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豪斯多夫距离(Hausdorff distance)

二进制人工智能 2024-04-19 原文

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豪斯多夫距离(Hausdorff distance)

引言

当谈到距离时,我们通常指的是最短的距离:例如,如果说一个点 X X X距离多边形 P P P的距离为 D D D,我们通常假设 D D D X X X P P P的最近点的距离。

同样的逻辑也适用于两个多边形:对于两个多边形 A A A B B B,我们通常将它们的距离理解为 A A A的任意点和 B B B的任意点之间的最短距离。形式上,这称为minimin 函数,因为 A A A B B B之间的距离 D D D由下式给出:

这个等式用计算机程序表达:对于 A A A的每个点 a a a,找出它到 B B B的任何点 b b b的最小距离;最后,取其中的最小者。

这样的距离定义是有不足的:

(1)最短距离没有考虑到多边形的整个形状

考虑图1中两个三角形的最短距离,由等式1可知这两个三角形非常接近。它们的距离由它们的红色顶点决定。

但是,从图中我们可以观察到两个多边形并不相近,因为它们的最远点(以蓝色显示)实际上离另一个多边形很远。

两个多边形之间的距离很小,应该意味着一个多边形的任何一点都离另一个多边形不远。

(2)最短距离没考虑对象的位置

在图2中,有两个与图1相同的三角形,只是位置不同。根据等式1,却可以得到它们的最短距离与图1的相同。

下面,我们将介绍Hausdorff距离,它能够考虑到这些问题。

Hausdorff距离

Hausdorff距离以Felix Hausdorff(1868-1942)命名的,是一个集合到另一个集合中最近点的最大距离。更正式地说,从集合 A A A到集合 B B B的Hausdorff距离是一个maximin函数,定义为

其中 a a a b b b分别是集合 A A A B B B的点, d ( a , b ) d(a,b) d(a,b)是这些点之间的任何度量;例如欧几里得距离。

例: 给定两个点集 A A A B B B,求它们的Hausdorff距离 h ( A , B ) h(A,B) h(A,B)

1 计算 a 1 a_1 a1 b 1 , b 2 , b 3 b_1,b_2,b_3 b1,b2,b3的距离 d 11 , d 12 , d 13 d_{11},d_{12},d_{13} d11,d12,d13

2 保留最短的一个 d 11 d_{11} d11

3 计算 a 2 a_2 a2 b 1 , b 2 , b 3 b_1,b_2,b_3 b1,b2,b3的距离 d 21 , d 22 , d 23 d_{21},d_{22},d_{23} d21,d22,d23

4 保留最短的一个 d 23 d_{23} d23

5 d 11 d_{11} d11 d 23 d_{23} d23中最大者即为Hausdorff距离 h ( A , B ) = d ( a 1 , b 1 ) h(A,B)=d(a_1,b_1) h(A,B)=d(a1,b1)

6 我们可以得到 A A A中的任意点到 B B B部分点的距离,至多为 h ( A , B ) h(A,B) h(A,B)

暴力求解法:

1.  h = 0
2.  for every point ai of A,
      2.1  shortest = Inf ;
      2.2  for every point bj of B
                    dij = d (ai , bj )
                    if dij < shortest then
                              shortest = dij
      2.3  if shortest > h then
                    h = shortest

应该注意的是,Hausdorff距离是定向的(或者说不对称的),这意味着大多数情况 h ( A , B ) h(A,B) h(A,B)不等于 h ( B , A ) h(B,A) h(B,A)

例如,在上述例子中, h ( A , B ) = d ( a 1 , b 1 ) h(A,B)=d(a_1,b_1) h(A,B)=d(a1,b1),而 h ( A , B ) = d ( b 2 , a 1 ) h(A,B)=d(b_2,a_1) h(A,B)=d(b2,a1)

这种不对称性是maximin函数的一个性质,而引言中minimin函数则是对称的。

Hausdorff距离的更一般定义是:

它定义了 A A A B B B之间的Hausdorff距离,而等式2只是从 A A A B B B的Hausdorff距离(也称为有向Hausdorff距离)。 h ( A , B ) h(A,B) h(A,B) h ( B , A ) h(B,A) h(B,A)有时被称为 A A A B B B的前向和反向Hausdorff距离。术语很多,但除非另有说明,否则在谈论Hausdorff距离时,都是指等式3。

如果集合 A A A和集合 B B B是直线或多边形,则 H ( A , B ) H(A,B) H(A,B)将应用于这些直线或多边形的所有定义点,而不仅仅应用于其顶点。

回到引言中提到的最短距离的两个缺点。

(1)最短距离没有考虑到多边形整个形状

图四为以每个三角形的最远顶点为圆心,画出半径为 H ( P 1 , P 2 ) H(P1,P2) H(P1,P2)的圆。可以看到Hausdorff距离能考虑到多边形的所有其他点。

(2)最短距离没考虑对象的位置

从图5我们看到,Hausdorff距离对位置是敏感的。位置不同,得到的距离值也不同。

参考:
http://cgm.cs.mcgill.ca/~godfried/teaching/cg-projects/98/normand/main.html

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