【问题标题】:Minimal edge-to-edge euclidean distance between labeled components in numpy arraynumpy数组中标记组件之间的最小边到边欧几里得距离
【发布时间】:2016-09-10 17:56:52
【问题描述】:

我在大型numpy 数组中有许多不同的形式,我想使用numpyscipy 计算它们之间的边到边欧几里得距离。

注意:我进行了搜索,这与堆栈上之前的其他问题不同,因为我想获得数组中标记的补丁之间的最小距离,而不是像其他点或单独的数组之间的距离问题已提出。

我当前的方法使用 KDTree,但对于大型数组来说效率非常低。本质上,我正在查找每个标记组件的坐标并计算所有其他组件之间的距离。最后以平均最小距离为例进行计算。

我正在寻找一种使用 python 的更智能的方法,最好不要使用任何额外的模块。

import numpy
from scipy import spatial
from scipy import ndimage

# Testing array
a = numpy.zeros((8,8), dtype=numpy.int)
a[2,2] = a[3,1] = a[3,2] = 1
a[2,6] = a[2,7] = a[1,6] = 1
a[5,5] = a[5,6] = a[6,5] = a[6,6] = a[7,5] = a[7,6] = 1    

# label it
labeled_array,numpatches = ndimage.label(a)

# For number of patches
closest_points = []
for patch in [x+1 for x in range(numpatches)]:
# Get coordinates of first patch
    x,y = numpy.where(labeled_array==patch)
    coords = numpy.vstack((x,y)).T # transform into array
    # Built a KDtree of the coords of the first patch
    mt = spatial.cKDTree(coords)

    for patch2 in [i+1 for i in range(numpatches)]:
        if patch == patch2: # If patch is the same as the first, skip
            continue
        # Get coordinates of second patch
        x2,y2 = numpy.where(labeled_array==patch2)
        coords2 = numpy.vstack((x2,y2)).T

        # Now loop through points
        min_res = []
        for pi in range(len(coords2)):
            dist, indexes = mt.query(coords2[pi]) # query the distance and index
            min_res.append([dist,pi])
        m = numpy.vstack(min_res)
        # Find minimum as closed point and get index of coordinates
        closest_points.append( coords2[m[numpy.argmin(m,axis=0)[0]][1]] )


# The average euclidean distance can then be calculated like this:
spatial.distance.pdist(closest_points,metric = "euclidean").mean()

编辑 刚刚测试了@morningsun 提出的解决方案,这是一个巨大的速度提升。但是返回的值略有不同:

# Consider for instance the following array
a = numpy.zeros((8,8), dtype=numpy.int)
a[2,2] = a[2,6] = a[5,5] = 1  

labeled_array, numpatches = ndimage.label(cl_array,s)

# Previous approach using KDtrees and pdist
b = kd(labeled_array,numpatches)
spatial.distance.pdist(b,metric = "euclidean").mean()
#> 3.0413115592767102

# New approach using the lower matrix and selecting only lower distances
b = numpy.tril( feature_dist(labeled_array) )
b[b == 0 ] = numpy.nan
numpy.nanmean(b)
#> 3.8016394490958878

编辑 2

啊,想通了。 spatial.distance.pdist 没有返回正确的距离矩阵,因此值是错误的。

【问题讨论】:

    标签: numpy image-processing scipy euclidean-distance connected-components


    【解决方案1】:

    这是一种完全矢量化的方法来找到标记对象的距离矩阵:

    import numpy as np
    from scipy.spatial.distance import cdist
    
    def feature_dist(input):
        """
        Takes a labeled array as returned by scipy.ndimage.label and 
        returns an intra-feature distance matrix.
        """
        I, J = np.nonzero(input)
        labels = input[I,J]
        coords = np.column_stack((I,J))
    
        sorter = np.argsort(labels)
        labels = labels[sorter]
        coords = coords[sorter]
    
        sq_dists = cdist(coords, coords, 'sqeuclidean')
    
        start_idx = np.flatnonzero(np.r_[1, np.diff(labels)])
        nonzero_vs_feat = np.minimum.reduceat(sq_dists, start_idx, axis=1)
        feat_vs_feat = np.minimum.reduceat(nonzero_vs_feat, start_idx, axis=0)
    
        return np.sqrt(feat_vs_feat)
    

    这种方法需要 O(N2) 内存,其中 N 是非零像素的数量。如果这要求太高,您可以沿一个轴“去矢量化”它(添加一个 for 循环)。

    【讨论】:

    • 谢谢你!我刚刚在我的一个数据集上对其进行了测试,它的运行速度快了近 89%。矢量化的力量。虽然我不完全理解为什么要计算“sqeuclidean”。如果尝试计算所有差异的平均值,它也会返回不同的值(参见有问题的编辑)。
    • 啊,想通了(见上文)。 Pdist 没有返回正确的距离矩阵,因此我以前的值是错误的......再次感谢您的解决方案!
    • @Curlew - 平方欧几里得计算速度更快。请注意,我仅将它用于中间结果;在 return 语句中取平方根。
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