多目标跟踪之二分图无权匹配-匈牙利算法

P粉084495128
发布: 2025-07-31 15:16:56
原创
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本文介绍多目标跟踪中二分图匹配的匈牙利算法与KM算法。先解释完美匹配、二分图、最大匹配、交错路径等概念,以男女配对为例,演示匈牙利算法流程:通过匹配与寻找增广路径交替操作实现最大匹配,并附代码及输入输出说明,展示算法如何解决二分图无权匹配问题。

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多目标跟踪之二分图无权匹配-匈牙利算法 - php中文网

多目标跟踪之二分图无权匹配——匈牙利算法(这里以找对象为例)

多目标跟踪加权二分图匹配 ——KM

1 基本概念介绍

  • 完美匹配:

考虑部集为X={x1 ,x2, ...}和Y={y1, y2, ...}的二部图,一个完美匹配就是定义从X-Y的一个双射,依次为x1, x2, ... xn找到配对的顶点,最后能够得到 n!个完美匹配。

  • 二部图(二分图):

给定两组顶点,但是组内的任意两个顶点间没有边相连,只有两个集合之间存在边,即组1内的点可以和组2内的点相连,如下图,这样构建出来的图就叫做二部图(更好理解就是n个男人,n个女人,在不考虑同性恋的情况下,组成配偶)

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  • 最大匹配: 一个图所有匹配中,所含匹配边数最多的匹配,称为这个图的最大匹配。

可以看出来,完美匹配一定是最大匹配,而最大匹配不一定是完美匹配。当然,有些情况下我们做不到完美匹配,只能尽可能实现最多的配对,这个就叫做最大匹配。所以,我们的核心目标就是找到最大匹配了。

  • 交错路径:

给定图G的一个匹配M,如果一条路径的边交替出现在M中和不出现在M中,我们称之为一条M-交错路径。而如果一条M-交错路径,它的两个端点都不与M中的边关联,我们称这条路径叫做M-增广路径。

2 算法流程

  • 男女关系矩阵如下

男1 男2 男3
女1 1 1 1
女2 1 0 0
女3 1 1 0
  • 关系图如下(图线有点歪,迁就看吧),红线表示有关系(未匹配),蓝线表示已匹配

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  • 第一步:首先给男1进行匹配,发现第一个与其相连的女1还未匹配,将其配对,连上一条蓝线。

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  • 第二步:接着匹配男2,发现与其相连的第一个目标女1已匹配,这就需要寻找增广路径了。

男2 - 女1 - 男1 - 女2

男2 (未匹配) 女1 (已匹配) 男1 (未匹配) 女2

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这有个需要注意的点,就是未匹配和已匹配要交替查找

取反: 男2 (已匹配) 女1 (未匹配) 男1 (已匹配) 女2 如下图

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  • 第三步:接着匹配男3,发现与其相连的第一个目标女1已匹配,这就又需要寻找增广路径了。

男3 - 女1 - 男2 - 女3

男3 (未匹配) 女1 (已匹配) 男2 (未匹配) 女3

取反:男3 (已匹配) 女1 (未匹配) 男2 (已匹配) 女3

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  • 去掉红线最终结果(熟悉数据结构的同学现在发现了,查找方法采用了深度优先)

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3 代码实现

In [3]
class graph:
    def __init__(self,gi,bo): # 输入二部图两个顶点集合的数目,每个集合的顶点均用1, ... , n表示
        self.numg=gi # 女孩数量
        self.numb=bo # 男孩数量
        self.boy={i:[]for i in range(1,bo+1)} # 男孩的可连接对象,建图
        self.viag=[0 for i in range(gi+1)] # 记录当前匹配女孩的对象
        self.use=[0 for i in range(gi+1)] # 检查女孩是否被搜索过
    def add(self,u,v):
        self.boy[v].append(u)    def find(self,j): # 寻找 j 男孩起始的增广路
        if j==0:            return 1
        for i in self.boy[j]:            if self.use[i]==0: # 女孩没有被搜索过
                self.use[i]=1
                if self.find(self.viag[i]): # 检查 j 匹配女孩后,女孩原男友是否有其它的女友,有则表示存在增广路
                    self.viag[i]=j                    return 1
        return 0
    def Hungarian(self):
        sum=0
        for i in range(1,self.numb+1): # 检查每个男孩是否能找到女有
            self.use = [0 for i in range(self.numg + 1)] # 初始化为0
            if self.find(i):                sum+=1
        return sum,self.viag[1:]if __name__=="__main__":
    n,girlnum,boynum = map(int, input().split())
    dic = graph(girlnum,boynum)    for i in range(n):
        a, b = map(int, input().split())
        dic.add(a,b)    print(dic.Hungarian())# 输入:# 6 3 3     # 1 1# 1 2# 1 3# 2 1# 2 3# 3 1# 输出:# (3, [2, 3, 1])# 输入解释:# 总关系数 男数 女数 (中间空格间隔,每行一回车)# 男1 女1 有关系。。。。# 输出解释# 最大匹配 [2,3,1]表示右集合(女)的序号,分别对应左集合(男)1,2,3
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(3, [2, 3, 1])
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