我在帮助一家兽医诊所测量狗爪下的压力。我使用Python进行数据分析,现在我正试图将爪子划分为(解剖学上的)子区域。

我为每个爪子制作了一个2D数组,其中包括爪子随时间加载的每个传感器的最大值。这里有一个单爪的例子,我使用Excel绘制我想要“检测”的区域。传感器周围是2 * 2的方框带有局部最大值,它们加起来的和最大。

所以我尝试了一些实验,并决定简单地寻找每一列和每一行的最大值(由于爪子的形状,不能只看一个方向)。这似乎能很好地“检测”到不同脚趾的位置,但也能标记出相邻的传感器。

那么告诉Python哪些最大值是我想要的最好方法是什么呢?

注意:2x2的方块不能重叠,因为它们必须是分开的脚趾!

此外,我选择了2x2作为方便,任何更高级的解决方案都是受欢迎的,但我只是一个人类运动科学家,所以我既不是真正的程序员也不是数学家,所以请保持“简单”。

下面是一个可以用np.loadtxt加载的版本


结果

所以我尝试了@jextee的解决方案(见下面的结果)。正如你所看到的,它对前爪很有效,但对后腿就不那么有效了。

更具体地说,它无法识别第四个脚趾的小峰。这显然是固有的事实,即循环从上向下看最低值,而不考虑它在哪里。

有没有人知道如何调整@jextee的算法,让它也能找到第四个脚趾?

因为我还没有处理其他的试验,所以我无法提供其他的样品。但我之前给出的数据是每个爪子的平均值。这个文件是一个数组,其中包含9只爪子的最大数据,按照它们与盘子接触的顺序排列。

这张照片显示了它们在空间上是如何分布在板块上的。

更新:

我已经为任何感兴趣的人建立了一个博客,我已经设置了一个OneDrive与所有的原始测量。因此,对于任何要求更多数据的人:给你更多力量!


新更新:

所以在我得到关于爪子检测和爪子分类的问题的帮助后,我终于能够检查每个爪子的脚趾检测!事实证明,除了像我自己例子中那样大的爪子,它在其他地方都不太管用。当然,事后看来,是我自己的错,我这么武断地选择了2x2。

这里有一个很好的例子,它错在哪里:指甲被识别为脚趾,而“脚跟”太宽了,它被识别了两次!

爪子太大了,所以采用没有重叠的2x2尺寸,会导致一些脚趾被检测两次。反过来,在小型犬中,它经常找不到第5个脚趾,我怀疑这是由于2x2面积太大造成的。

在对我所有的测量都尝试了当前的解决方案后,我得出了一个惊人的结论,几乎所有的小狗都没有发现第5个脚趾,而在超过50%的大型狗的冲击中,它会发现更多!

显然我需要改变它。我自己的想法是改变社区的大小,让小狗住的地方更小,大狗住的地方更大。但是generate_binary_structure不允许我改变数组的大小。

因此,我希望其他人有更好的建议来定位脚趾,也许是脚趾面积与爪子大小的比例?


当前回答

只是想告诉你们,有一个很好的选项可以用python在图像中找到局部最大值:

from skimage.feature import peak_local_max

或者对于skimage 0.8.0:

from skimage.feature.peak import peak_local_max

http://scikit-image.org/docs/0.8.0/api/skimage.feature.peak.html

其他回答

我用局部最大滤波器检测了峰值。下面是你的第一个4个爪子数据集的结果:

我还在9个爪子的第二个数据集上运行了它,效果也很好。

你可以这样做:

import numpy as np
from scipy.ndimage.filters import maximum_filter
from scipy.ndimage.morphology import generate_binary_structure, binary_erosion
import matplotlib.pyplot as pp

#for some reason I had to reshape. Numpy ignored the shape header.
paws_data = np.loadtxt("paws.txt").reshape(4,11,14)

#getting a list of images
paws = [p.squeeze() for p in np.vsplit(paws_data,4)]


def detect_peaks(image):
    """
    Takes an image and detect the peaks usingthe local maximum filter.
    Returns a boolean mask of the peaks (i.e. 1 when
    the pixel's value is the neighborhood maximum, 0 otherwise)
    """

    # define an 8-connected neighborhood
    neighborhood = generate_binary_structure(2,2)

    #apply the local maximum filter; all pixel of maximal value 
    #in their neighborhood are set to 1
    local_max = maximum_filter(image, footprint=neighborhood)==image
    #local_max is a mask that contains the peaks we are 
    #looking for, but also the background.
    #In order to isolate the peaks we must remove the background from the mask.

    #we create the mask of the background
    background = (image==0)

    #a little technicality: we must erode the background in order to 
    #successfully subtract it form local_max, otherwise a line will 
    #appear along the background border (artifact of the local maximum filter)
    eroded_background = binary_erosion(background, structure=neighborhood, border_value=1)

    #we obtain the final mask, containing only peaks, 
    #by removing the background from the local_max mask (xor operation)
    detected_peaks = local_max ^ eroded_background

    return detected_peaks


#applying the detection and plotting results
for i, paw in enumerate(paws):
    detected_peaks = detect_peaks(paw)
    pp.subplot(4,2,(2*i+1))
    pp.imshow(paw)
    pp.subplot(4,2,(2*i+2) )
    pp.imshow(detected_peaks)

pp.show()

之后你所需要做的就是在蒙版上使用scipy. nmage .measurements.label来标记所有不同的对象。然后你就可以单独和他们玩了。

注意,该方法工作得很好,因为背景没有噪声。如果是的话,你会在背景中检测到一堆其他不想要的峰。另一个重要因素是社区的大小。如果峰值大小发生变化,您将需要调整它(应该保持大致成比例)。

我相信你现在已经有足够的信息了,但我忍不住建议使用k-均值聚类方法。k-means是一种无监督聚类算法,它将你的数据(在任何维度上-我碰巧在3D中这样做),并将其排列成k个具有明显边界的聚类。这里很好,因为你确切地知道这些犬齿应该有多少脚趾。

此外,它是在Scipy中实现的,非常好(http://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/cluster.vq.html)。

下面是它在空间上解析3D集群的一个例子:

你想要做的有点不同(2D,包括压力值),但我仍然认为你可以尝试一下。

好吧,这里有一些简单而不是非常有效的代码,但对于这样大的数据集来说,这是很好的。

import numpy as np
grid = np.array([[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0],
              [0,0,0,0,0,0,0,0,0.4,0.4,0.4,0,0,0],
              [0,0,0,0,0.4,1.4,1.4,1.8,0.7,0,0,0,0,0],
              [0,0,0,0,0.4,1.4,4,5.4,2.2,0.4,0,0,0,0],
              [0,0,0.7,1.1,0.4,1.1,3.2,3.6,1.1,0,0,0,0,0],
              [0,0.4,2.9,3.6,1.1,0.4,0.7,0.7,0.4,0.4,0,0,0,0],
              [0,0.4,2.5,3.2,1.8,0.7,0.4,0.4,0.4,1.4,0.7,0,0,0],
              [0,0,0.7,3.6,5.8,2.9,1.4,2.2,1.4,1.8,1.1,0,0,0],
              [0,0,1.1,5,6.8,3.2,4,6.1,1.8,0.4,0.4,0,0,0],
              [0,0,0.4,1.1,1.8,1.8,4.3,3.2,0.7,0,0,0,0,0],
              [0,0,0,0,0,0.4,0.7,0.4,0,0,0,0,0,0]])

arr = []
for i in xrange(grid.shape[0] - 1):
    for j in xrange(grid.shape[1] - 1):
        tot = grid[i][j] + grid[i+1][j] + grid[i][j+1] + grid[i+1][j+1]
        arr.append([(i,j),tot])

best = []

arr.sort(key = lambda x: x[1])

for i in xrange(5):
    best.append(arr.pop())
    badpos = set([(best[-1][0][0]+x,best[-1][0][1]+y)
                  for x in [-1,0,1] for y in [-1,0,1] if x != 0 or y != 0])
    for j in xrange(len(arr)-1,-1,-1):
        if arr[j][0] in badpos:
            arr.pop(j)


for item in best:
    print grid[item[0][0]:item[0][0]+2,item[0][1]:item[0][1]+2]

我基本上只是用左上角的位置和每个2x2平方的和来做一个数组,然后根据和来排序。然后我把和最高的2x2平方从竞争中取出,把它放在最好的数组中,然后删除所有其他使用了这个2x2平方的部分的2x2平方。

It seems to work fine except with the last paw (the one with the smallest sum on the far right in your first picture), it turns out that there are two other eligible 2x2 squares with a larger sum (and they have an equal sum to each other). One of them is still selects one square from your 2x2 square, but the other is off to the left. Fortunately, by luck we see to be choosing more of the one that you would want, but this may require some other ideas to be used to get what you actually want all of the time.

似乎你可以用jetxee的算法来欺骗一下。他发现前三个脚趾很好,你应该可以根据这个猜测出第四个脚趾的位置。

有趣的问题。我想尝试的解决方案如下。

应用一个低通滤波器,比如用二维高斯掩码卷积。这将给你一堆(可能,但不一定是浮点数)值。 使用每个爪垫(或脚趾)的已知近似半径执行2D非最大抑制。

这将为你提供最大的职位,而不是有多个候选人。澄清一下,第1步中蒙版的半径也应该与第2步中使用的半径相似。这个半径是可以选择的,或者兽医可以事先明确测量它(它会随着年龄/品种等而变化)。

建议的一些解决方案(均值漂移、神经网络等)可能在某种程度上是可行的,但它们过于复杂,可能并不理想。