Least Squares Orthogonal Distance Fitting Of Curves And Surfaces In Space

Least Squares Orthogonal Distance Fitting Of Curves And Surfaces In Space pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Springer-Verlag New York Inc
作者:Ahn, Sung Joon
出品人:
页数:125
译者:
出版时间:
价格:49.95
装帧:Pap
isbn号码:9783540239666
丛书系列:
图书标签:
  • Graphics
  • 曲线拟合
  • 表面拟合
  • 最小二乘法
  • 正交距离
  • 空间几何
  • 数值方法
  • 优化算法
  • 误差分析
  • 计算机图形学
  • 数据拟合
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具体描述

空间曲线与曲面最小二乘正交距离拟合 本书深入探讨了空间曲线与曲面在三维空间中的最小二乘正交距离拟合方法。在实际应用中,我们常常需要从一组观测数据点中找出最能代表其潜在几何形状的数学模型。然而,这些观测点往往伴随着测量误差,这些误差可能同时影响观测点的位置坐标,使得传统的最小二乘法,特别是基于观测变量误差的拟合方法,在处理这类问题时显得力不从心。本书聚焦于一种更为普适和鲁棒的拟合技术——正交距离拟合,其核心思想是将模型与数据点之间的“距离”定义为从数据点到模型的垂直(正交)距离,并在此基础上最小化这些距离的平方和。 核心概念与理论基础 本书首先建立严谨的理论框架,详细阐述了最小二乘正交距离拟合的基本原理。我们将从误差模型出发,解释为何正交距离拟合在误差分布未知或存在于所有坐标分量时更为优越。接着,本书将深入介绍各种常见的空间曲线和曲面模型,包括: 空间曲线模型: 参数曲线(如Bézier曲线、B-样条曲线、NURBS曲线)、隐式曲线(如圆、椭圆、抛物线、双曲线及其推广形式)。 空间曲面模型: 参数曲面(如Bézier曲面、B-样条曲面、NURBS曲面)、隐式曲面(如球面、圆柱面、锥面、平面、二次曲面及其推广形式)。 对于每种模型,我们将详细推导其在正交距离意义下的最小二乘目标函数,并探讨目标函数的形式化表达。 数值优化方法 最小二乘正交距离拟合的目标函数通常是非线性的,需要借助数值优化算法来求解。本书将系统介绍求解这类问题的各类数值方法,并分析其各自的优缺点: 迭代优化算法: Levenberg-Marquardt算法: 作为一种经典的非线性最小二乘拟合算法,我们将详细介绍其原理,并探讨其在正交距离拟合中的应用和改进。 Gauss-Newton算法: 阐述其基本思想,并分析其在处理正交距离问题时的适用性。 梯度下降法及其变种: 包括共轭梯度法、拟牛顿法(如BFGS算法)等,解释它们如何有效地收敛到目标函数的最小值。 特征值分解与奇异值分解(SVD): 在某些特定模型(如二次曲面)的拟合中,可以利用代数方法,例如通过构造特定的矩阵并进行特征值或奇异值分解来获得最优解。本书将详细介绍这些方法的数学原理和计算步骤。 优化问题的约束处理: 在某些情况下,拟合过程可能需要满足特定的几何约束。本书将介绍如何将这些约束条件融入到优化算法中,例如使用拉格朗日乘子法或内点法。 具体应用与实现 为了使读者能够更好地理解和应用这些理论,本书将结合实际的工程和科学计算问题,提供具体的应用案例和算法实现指导: 点云数据拟合: 如何从三维点云数据中提取出具有代表性的几何形状,如将点云拟合成平滑的曲面或精密的曲线。 工业设计与制造: 在CAD/CAM领域,如何精确地拟合和修复扫描获得的自由曲面,以满足制造公差要求。 计算机视觉与图形学: 在图像识别、三维重建、表面渲染等领域,如何利用正交距离拟合来提高模型精度和视觉效果。 机器人与导航: 如何通过传感器数据拟合轨迹或环境模型,为导航和路径规划提供准确的几何信息。 本书还将讨论算法的稳定性和鲁棒性,例如如何处理异常值、如何选择合适的初始猜测值、以及如何评估拟合结果的质量。同时,为了方便读者实践,本书还会提供一些伪代码和对常见编程库(如 [在此处可提及具体编程语言或库,例如C++, Python/NumPy/SciPy/OpenCV, MATLAB等,但具体名称需根据本书内容进行填写,此处仅为示意] )的应用说明。 前沿进展与未来展望 在书的最后部分,本书将简要回顾该领域的一些前沿研究成果,并对未来可能的发展方向进行展望,例如: 机器学习在拟合中的应用: 探索深度学习等方法在自动识别模型类型、优化拟合过程中的潜力。 在线与实时拟合: 针对动态场景,研究如何在数据不断涌入的情况下进行实时或近实时的拟合。 多尺度与全局拟合: 探讨如何处理大规模数据集,并在不同尺度上进行一致性的几何拟合。 本书旨在为几何计算、计算机图形学、计算机视觉、机械工程、土木工程等领域的科研人员、工程师和学生提供一个全面而深入的理论指导和实践参考。通过学习本书,读者将能够掌握最先进的空间曲线与曲面最小二乘正交距离拟合技术,并将其有效地应用于解决实际问题。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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读完这本书,我感觉我对 LODF 的理解上升到了一个新的层次,不仅仅停留在算法层面,更触及到了其背后深刻的几何和统计意义。作者在解释 LODF 的代价函数(cost function)时,不仅给出了数学表达式,还深入探讨了不同误差项的权重选择对拟合结果的影响。他甚至还讨论了如何通过贝叶斯统计的方法来引入先验知识,以改进 LODF 的拟合效果。这一点让我眼前一亮,因为我之前从未想过 LODF 可以与更高级的统计理论相结合。书中对拟合结果的置信度和显著性检验的讨论,也让我能够更科学地评估拟合的可靠性,并做出更有依据的判断。

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总而言之,这本书为我提供了一个全面而深入的 LODF 学习平台。作者的专业知识、严谨的数学推导、清晰的图示以及对实际应用的深刻理解,共同构成了一部极具价值的参考书。我从中不仅学到了 LODF 的理论和算法,更重要的是,我学会了如何将这项技术应用于解决我所面临的实际几何问题。我强烈推荐这本书给任何对曲线曲面拟合、几何测量、三维建模和数据分析感兴趣的研究人员、工程师和学生。这本书无疑将成为我在相关领域研究的宝贵财富。

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这本书在处理 LODF 的数值稳定性与鲁棒性方面,展现了作者深厚的工程功底。在实际应用中,数据往往是不完美的,充满了噪声,甚至可能存在异常值。作者并没有回避这些问题,而是深入探讨了 LODF 在面对这些挑战时可能出现的困难,例如算法的收敛性问题、对异常值的敏感性等。他详细介绍了多种提高算法鲁棒性的技术,包括基于 M-估计(M-estimators)的方法,以及如何有效地识别和剔除异常点。我尤其对书中关于如何选择合适的权重函数(weight function)来降低异常值影响的章节印象深刻。作者通过实际案例分析,清晰地展示了不同权重函数在不同噪声分布下的表现。这让我意识到,一个看似简单的算法,在实际应用中需要考虑的细节是如此之多,而作者在这方面提供了非常宝贵的经验。

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这本书的封面设计给我一种严谨而专业的印象,纯粹的白底配上深沉的蓝字,如同科学研究本身一样,不浮夸,直指核心。翻开第一页,我 immediately 被作者的序言所吸引。他用了一种非常朴实但充满力量的语言,阐述了最小二乘正交距离拟合(Least Squares Orthogonal Distance Fitting,简称 LODF)在解决实际几何问题中的重要性。我特别喜欢他举的几个例子,比如航空航天领域中对复杂曲面精度的要求,以及工业制造中对零件形状的精确测量。这些例子让我立刻感受到 LODF 并非只是一个抽象的数学概念,而是能够解决真实世界中棘手问题的强大工具。书的前几章,作者循序渐进地介绍了 LSF (Least Squares Fitting) 的基本原理,然后自然地过渡到 LODF 的概念。他并没有急于深入复杂的数学推导,而是先从直观的角度解释了为何“正交距离”是比“垂直距离”更合适的度量方式,尤其是在处理三维空间中的曲面时。这一点对我这个初学者来说至关重要,它帮助我建立了对 LODF 的基本理解,避免了被一开始的数学公式吓倒。作者在讲解时,大量运用了图示,这些图示不仅清晰地展示了算法的几何意义,还帮助我理解了不同类型误差对拟合结果的影响。

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在我看来,这本书最大的亮点之一是它对 LODF 在实际工程问题中的多方面应用进行了全面的梳理。作者不仅涵盖了工业制造中的零件检测、航空航天中的曲面测量,还拓展到了机器人学中的路径规划、医学影像中的三维重建等领域。每个应用案例都经过精心挑选,并配以详细的分析和图解,让我能够清晰地理解 LODF 在这些场景下是如何发挥作用的,以及它所带来的实际效益。我特别欣赏作者对于每个应用案例的“背景介绍”,这帮助我快速了解该领域的挑战,从而更好地理解 LODF 的解决方案。他甚至还讨论了 LODF 与其他几何处理技术(如网格简化、曲面插值等)的结合应用,这为我进一步探索更高级的几何处理技术打开了思路。

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这本书给我留下了深刻印象的一个方面是作者在讲解 LODF 与其他拟合方法(例如,最小二乘垂直距离拟合 LSF、最小绝对偏差拟合 LADF)的对比分析。他并没有简单地罗列这些方法的区别,而是通过详细的数学推导和几何解释,阐述了每种方法的适用场景和潜在的优缺点。我尤其喜欢他对 LODF 如何克服 LSF 在处理倾斜数据时出现的偏差的分析,以及他解释为何在某些情况下,LADF 可能比 LODF 更鲁棒。这种详尽的比较分析,帮助我更深刻地理解了 LODF 的独特性,以及在选择合适的拟合方法时需要考虑的关键因素。作者的分析非常客观,既肯定了 LODF 的优势,也指出了其局限性,这让我能够更理性地看待这项技术。

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这本书的结构编排也是我非常欣赏的一点。作者将复杂的 LODF 理论分解成易于理解的章节,从基础概念到高级应用,循序渐进。每个章节都以清晰的引言开始,概述了本章将要讨论的内容,然后在结尾处提供一个总结,帮助读者巩固所学知识。此外,书中还包含了大量的参考文献,这为我进一步深入研究 LODF 的相关领域提供了宝贵的资源。我尤其喜欢作者在某些章节末尾提出的“思考题”或“开放性问题”,这促使我去主动思考,将书本知识与实际问题联系起来,而不是被动接受信息。这种教学方式让我受益匪浅。

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读到关于 LODF 的算法实现部分,我感觉作者仿佛真的站在我旁边,手把手地指导我如何从理论走向实践。他对各种算法的介绍,从早期的迭代方法到后来更高效的数值优化技术,都梳理得非常清晰。我尤其对书中关于如何选择合适的初始猜测值(initial guess)的章节印象深刻。作者详细分析了不同初始值对算法收敛性的影响,并提供了一些实用的经验法则。这对于我在实际应用中避免陷入局部最优解提供了宝贵的指导。此外,书中还探讨了如何处理带有噪声的数据集,以及如何评估拟合的精度和鲁棒性。我欣赏作者在讨论这些实际问题时,并没有回避其复杂性,而是坦诚地分析了各种方法的优缺点,并给出了作者的建议。他似乎非常注重培养读者独立思考和解决问题的能力,而不是仅仅提供一套“黑箱”式的解决方案。书中穿插的一些代码示例(虽然我还没完全运行它们),也让我对接下来的编程实践充满了期待。这些代码片段不仅是算法的实现,更是作者对于算法理解和优化的体现,值得反复揣摩。

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这本书最让我震撼的地方在于其对于 LODF 在复杂曲面建模和分析方面的深入探讨。作者并没有将 LODF 局限于简单的平面曲线拟合,而是将其拓展到了高维度的曲面,特别是 NURBS 曲面和自由曲面。他详细阐述了如何将 LODF 应用于曲面的重建、去噪以及形状误差的分析。在我看来,这才是这本书的价值所在,因为它直接触及了现代计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)领域的核心挑战。书中对不同曲面表示方法的讨论,以及如何将 LODF 与这些表示方法结合起来,非常有启发性。我特别喜欢作者对于“形心(centroid)”和“法向量(normal vector)”在 LODF 过程中的作用的解释。他通过生动的类比,让我理解了这些几何概念如何在算法中发挥关键作用。这本书让我意识到,LODF 不仅仅是一个拟合算法,它更是一种理解和量化几何形状信息的方式,是连接理论模型与实际数据的桥梁。

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我必须说,作者在处理 LODF 的数学基础方面做得非常出色。虽然这本书的主题是工程应用,但作者并没有忽略其背后的严谨数学原理。从最小二乘法的基本概念,到最优化理论中的拉格朗日乘子法和雅可比矩阵的计算,再到奇异值分解(SVD)在求解线性近似问题中的应用,作者都进行了详尽的阐述。我欣赏他不仅给出了公式,还详细解释了每个公式的推导过程以及其几何意义。这一点对于我这样有一定数学背景但又不是专业研究人员的读者来说,是至关重要的。它帮助我真正理解了算法是如何工作的,而不是仅仅记住一堆公式。书中对误差协方差矩阵的分析,以及如何利用它来量化拟合的不确定性,也让我受益匪浅。这让我能够更全面地评估拟合结果的可靠性,并做出更明智的决策。

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