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
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
其他回答
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。
上述所有的解决方案都很差,因为它们缺乏
由于本机python而不是numpy向量化实现, 数值稳定性,由于numpy使用不当。cumsum或 由于O(len(x) * w)实现为卷积的速度。
鉴于
import numpy
m = 10000
x = numpy.random.rand(m)
w = 1000
注意x_[:w].sum()等于x[:w-1].sum()。因此,对于第一个平均值,numpy.cumsum(…)加上x[w] / w(通过x_[w+1] / w),并减去0(从x_[0] / w)。结果是x[0:w].mean()
通过cumsum,您将通过添加x[w+1] / w并减去x[0] / w来更新第二个平均值,从而得到x[1:w+1].mean()。
这将一直进行,直到到达x[-w:].mean()。
x_ = numpy.insert(x, 0, 0)
sliding_average = x_[:w].sum() / w + numpy.cumsum(x_[w:] - x_[:-w]) / w
这个解是向量化的,O(m),可读且数值稳定。
移动平均过滤器怎么样?它也是一个单行程序,它的优点是,如果你需要矩形以外的东西,你可以很容易地操作窗口类型。一个n长的简单移动平均数组a:
lfilter(np.ones(N)/N, [1], a)[N:]
应用三角形窗口后:
lfilter(np.ones(N)*scipy.signal.triang(N)/N, [1], a)[N:]
注:我通常会在最后丢弃前N个样本作为假的,因此[N:],但这是没有必要的,只是个人选择的问题。
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。
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)
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