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三维点云处理(十三):EM 期望最大化算法原理与 GMM 推导 ​

在含有**隐变量(Latent / Unobserved Variables)**或缺失数据的概率模型中,直接对边缘对数似然求导通常极其困难。期望最大化算法(Expectation-Maximization, EM 算法) 是一种用于求解此类极大似然估计(MLE)或最大后验估计(MAP)的通用迭代优化算法。

本章系统梳理 EM 算法的通用理论框架,并使用拉格朗日乘子法给出 GMM 参数更新的完整推导过程。


一、 EM 算法的通用问题定义 ​

1.1 观测变量、隐变量与参数 ​

  • 观测数据(Observed Data):(如点的坐标或特征);
  • 隐变量(Latent Variables):(如点归属于哪个簇的类别标签);
  • 模型参数(Model Parameters):(如高斯分布的 )。

目标是最大化观测数据的边缘对数似然函数:

由于对数符号内存在对隐变量 的求和/积分,难以直接求导。


二、 EM 算法的通用迭代步骤 ​

EM 算法通过构造并优化完全数据对数似然的下界(即 函数),交替执行 E 步与 M 步:

2.1 E 步 (Expectation Step):构建 函数 ​

在固定当前参数 条件下,计算隐变量 的后验概率分布 。

构建 函数(即完全数据对数似然 关于隐变量后验分布的数学期望):

2.2 M 步 (Maximization Step):极大化 函数 ​

通过求解优化问题,用新参数 极大化 函数:

2.3 EM 算法收敛性的几何与物理直觉 ​

为什么交替执行 E 步和 M 步,就能保证对数似然函数 不断上升并最终收敛? 背后隐藏的几何直觉是**“下界逼近(Minorize-Maximization)”**。这里利用了极大似然估计与 Jensen 不等式的核心原理(关于纯数学推导与基础知识,请[参见前置知识:00-核心概念辨析与扩展知识补充](file:///i:/Nutstore/1/blog/point-cloud/00-supplementary-knowledge.md)):

  1. 真实的对数似然曲线 非常复杂,充满多个峰值,直接爬坡(求导)极其困难。
  2. E 步的本质:在当前参数 处,利用隐变量的后验概率构造出一个易于优化的下界函数(Evidence Lower Bound, ELBO)。在 这个点上,这个下界函数严格等于真实的对数似然(两曲线相切贴合)。
  3. M 步的本质:我们不去优化复杂的真实曲线,而是去寻找这个简单下界函数的最高点,得到 。
  4. 因为下界函数永远在真实曲线下方,且在 处下界升高了,那么真实的对数似然曲线在 处必定也随之升高。如此循环,直至抵达某个局部最高峰。

三、 基于 EM 算法的 GMM 完整推导 ​

在 GMM 中,参数为 ,隐变量 表示 是否由第 个高斯生成。

3.1 步骤 1:完全数据的联合分布与对数似然 ​

完全数据 的联合概率密度为:

取对数得到完全数据对数似然:

3.2 步骤 2:E 步——计算期望与构建 函数 ​

计算隐变量 的后验期望 :

其中 为上一章推导的后验责任度:

代入构建 函数:


3.3 步骤 3:M 步——求解偏导与拉格朗日乘子 ​

1. 求解均值 ​

对 函数关于 求偏导:

令偏导为 ,两边乘以 :

设有效点数 ,即得:

2. 求解协方差矩阵 ​

同理对 函数关于 求偏导并令其为 ,解得:

3. 求解混合权重 (使用拉格朗日乘子法) ​

由于权重受到等式约束 ,引入拉格朗日乘子 ,构建拉格朗日函数:

展开与 相关的项:

对 求偏导并设为 :

对所有 求和:

由于 且 :

代回偏导公式解得 :


四、 总结:EM 算法在聚类与点云中的统一视角 ​

算法 / 模型观测数据 隐变量 E 步含义M 步含义
K-Means点坐标 硬分配指示 将每个点分配给最近质心更新质心位置为几何均值
GMM点坐标 软分配指示 计算软责任度概率 更新高斯均值 、协方差 与权重
点云配准 (如 Soft-ICP)源/目标点云点与点之间的匹配对应关系计算点对间的概率匹配权重求解最佳刚体变换 极大化匹配重合度

EM 算法通过交替优化,保证了对数似然函数单调非递减 ,是点云无监督学习与统计几何建模的强大基石。

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