Python中是否有SciPy函数或NumPy函数或模块来计算给定特定窗口的1D数组的运行平均值?
当前回答
你可以使用scipy. nmage .uniform_filter1d:
import numpy as np
from scipy.ndimage import uniform_filter1d
N = 1000
x = np.random.random(100000)
y = uniform_filter1d(x, size=N)
uniform_filter1d:
给出具有相同numpy形状的输出(即点数) 允许多种方式处理边界,其中'reflect'是默认的,但在我的情况下,我更想要'nearest'
它也相当快(比np快近50倍)。卷积,比上述cumsum方法快2-5倍):
%timeit y1 = np.convolve(x, np.ones((N,))/N, mode='same')
100 loops, best of 3: 9.28 ms per loop
%timeit y2 = uniform_filter1d(x, size=N)
10000 loops, best of 3: 191 µs per loop
这里有3个函数可以让你比较不同实现的错误/速度:
from __future__ import division
import numpy as np
import scipy.ndimage as ndi
def running_mean_convolve(x, N):
return np.convolve(x, np.ones(N) / float(N), 'valid')
def running_mean_cumsum(x, N):
cumsum = np.cumsum(np.insert(x, 0, 0))
return (cumsum[N:] - cumsum[:-N]) / float(N)
def running_mean_uniform_filter1d(x, N):
return ndi.uniform_filter1d(x, N, mode='constant', origin=-(N//2))[:-(N-1)]
其他回答
上面有很多关于计算运行平均值的答案。我的回答增加了两个额外的特征:
忽略nan值 计算N个相邻值的平均值,不包括兴趣值本身
这第二个特征对于确定哪些值与总体趋势有一定的差异特别有用。
我使用numpy。cumsum,因为这是最省时的方法(参见上面Alleo的回答)。
N=10 # number of points to test on each side of point of interest, best if even
padded_x = np.insert(np.insert( np.insert(x, len(x), np.empty(int(N/2))*np.nan), 0, np.empty(int(N/2))*np.nan ),0,0)
n_nan = np.cumsum(np.isnan(padded_x))
cumsum = np.nancumsum(padded_x)
window_sum = cumsum[N+1:] - cumsum[:-(N+1)] - x # subtract value of interest from sum of all values within window
window_n_nan = n_nan[N+1:] - n_nan[:-(N+1)] - np.isnan(x)
window_n_values = (N - window_n_nan)
movavg = (window_sum) / (window_n_values)
这段代码只适用于偶数n。它可以通过改变np来调整奇数。插入padded_x和n_nan。
输出示例(黑色为raw,蓝色为movavg):
这段代码可以很容易地修改,以删除从小于cutoff = 3的非nan值计算的所有移动平均值。
window_n_values = (N - window_n_nan).astype(float) # dtype must be float to set some values to nan
cutoff = 3
window_n_values[window_n_values<cutoff] = np.nan
movavg = (window_sum) / (window_n_values)
上面的一个答案中有一个mab的注释,它有这个方法。瓶颈有move_mean,这是一个简单的移动平均:
import numpy as np
import bottleneck as bn
a = np.arange(10) + np.random.random(10)
mva = bn.move_mean(a, window=2, min_count=1)
Min_count是一个很方便的参数,它可以取数组中该点的移动平均值。如果你不设置min_count,它将等于window,并且直到window points的所有内容都将是nan。
如果你选择自己生成,而不是使用现有的库,请注意浮点错误并尽量减少其影响:
class SumAccumulator:
def __init__(self):
self.values = [0]
self.count = 0
def add( self, val ):
self.values.append( val )
self.count = self.count + 1
i = self.count
while i & 0x01:
i = i >> 1
v0 = self.values.pop()
v1 = self.values.pop()
self.values.append( v0 + v1 )
def get_total(self):
return sum( reversed(self.values) )
def get_size( self ):
return self.count
如果所有的值都是大致相同的数量级,那么这将通过始终添加大致相似的数量级值来帮助保持精度。
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。
Python标准库解决方案
这个生成器函数接受一个可迭代对象和一个窗口大小为N的值,并生成窗口内当前值的平均值。它使用了deque,这是一种类似于列表的数据结构,但针对在两端进行快速修改(弹出、追加)进行了优化。
from collections import deque
from itertools import islice
def sliding_avg(iterable, N):
it = iter(iterable)
window = deque(islice(it, N))
num_vals = len(window)
if num_vals < N:
msg = 'window size {} exceeds total number of values {}'
raise ValueError(msg.format(N, num_vals))
N = float(N) # force floating point division if using Python 2
s = sum(window)
while True:
yield s/N
try:
nxt = next(it)
except StopIteration:
break
s = s - window.popleft() + nxt
window.append(nxt)
下面是函数的运行情况:
>>> values = range(100)
>>> N = 5
>>> window_avg = sliding_avg(values, N)
>>>
>>> next(window_avg) # (0 + 1 + 2 + 3 + 4)/5
>>> 2.0
>>> next(window_avg) # (1 + 2 + 3 + 4 + 5)/5
>>> 3.0
>>> next(window_avg) # (2 + 3 + 4 + 5 + 6)/5
>>> 4.0
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