一个新的卷积配方被合并到Python 3.10中。

鉴于

import collections, operator

from itertools import chain, repeat


size = 3 + 1
kernel = [1/size] * size                                              

Code

def convolve(signal, kernel):
    # See:  https://betterexplained.com/articles/intuitive-convolution/
    # convolve(data, [0.25, 0.25, 0.25, 0.25]) --> Moving average (blur)
    # convolve(data, [1, -1]) --> 1st finite difference (1st derivative)
    # convolve(data, [1, -2, 1]) --> 2nd finite difference (2nd derivative)
    kernel = list(reversed(kernel))
    n = len(kernel)
    window = collections.deque([0] * n, maxlen=n)
    for x in chain(signal, repeat(0, n-1)):
        window.append(x)
        yield sum(map(operator.mul, kernel, window))

Demo

list(convolve(range(1, 6), kernel))
# [0.25, 0.75, 1.5, 2.5, 3.5, 3.0, 2.25, 1.25]

细节

卷积是一种可以应用于移动平均的一般数学运算。其思想是，给定一些数据，您将数据子集(窗口)作为“掩码”或“内核”在数据中滑动，在每个窗口上执行特定的数学操作。在移动平均的情况下，核是平均值:

现在可以通过more_itertools.convolve使用这个实现。 More_itertools是一个流行的第三方包;通过> PIP Install more_itertools安装。

我的解决方案是基于维基百科上的“简单移动平均”。

from numba import jit
@jit
def sma(x, N):
    s = np.zeros_like(x)
    k = 1 / N
    s[0] = x[0] * k
    for i in range(1, N + 1):
        s[i] = s[i - 1] + x[i] * k
    for i in range(N, x.shape[0]):
        s[i] = s[i - 1] + (x[i] - x[i - N]) * k
    s = s[N - 1:]
    return s

与之前建议的解决方案相比，它比scipy最快的解决方案“uniform_filter1d”快两倍，并且具有相同的错误顺序。 速度测试:

import numpy as np    
x = np.random.random(10000000)
N = 1000

from scipy.ndimage.filters import uniform_filter1d
%timeit uniform_filter1d(x, size=N)
95.7 ms ± 9.34 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10 loops each)
%timeit sma(x, N)
47.3 ms ± 3.42 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)

错误的比较:

np.max(np.abs(np.convolve(x, np.ones((N,))/N, mode='valid') - uniform_filter1d(x, size=N, mode='constant', origin=-(N//2))[:-(N-1)]))
8.604228440844963e-14
np.max(np.abs(np.convolve(x, np.ones((N,))/N, mode='valid') - sma(x, N)))
1.41886502547095e-13

更新:下面的例子展示了老熊猫。Rolling_mean函数，该函数在最近版本的pandas中已被删除。该函数调用的现代等价函数将使用pandas.Series.rolling:

In [8]: pd.Series(x).rolling(window=N).mean().iloc[N-1:].values
Out[8]: 
array([ 0.49815397,  0.49844183,  0.49840518, ...,  0.49488191,
        0.49456679,  0.49427121])

pandas比NumPy或SciPy更适合这一点。它的函数rolling_mean很方便地完成了这项工作。当输入是一个数组时，它还返回一个NumPy数组。

使用任何定制的纯Python实现都很难在性能上击败rolling_mean。下面是针对两个提议的解决方案的性能示例:

In [1]: import numpy as np

In [2]: import pandas as pd

In [3]: def running_mean(x, N):
   ...:     cumsum = np.cumsum(np.insert(x, 0, 0)) 
   ...:     return (cumsum[N:] - cumsum[:-N]) / N
   ...:

In [4]: x = np.random.random(100000)

In [5]: N = 1000

In [6]: %timeit np.convolve(x, np.ones((N,))/N, mode='valid')
10 loops, best of 3: 172 ms per loop

In [7]: %timeit running_mean(x, N)
100 loops, best of 3: 6.72 ms per loop

In [8]: %timeit pd.rolling_mean(x, N)[N-1:]
100 loops, best of 3: 4.74 ms per loop

In [9]: np.allclose(pd.rolling_mean(x, N)[N-1:], running_mean(x, N))
Out[9]: True

关于如何处理边缘值，也有很好的选项。

我知道这是一个老问题，但这里有一个解决方案，它不使用任何额外的数据结构或库。它在输入列表的元素数量上是线性的，我想不出任何其他方法来使它更有效(实际上，如果有人知道更好的分配结果的方法，请告诉我)。

注意:使用numpy数组而不是列表会快得多，但我想消除所有依赖关系。通过多线程执行也可以提高性能

该函数假设输入列表是一维的，所以要小心。

### Running mean/Moving average
def running_mean(l, N):
    sum = 0
    result = list( 0 for x in l)

    for i in range( 0, N ):
        sum = sum + l[i]
        result[i] = sum / (i+1)

    for i in range( N, len(l) ):
        sum = sum - l[i-N] + l[i]
        result[i] = sum / N

    return result

例子

假设我们有一个列表data =[1,2,3,4,5,6]，我们想在它上面计算周期为3的滚动平均值，并且你还想要一个与输入列表相同大小的输出列表(这是最常见的情况)。

第一个元素的索引为0，因此滚动平均值应该在索引为-2、-1和0的元素上计算。显然，我们没有data[-2]和data[-1](除非您想使用特殊的边界条件)，因此我们假设这些元素为0。这相当于对列表进行零填充，除了我们实际上不填充它，只是跟踪需要填充的索引(从0到N-1)。

所以，对于前N个元素，我们只是在累加器中不断地把元素加起来。

result[0] = (0 + 0 + 1) / 3  = 0.333    ==   (sum + 1) / 3
result[1] = (0 + 1 + 2) / 3  = 1        ==   (sum + 2) / 3
result[2] = (1 + 2 + 3) / 3  = 2        ==   (sum + 3) / 3

从元素N+1开始，简单的累加是行不通的。我们期望的结果是[3]=(2 + 3 + 4)/3 = 3，但这与(sum + 4)/3 = 3.333不同。

计算正确值的方法是用sum+4减去数据[0]= 1，从而得到sum+4 - 1 = 9。

这是因为目前sum =数据[0]+数据[1]+数据[2]，但对于每个i >= N也是如此，因为在减法之前，sum是数据[i-N] +…+ data[i-2] + data[i-1]。

我觉得使用瓶颈可以很好地解决这个问题

参见下面的基本示例:

import numpy as np
import bottleneck as bn

a = np.random.randint(4, 1000, size=100)
mm = bn.move_mean(a, window=5, min_count=1)

“mm”是“a”的移动平均值。 “窗口”是考虑移动均值的最大条目数。 "min_count"是考虑移动平均值的最小条目数(例如，对于前几个元素或如果数组有nan值)。

好在瓶颈有助于处理nan值，而且非常高效。

有关现成的解决方案，请参见https://scipy-cookbook.readthedocs.io/items/SignalSmooth.html。 它提供了平窗类型的运行平均值。请注意，这比简单的do-it-yourself卷积方法要复杂一些，因为它试图通过反射数据来处理数据开头和结尾的问题(在您的情况下可能有效，也可能无效……)。

首先，你可以试着:

a = np.random.random(100)
plt.plot(a)
b = smooth(a, window='flat')
plt.plot(b)