Tikhonov正则化在Zernike多项式拟合中的应用
2024-03-15
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第37卷第7期 2010年7月 光电工程 Opto—Electronic Engineering Vo1.37,No.7 July,2010 文章编号:1003—5OlX(2OlO)O7—0060—04 Tikhonov正则化在Zernike多项式 拟合中的应用 汉语 一,伍 凡 ,万勇建 ,房 凯 (1.中国科学院光电技术研究所,成都610209; 2.中国科学院研究生院,北京100039) 摘要:Zemike多项式系数的求解问题是一个典型的离散不适定问题,最小二乘法、格拉姆一斯密特正交化法和 Householder变换法均无法求得稳定的数值解。本文对导致该问题解的不稳定性的原因进行了分析,并采用 Tikhonov正则化法对Zernike多项式系数进行求解,利用L曲线准则确定了正则参数。数值仿真结果表明,Tikhonov -f-N4 ̄法有效的保证了解的稳定性,利用该方法得到的拟合面形很好的反映了面形的真实情况。 关键词:Zemike多项式拟合;不适定问题;Tikhonov正则化法;L曲线准则 中图分类号:TQ171.6 文献标志码:A doi:10.3969 ̄.issn.1003—501X.2010.07.012 Application of Tikhonov RegularizatiOn Method in Zernike Polynomials Fitting HANYu’一,WU Fan ,WANYong-jian ,FANGKai (1.Institute ofOptics andElectronics,ChineseAcademy ofSciences,Chengdu 610209,China; 2.Graduate University ofChinese Academy foSciences,Beijing 1 00039,China) Abstract:To acquire coefifcients of Zernike polynomials is a discrete ill—posedness problem.Common methods,such as Least Squares Error method,Cram—Schmidt orthogonalization method and Householder transformation method,can not obtain a stable numerical solution.The instability of ill-posedness problem is analyzed and a Tikhonov regularization method is introduced to solve ill-posed problem.The L curve criterion is used to determine regularization parameter. Simulation result shows that Tikhonov regularization method is stable and effective for solving ill—posedness problem. Key words:Zernike polynomials fitting;ill—posedness problem;Tikhonov regularization method;L curve criterion 0 引 言 在实际光学检测中,被检光学元件或光学系统一般总是圆形的或具有圆形通光孔径,且被检光学元件 表面或光学系统出射波面总是趋于光滑和连续的,因此一定可以表示为一个完备的基底函数的线性组合。 由于Zemike多项式各项很容易与各种经典的像差联系起来,因此通常被选为波面或面形拟合的基底函数 系[ ~1。 将被检波面或面形表示为刀项Zemike多项式的线性组合: z(p,0)=blal(P, )+b2a2(P,0)…+bna ( ,0) (1) 式中:ai( ,0)为第i项泽尼克多项式,它是径向坐标P和角度坐标0的函数,b 是与其对应的多项式系数。 需要注意的是,泽尼克多项式仅在单位圆的内部连续区域是正交的,通常在单位圆内部的离散的坐标 收稿日期:2010—02—26{收到修改稿日期:2010—03-16 基金项目:国家自然科学基金资助项 ̄(60808017) 作者简介:汉语(1980一),男(汉族),吉林长春人。博士研究生,主要研究工作是先进光学制造技术。E-mail:ccN00311222@yahoo.tom.cn。 第37卷第7期 汉语等:Tikhonov正则化在Zemike多项式拟合中的应用 61 上是不具备正交性质的。由于在实际检测过程中只能获取一系列离散点的测量值,因此由离散点确定的泽 尼克多项式矩阵不具备正交性。将m组测量数据( , ,z )代入式(1),并将得到的方程组( > )表示为矩阵 的形式: A・6=Z (2) 其中:A=(a )为m× 阶Zernike多项式矩阵,b=(bi,b2,…, ) 为待求系数向量,Z=(z,,2 ,…,z ) 为 测量值向量。 如何根据式(2)尽可能精确的求得Zernike多项式各项的系数b是Zernike多项式波面或面形拟合能否成 功的关键。结合实际情况对式(2)进行分析可知,该式具有以下特点:1)Zemike多项式矩阵 呈现严重病 态,因此式(2)是一个病态方程组;2)方程右端的数据是通过一定的检测手段获得,不可避免的存在有一定 的测量误差,因此式(2)同时又是一个矛盾方程组。综上所述,式(2)是一个病态矛盾方程组。病态矛盾方程 组的求解问题在数学上属于离散不适定问题,此类问题的解是不稳定的,即测量数据的任意微小变化都会 导致拟合值与真值之间的巨大偏差【jJ。 Zernike多项式系数b常见的求解方法有最小二乘法、Gram—Schmidt正交化法和householder变化法 由J, 这些方法均无法保证解的稳定性。本文首先对利用上述方法进行求解时,导致解的不稳定性的原因进行了 分析,然后采用Tikhonov正则化法 对式(2)进行求解,最后用数值仿真验证了该方法的有效性。 1 病态矛盾方程组解的不稳定性分析 最小二乘法通过构建法方程组来求解残余误差范数最小意义下的解。Gram—Schmidt正交化法和 householder变化法的本质均为QR分解法,二者唯一的区别在于获得正交矩阵Q的途径不同。容易证明, 无论采用Ls法还是QR分解法,式(2)的解都可以统一表示为 (3) 其中:Ui为 的左奇异向量,', 为 的右奇异向量,盯 0"2≥… O- >0为A 的奇异值,( ;U,,l, )称为 A的奇异系。 当有测量误差存在时,方程右端测量数据可以表示为z=z+ ,其中z为真值, 称为测量误差水 平,IlZ—zlI= ,则根据式(3),可以求得数值解b 与真值之间的偏差: I= (4) 当 为病态矩阵时,A的小奇异值具有趋于零的特性,即 0,由式(4)可知,此时任意微小的测 量误差 都会被 无限放大,数值解b+与真值之间的偏差趋于无穷,因此最小二乘法和QR分解法都无法 获得稳定的解,而导致这种不稳定的根源就在于病态矩阵小奇异值趋于零的特性。 2 Tikhonov正则化法 正则法是求解不适定问题的有效方法,其基本思想是用一簇与原不适定问题相近的适定问题的解去逼 近原有不适定问题的解。常用的正则化方法包括Tikhonov正则化法、TSVD法、各种迭代方法以及一些改 进方法。在所有正则化方法中,Tikhonov正则化法提出时间最早,应用也最为广泛,该方法将式(2)的解定 义为 n l:} (5) I s.t.J} 一z{J2 不难证明 ,l】bl l的最小值将在llAb—z = 条件下得到,即: f s.t .1l 6一z = ㈣ 引入拉格朗日乘子 ,则上述等式约束问题转化为无约束优化问题: 62 光电工程 2010年7月 min{I l6一z + lI b (7) 该问题等价于求解线性方程组: ( A十at)t,=A Z (8) 因此Tikhonov正则解等于: ・ btial ̄=(ATA+a1)IATZ=喜岳・ 其中 为正则参数。根据上文分析可知,不适定问题解的不稳定性根源在于病态矩阵A小奇异值趋于零的 特性,而Tikhonov正则化法相当于用函数f(a)=( +a)/a 对病态矩阵的奇异值进行修正,从而保证了 解的稳定性。将修正后的奇异值用 表示,则对于A的某个奇异值 ,与其对应的修正奇异值为 =f(a)a女=( +a)/ak (10) 由式(10)可知,正则参数 的大小决定了奇异值的修正程度。当正则参数选择过小时,修正后的奇异 值屈 ,此时正则法对小奇异值趋于零的特性抑制不足,解的不稳定性仍然存在;当正则参数选择过 大时,解的稳定性虽然得到了充分保证,但却加大了新问题与原问题之间的偏离程度,降低了解的分辨率。 因此如何合理选择正则参数 ,使其能够同时兼顾上述两个方面是正则化方法能否成功的关键。 3 L曲线准则 在众多正则参数的确定方法中,L曲线准则由于不需要任何先验知识且具有较强的鲁棒性,因而得到 了广泛应用。所谓L曲线准则是指以Iog—log尺度来描述llbIl与liAb—ZlI的曲线对比,进而根据该对比结 果来确定正则参数的方法。由于这一曲线的形状通常为L形,因此称之为L曲线准则。IfbIl与llAb—ZI}均 为正则参数 的函数,前者代表解的稳定性,后者代表新问题与原问题的偏离程度。可以证明 j, OC Il b , l IAb—z{I,在L曲线的拐点处,解的稳定性和新问题与原问题的偏离程度取得折衷,因此,该处对应的 值即为最优正则参数。 4数值仿真 为了验证Tikhonov正则化法的有效性,我们首先任意给定一组5阶2l项Zemike多项式系数b=[19,2, 1,…,5,8,9,6]并将其作为系数的真值,将b和m组测量位置数据( , )代人式(2)中求得面形数据真值z; 然后对实际测量过程进行模拟,在z中人为引入正态分布误差Ⅳ(0,0.1),将引入测量误差的面形数据记为 z;绘出L曲线,如图l所示,根据L曲线准则求得拐点处对应的正则参数 =O.015 138,将 代人式(9) 中,求得Zemike多项式系数的Tikhonov正则解。 计算结果如表l所示,为了便于比较我们同时给出QR分解法(与Ls法相等)的计算结果。分别利用b、 b+、b。。 进行面形拟合,拟合结果及其与面形真值之间的拟合误差如图2~4所示。 0 8 0.4 O .0 4 0.8 Residual normjIAx—bI【2 图1 L曲线图 图2真实面形 Fig.I L curve plot Fig 2 Real surface 第37卷第7期 汉语等:Tikhonov正则化在Zernike多项式拟合中的应用 63 Fitting surface ofTikh,RMS:14.68 Fitting elTor ofTikh,RMS:O.341 53 表1 Zernike多项式系数比较 0.8 Table 1 Coefifcients ofZernike polynomials 0.8 comparison 0.4 0.4 0 O 0.4 一0.4 —0.8 —0.8 —1 —0.5 0 O.5 1 —1 —0.5 0 0.5 1 图3 Tikh法拟合面形及其拟合误差 Fig.3 Fiting surface and iftting errors ofTikh Fitting surface ofQR,RMS:1 319 2 Fiting error ofQR,RMS:1 318.456 19 0.8 0.8 O.4 0.4 0 0 .O.4 O.4 0 8 .O.8 .1 .0.5 0 0.5 l 一1 —0.5 0 0.5 1 图4 QR分解法拟合面形及其拟合误差 Fig.4 FiRing surface of QR and iftting errors 5 结 论 计算结果表明,Tikhonov正则化法有效的保证了解的稳定性,正则解b i 中的各项与真值之间的偏差 最大不超过10%,利用正则解进行面形拟合,所获得的拟合面形能够较好的反映面形的真实情况。因此, Tikhonov正则化法是一种稳定的Zernike多项式系数求解方法,该方法有效的解决了Zemike多项式系数求 解过程中解的不稳定性问题。 参考文献: 【1] Malacara D.Optical Shop Tesitng[M].New York:John Wiley and Sons,1979. 【2] 莫卫东.Zernike多项式拟合干涉面方法研究[J].高速摄影与光子学,1991,20(4):389—396. 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