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

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

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)

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)

你可以用以下方法计算运行平均值:

import numpy as np

def runningMean(x, N):
    y = np.zeros((len(x),))
    for ctr in range(len(x)):
         y[ctr] = np.sum(x[ctr:(ctr+N)])
    return y/N

但是速度很慢。

幸运的是,numpy包含一个卷积函数,我们可以用它来加快速度。运行均值相当于将x与一个长度为N的向量进行卷积,其中所有元素都等于1/N。卷积的numpy实现包括起始瞬态,所以你必须删除前N-1点:

def runningMeanFast(x, N):
    return np.convolve(x, np.ones((N,))/N)[(N-1):]

在我的机器上,快速版本要快20-30倍,这取决于输入向量的长度和平均窗口的大小。

请注意,卷积确实包括一个“相同”模式,它似乎应该解决开始的瞬态问题,但它在开始和结束之间分割。

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]。