这是一篇关于使用进化算法创建低多边形 Ruby 标志版本的博客文章,主要内容如下:
- 进化算法概述:受生物系统启发,进化算法通过生成大量潜在解决方案并相互竞争来挖掘独特想法,适用于想要“足够好”的解决方案而非绝对最优的情况。图像重建过程始于创建随机多边形图像的种群,通过比较每个成员与目标图像的相似度(即 fitness)来选择父母并进行交叉和变异,重复此过程直到找到满足目标的成员。
- Petri Dish 框架:Petri Dish 框架是一个 Ruby 宝石,实现了进化算法结构,通过提供成员、评估 fitness 的方式、遗传算子和停止条件等参数来运行算法。
- 理解目标:定义要逼近给定灰度图像的三角形集合为目标,将每个顶点编码为
(x,y)坐标和灰度值作为决策变量,限制图像尺寸和颜色空间为搜索空间的约束条件。 - 成员表示:需要将问题编码为算法可理解的格式,包括输入目标图像、种群成员的基因和重建的输出图像。使用
Magick宝石读取、处理和比较图像,用Struct定义Point表示基因,用PetriDish::Member类表示种群成员。 - 种群初始化:通常随机初始化种群,但也可先均匀分布点再随机分配灰度值,以避免早期浪费。
- 适应度函数:用于评估成员解决问题的程度,
rmagick库的Image#difference方法适合计算归一化平均误差作为适应度得分,通过求逆和平方来调整误差,使其更敏感于解决方案的质量。 - 遗传算子:包括选择、交叉、变异和替换。选择采用适应度比例选择(轮盘赌选择),交叉使用随机中点交叉,变异采用微调突变,替换可采用代际替换或精英主义。
- 最终配置与结果:给出实际实现的配置,包括种群大小、突变率、精英主义率等参数。主观分析结果显示算法在早期有很大成功,后期改进逐渐减小;数据可视化分析表明适应度趋势、像素灰度值变化等,尽管算法继续找到更适合的成员,但收敛到的解决方案不一定是最佳的。
- 结论:进化算法有广泛应用,此例展示了其在图像重建中的应用,还推荐了相关学习资源和代码。
脚注:
- 学术研究常用 Python 等语言,生产用 C++或 Rust,娱乐用 Ruby。
- Danny Guinther 的博客介绍 Ruby 尾调用优化。
- 关于 Hash、Struct、Data 和 Class 的性能基准测试。
- 归一化平均量化误差的定义。
- 不反转误差的结果是得到反相图像。
- 0.1 的突变率较高,适合特定配置。
- 对算法成功的主观判断,需有衡量算法性能的方法。
- 未详细探讨性能调整和超参数设置。
- 用生成计数代替墙时间或 CPU 时间作为算法性能的衡量。
- 未讨论 CPU 和内存性能调优。
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