Given multiple point clouds, how to find the rigid transform (rotation, reflection, and shifting) such that these point clouds are well aligned? This problem, known as the generalized orthogonal Procrustes problem (GOPP), has found numerous applications in statistics, computer vision, and imaging science. While one commonly-used method is finding the least squares estimator, it is generally an NP-hard problem to obtain the least squares estimator exactly due to the notorious nonconvexity. In this work, we apply the semidefinite programming (SDP) relaxation and the generalized power method to solve this generalized orthogonal Procrustes problem. In particular, we assume the data are generated from a signal-plus-noise model: each observed point cloud is a noisy copy of the same unknown point cloud transformed by an unknown orthogonal matrix and also corrupted by additive Gaussian noise. We show that the generalized power method (equivalently alternating minimization algorithm) with spectral initialization converges to the unique global optimum to the SDP relaxation, provided that the signal-to-noise ratio is high. Moreover, this limiting point is exactly the least squares estimator and also the maximum likelihood estimator. In addition, we derive a block-wise estimation error for each orthogonal matrix and the underlying point cloud. Our theoretical bound is near-optimal in terms of the information-theoretic limit (only loose by a factor of the dimension and a log factor). Our results significantly improve the state-of-the-art results on the tightness of the SDP relaxation for the generalized orthogonal Procrustes problem, an open problem posed by Bandeira, Khoo, and Singer in 2014.


翻译:在多点云中, 如何找到最硬的变换( 旋转、 反映和移动), 使这些点云完全吻合? 这个问题, 被称为全正正反正正反正反正反正反正), 已经在统计、 计算机视觉和成像科学中发现了许多应用。 虽然一个常用的方法是找到最小正方估测器, 但获取最小正方估测器通常是一个NP- 硬的问题, 正是由于臭名昭著的不相容。 在这项工作中, 我们应用半定型程序( SDP) 宽松和通用权力方法来解决这个普遍或正反正正正反正的质问题 。 我们假设数据来自一个信号加偏重的模型: 每个点都是由未知或正向矩阵转变的未知点云云云, 并且由于加固高音的噪音而腐败化。 我们显示, 光度初始化的全局方法( 等于光度最小最小的最小的最小最小最小的平面或最深处, 也是我们最深处的平面的直径直径的直方的直径直径直径直方的直方。

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