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c++如何使用Ceres Solver解决优化问题_c++ Google的非线性优化库

裘德小鎮的故事
发布: 2025-12-13 19:13:44
原创
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Ceres Solver用于求解非线性最小二乘问题,适用于SLAM、视觉等场景;需先安装库并配置CMake链接;定义代价函数如ExponentialResidual计算残差;在main中设置参数、添加残差块,使用AutoDiffCostFunction实现自动微分;配置Solver选项如DENSE_QR,运行求解并输出结果;支持Huber损失、局部参数化和稀疏求解器以提升鲁棒性与效率。

c++如何使用ceres solver解决优化问题_c++ google的非线性优化库

在C++中使用Ceres Solver解决非线性优化问题,是许多工程和科研领域(如SLAM、计算机视觉、机器人定位)中的常见需求。Ceres Solver 是 Google 开发的一个开源 C++ 库,专门用于求解大规模的非线性最小二乘问题。它支持自动微分、数值微分以及解析雅可比,使用灵活且性能高效。

1. 安装与配置 Ceres Solver

在使用前,需先安装 Ceres Solver。大多数 Linux 系统可通过包管理器或源码编译安装。

Ubuntu 安装示例:
  • sudo apt-get install libceres-dev

或从源码构建(推荐最新版本):

  • git clone https://github.com/ceres-solver/ceres-solver
  • cmake && make && sudo make install

确保项目编译时链接 Ceres 库,例如使用 CMake:

立即学习C++免费学习笔记(深入)”;

find_package(Ceres REQUIRED)
target_link_libraries(your_program ${CERES_LIBRARIES})
target_include_directories(your_program PRIVATE ${CERES_INCLUDE_DIRS})
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2. 定义优化问题:残差与代价函数

Ceres 的核心是构建“代价函数”(Cost Function),表示优化变量与观测之间的误差(残差)。通常形式为:

minimize Σ fᵢ(x)²

以拟合曲线 y = exp(a x² + b x + c) 为例,我们想通过数据点 (x, y) 拟合参数 a, b, c。

定义一个仿函数(functor)作为代价函数:

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DeepBrain 146
查看详情 DeepBrain
struct ExponentialResidual {
  ExponentialResidual(double x, double y) : x_(x), y_(y) {}
<p>template <typename T>
bool operator()(const T<em> parameters, T</em> residuals) const {
T a = parameters[0];
T b = parameters[1];
T c = parameters[2];
residuals[0] = T(y<em>) - ceres::exp(a * x</em> <em> x_ + b </em> x_ + c);
return true;
}</p><p>double x<em>, y</em>;
};
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这个结构体重载了 operator(),接受模板类型以支持自动微分。

3. 构建并求解问题

在 main 函数中设置变量、添加残差块,并调用求解器:

int main() {
  // 真实参数
  double a_true = 0.5, b_true = -1.0, c_true = 0.3;
  // 初始估计值
  double parameters[3] = {0.0, 0.0, 0.0};
<p>ceres::Problem problem;</p><p>// 生成模拟数据
for (double x = -1.0; x <= 1.0; x += 0.1) {
double y = exp(a_true <em> x </em> x + b_true <em> x + c_true);
// 添加噪声
y += 0.01 </em> rand() / RAND_MAX;</p><pre class="brush:php;toolbar:false;">// 创建代价函数,使用自动微分
ceres::CostFunction* cost_function =
    new ceres::AutoDiffCostFunction<ExponentialResidual, 1, 3>(
        new ExponentialResidual(x, y));

problem.AddResidualBlock(cost_function, nullptr, parameters);
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}

接着配置求解选项并运行:

  ceres::Solver::Options options;
  options.linear_solver_type = ceres::DENSE_QR;
  options.minimizer_progress_to_stdout = true;
<p>ceres::Solver::Summary summary;
ceres::Solve(options, &problem, &summary);</p><p>std::cout << summary.BriefReport() << "\n";
std::cout << "Estimated a: " << parameters[0] << "\n";
std::cout << "Estimated b: " << parameters[1] << "\n";
std::cout << "Estimated c: " << parameters[2] << "\n";</p><p>return 0;
}
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4. 关键特性与技巧

  • 自动微分:使用 AutoDiffCostFunction,只需写残差表达式,Ceres 自动计算导数。
  • 损失函数(Loss Function):对抗异常值,可传入 Huber 等鲁棒核函数。
  • 局部参数化:对旋转等特殊变量(如四元数),可定义局部更新方式避免冗余自由度。
  • 稀疏性利用:对于大问题(如BA),Ceres 支持 SPARSE_SCHUR 或 CGNR 求解器提升效率。

例如使用 Huber 核函数:

problem.AddResidualBlock(cost_function,
                        new ceres::HuberLoss(1.0),
                        parameters);
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基本上就这些。Ceres 的设计简洁,重点在于正确建模残差和选择合适的求解配置。只要把问题转化为最小二乘形式,就能高效求解。

以上就是c++++如何使用Ceres Solver解决优化问题_c++ Google的非线性优化库的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!

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