
dst_pts:
[[-6.2199397   4.7272906  -7.5306525  -8.7208805 ]
 [-0.17327118  5.5485325  -7.2733746  -9.679293  ]
 [ 1.0000011   1.0000001   1.0000015   1.0000017 ]]

LinAlgError: Last 2 dimensions of the array must be square

解决方法

我认为最好的解决方案是使用numpy的Microsoft Cognitive Services函数:

像这样重写系统

lstsq

让我们使用

#X*A = B <=> A.T*X.T = B.T

从速度和准确性上来说,这是使用逆和伪逆的更好解决方案,除非您明确需要这些,否则我强烈建议您不要使用它们。

,

我能够使用伪逆来解决它:

# X * A = B
# X * A * A.tr() = B * A.tr()
# X = B * A.tr() * Inv(A * A.tr())

m2 = dst_pts @ src_pts.transpose() @ np.linalg.inv(src_pts @ src_pts.transpose())

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