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[研讨] Lisp通用最小二乘法

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发表于 2014-3-12 22:22:36 | 显示全部楼层 |阅读模式

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通用最小二乘法在代码和原理上相对比较简单,麻烦的是每次应用都得把高次元参数转换成低次参数,这里写出我的写法和大家探讨,希望能有更多的意见一起完善它。

  1. (defun solve-odeq  (arg_mat res_vector / mat)
  2.   ;; Universal least squares method
  3.   ;; arg_mat    -- Parameters Matrix of Overdetermined Equations
  4.   ;; res_vector -- Right term of Overdetermined Equations
  5.   ;; by GSLS(SS) 2013.11.22
  6.   (setq mat ([*] ([trp] arg_mat) arg_mat)
  7. mat ([inv] mat))
  8.   (mxv ([*] mat ([trp] arg_mat)) res_vector))
用到的函数

  1. ;; Use function ---------------------------------------------
  2. ;; DotProduct
  3. (defun vxv (v1 v2) (apply (function +) (mapcar (function *) v1 v2)))
  4. ;; Matrix Vector Multiply
  5. (defun mxv (m v) (mapcar (function (lambda (r) (vxv r v))) m))
  6. ;; Transpose matrix
  7. (defun [trp] (a) (apply (function mapcar) (cons (function list) a)))
  8. ;; Matrix is multiplied by a matrix
  9. (defun [*] (m q) (mapcar (function (lambda (r) (mxv ([trp] q) r))) m))
  10. ;; To get Unit diagonal matrix
  11. (defun [I]  (d / i r n m)
  12.   (setq i d)
  13.   (while (<= 0 (setq i (1- i)))
  14.     (setq n d
  15.    r nil)
  16.     (while (<= 0 (setq n (1- n)))
  17.       (setq r (cons (if (= i n)
  18.         1.0
  19.         0.0)
  20.       r)))
  21.     (setq m (cons r m))))
  22. ;;; gile-inverse-matrix (gile) 2009/03/17
  23. ;; uses the gauss-jordan elimination method to calculate the inverse matrix of any dimension square matrix
  24. ;; argument : a square matrix
  25. ;; return : the inverse matrix (or nil if singular)
  26. ;; ([inv] '((1 2 3) (2 4 5) (3 5 6)));_([inv] '((2 1) (5 3)))
  27. (defun [inv]  (mat / col piv row res)
  28.   (setq mat (mapcar (function (lambda (x1 x2)
  29.     (append x1 x2)))
  30.       mat
  31.       ([I] (length mat))))
  32.   (while mat
  33.     (setq col (mapcar (function (lambda (x) (abs (car x)))) mat))
  34.     (repeat (vl-position (apply (function max) col) col)
  35.       (setq mat (append (cdr mat) (list (car mat)))))
  36.     (if (equal (setq piv (caar mat)) 0.0 1e-14)
  37.       (setq mat nil
  38.      res nil)
  39.       (setq piv (/ 1.0 (caar mat))
  40.      row (mapcar (function (lambda (x) (* x piv))) (car mat))
  41.      mat (mapcar (function
  42.      (lambda (r / e)
  43.        (setq e (car r))
  44.        (cdr (mapcar (function (lambda (x n)
  45.            (- x (* n e))))
  46.       r
  47.       row))))
  48.    (cdr mat))
  49.      res (cons (cdr row)
  50.         (mapcar
  51.    (function
  52.      (lambda (r / e)
  53.        (setq e (car r))
  54.        (cdr (mapcar (function (lambda (x n)
  55.            (- x (* n e))))
  56.       r
  57.       row))))
  58.    res)))))
  59.   (reverse res))
应用举例,最小二乘法拟合椭圆

  1. ;;;-------------------------------------------------------------
  2. (defun LS-Pts->Ellipse (lst  /    n arg_mat   res_vec   a  b
  3.     c    d    e f    res  xc   yc   aa  bb
  4.     ang  co   si co2  si2)
  5.   ;; by GSLS(SS)
  6.   ;; Pointset return Ellipse by Least Square method
  7.   ;; 2014-01-02
  8.   (if (> (setq n (length lst)) 4)
  9.     (progn
  10.       (mapcar (function (lambda (p / x y)
  11.      (setq x (car p)
  12.     y (cadr p))
  13.      (setq arg_mat (cons (list (* x y) (* y y) x y 1.)
  14.            arg_mat)
  15.     res_vec (cons (* -1. x x) res_vec))))
  16.        lst)
  17.       (setq res (solve-odeq arg_mat res_vec))
  18.       (mapcar (function set) (quote (a b c d e f)) (cons 1. res))
  19.       (if (= a c)
  20. (setq ang _pi2)
  21. (setq ang (* 0.5 (atan (/ b (- a c))))))
  22.       (if (and (/= f 0) (/= (setq delt (- (* 4. c) (* b b))) 0))
  23. (progn
  24.    (setq xc  (/ (- (* b e) (* 2. c d)) delt)
  25.   yc  (/ (- (* b d) (* 2. e)) delt)
  26.   co  (cos ang)
  27.   si  (sin ang)
  28.   co2 (* co co)
  29.   si2 (* si si)
  30.   bb  (sqrt
  31.         (abs (/ (- (* (- (* f co2)
  32.            (* (+ (* xc xc)
  33.           (* b xc yc)
  34.           (* c yc yc))
  35.        co2))
  36.         (- (* 2 xc si2)
  37.            (* 2 yc co si)
  38.            (* (+ xc xc (* b yc)) si2)))
  39.      (* (- (* f si2)
  40.            (* (+ (* xc xc)
  41.           (* b xc yc)
  42.           (* c yc yc))
  43.        si2))
  44.         (- (* 2 xc co2)
  45.            (* -2 yc co si)
  46.            (* (+ xc xc (* b yc)) co2))))
  47.          (+ (* 2 xc co2)
  48.      (* 2 yc co si)
  49.      (- (* (+ xc xc (* b yc)) co2))))))
  50.   aa  (*
  51.         (sqrt
  52.    (abs (- (/ (+ (* 2 xc co2)
  53.           (* 2 yc co si)
  54.           (* -1 (+ xc xc (* b yc)) co2))
  55.        (- (* 2 xc si2)
  56.           (* 2 yc co si)
  57.           (* (+ xc xc (* b yc)) si2))))))
  58.         bb)
  59.   )
  60.    (list (list xc yc) (polar (list 0 0) ang aa) (/ bb aa)))))
  61.     ))
  62. ;;;-------------------------------------------------------------
  63. ;; E.G.
  64. ;; For Ellipse
  65. (defun c:test  (/ l r p10 a b p11 d40)
  66.   (prompt
  67.     "\nFit Ellipse though Least-square method , the points you selected must be at least 5 !!!")
  68.   (setq l (mapcar (function (lambda (x) (cdr (assoc 10 (entget x)))))
  69.     (vl-remove-if-not
  70.       (function (lambda (x) (eq (type x) 'ENAME)))
  71.       (mapcar 'cadr (ssnamex (ssget '((0 . "POINT")))))))
  72. l (mapcar (function (lambda (p)
  73.          (trans p 0 1 t)))
  74.     l))
  75.   (if (and (> (length l) 4) (setq r (LS-Pts->Ellipse l)))
  76.     (progn
  77.       (setq p10 (car r)
  78.      p11 (cadr r)
  79.      d40 (caddr r))
  80.       (entmake
  81. (append
  82.    '(
  83.      (000 . "ELLIPSE")
  84.      (100 . "AcDbEntity")
  85.      (100 . "AcDbEllipse"))
  86.    (list (cons 10 (trans p10 1 0 t))
  87.   (cons 11 (trans p11 1 0))
  88.   (cons 40 d40))
  89.    (list (cons 210 (trans '(0.0 0.0 1.0) 1 0 t)))))))
  90.   (princ)
  91.   )
Ellipsem-Least-Square.png
最小二乘法拟合圆

  1. (defun LS-Pts->Circle  (lst   nchsep   / arg_mat     res_vec
  2.    ps    pe    xs   ys xe    ye    xc   yc
  3.    a     b     c   d res)
  4.   ;; Function:
  5.   ;; Pointset return Circle by Least Square method
  6.   ;; args :
  7.   ;;     lst --  Pointset , > 3 points
  8.   ;;     nchsep -- Is Not change the start and end point ? T or Nil
  9.   ;; by GSLS(SS)
  10.   ;; 2013-11-16
  11.   ;; 2014-01-01 Edited , Add constant the startpoint and endpoint mode .
  12.   (if (> (length lst) 2)
  13.     (if nchsep
  14.       (progn
  15. (setq ps (car lst)
  16.        xs (car ps)
  17.        ys (cadr ps)
  18.        pe (last lst)
  19.        xe (car pe)
  20.        ye (cadr pe))
  21. (mapcar (function (lambda (p / x y)
  22.        (setq x (car p)
  23.       y (cadr p))
  24.        (setq arg_mat (cons (list (- (+ x x) xs xe)
  25.             (- (+ y y) ys ye))
  26.       arg_mat)
  27.       res_vec (cons
  28.          (- (+ (* x x) (* y y))
  29.             (/2 (+ (* xs xs)
  30.             (* ys ys)
  31.             (* xe xe)
  32.             (* ye ye))))
  33.          res_vec))))
  34.   (butlast (cdr lst)))
  35. (setq res (solve-odeq arg_mat res_vec))
  36. (if (and (cadr res)
  37.    (setq xc (car res)
  38.     yc (cadr res))
  39.    (setq d (/2 (+ (distance (list xc yc) ps)
  40.       (distance (list xc yc) pe))))
  41.    (setq c
  42.      (car
  43.        (vl-sort
  44.          (c_int_c ps d pe d)
  45.          (function (lambda (a b)
  46.        (< (distance a (list xc yc))
  47.           (distance b (list xc yc)))))))))
  48.    (list c d)))
  49.       (progn
  50. (mapcar (function (lambda (p / x y)
  51.        (setq x (car p)
  52.       y (cadr p))
  53.        (setq arg_mat (cons (list x y 1.) arg_mat)
  54.       res_vec (cons (/2 (+ (* x x) (* y y))) res_vec))))
  55.   lst)
  56. (setq res (solve-odeq arg_mat res_vec))
  57. (if (and (setq c (caddr res))
  58.    (setq a (car res)
  59.          b (cadr res))
  60.    (> (setq d (+ (* a a) (* b b) c c)) 0))
  61.    (list (list a b) (sqrt d)))))))
  62. ;; For Circle
  63. (defun c:Test  (/ l r p10 d40)
  64.   (prompt "\nFit Circle though Least-square method , the points you selected must be at least 3 !!!")
  65.   (setq l (mapcar (function (lambda (x) (cdr (assoc 10 (entget x)))))
  66.     (vl-remove-if-not
  67.       (function (lambda (x) (eq (type x) 'ENAME)))
  68.       (mapcar 'cadr (ssnamex (ssget '((0 . "POINT")))))))
  69. l (mapcar (function (lambda (p)
  70.          (trans p 0 1 t)))
  71.     l))
  72.   (if (and (> (length l) 2)(setq r (LS-Pts->Circle l nil)))   
  73.     (progn
  74.       (setq p10 (car r)      
  75.      d40 (cadr r))
  76.       (entmakex
  77. (list (cons 0 "CIRCLE")
  78.        (cons 10 (trans p10 1 0 t))
  79.        (cons 40 d40)
  80.        (cons 210 (trans (quote(0.0 0.0 1.0)) 1 0 t))))
  81.   ))  
  82.   (princ)
  83.   )
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发表于 2014-3-13 09:42:48 | 显示全部楼层
长老很good,搞些基础研究,赞!!!
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发表于 2014-3-13 18:13:49 | 显示全部楼层
相当不错的数学基础。
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发表于 2017-2-24 15:12:52 | 显示全部楼层
拟合圆的方程中 lst 是点列表,那么  nchsep 是什么? 水平有限,请指点
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