从给定步幅/步长大小的 numpy 数组中获取子数组

2024-12-11 08:47:00
admin
原创
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摘要:问题描述:假设我有一个 Python Numpy 数组a。a = numpy.array([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]) 我想从这个长度为 5、步长为 3 的数组中创建一个子序列矩阵。因此结果矩阵将如下所示:numpy.array([[1,2,3,4,5],[4,5,6,7,8],[7,...

问题描述:

假设我有一个 Python Numpy 数组a

a = numpy.array([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11])

我想从这个长度为 5、步长为 3 的数组中创建一个子序列矩阵。因此结果矩阵将如下所示:

numpy.array([[1,2,3,4,5],[4,5,6,7,8],[7,8,9,10,11]])

实现这一点的一个可能方法是使用 for 循环。

result_matrix = np.zeros((3, 5))
for i in range(0, len(a), 3):
  result_matrix[i] = a[i:i+5]

有没有更简洁的方法在 Numpy 中实现这一点?


解决方案 1:

方法 1: 使用broadcasting-

def broadcasting_app(a, L, S ):  # Window len = L, Stride len/stepsize = S
    nrows = ((a.size-L)//S)+1
    return a[S*np.arange(nrows)[:,None] + np.arange(L)]

方法 2:使用更有效的NumPy strides-

def strided_app(a, L, S ):  # Window len = L, Stride len/stepsize = S
    nrows = ((a.size-L)//S)+1
    n = a.strides[0]
    return np.lib.stride_tricks.as_strided(a, shape=(nrows,L), strides=(S*n,n))

样本运行 -

In [143]: a
Out[143]: array([ 1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11])

In [144]: broadcasting_app(a, L = 5, S = 3)
Out[144]: 
array([[ 1,  2,  3,  4,  5],
       [ 4,  5,  6,  7,  8],
       [ 7,  8,  9, 10, 11]])

In [145]: strided_app(a, L = 5, S = 3)
Out[145]: 
array([[ 1,  2,  3,  4,  5],
       [ 4,  5,  6,  7,  8],
       [ 7,  8,  9, 10, 11]])

解决方案 2:

从 开始Numpy 1.20,我们可以利用新功能sliding_window_view来滑动/滚动元素窗口。

再加上步进[::3],它就变成了:

from numpy.lib.stride_tricks import sliding_window_view

# values = np.array([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11])
sliding_window_view(values, window_shape = 5)[::3]
# array([[ 1,  2,  3,  4,  5],
#        [ 4,  5,  6,  7,  8],
#        [ 7,  8,  9, 10, 11]])

滑动的中间结果是:

sliding_window_view(values, window_shape = 5)
# array([[ 1,  2,  3,  4,  5],
#        [ 2,  3,  4,  5,  6],
#        [ 3,  4,  5,  6,  7],
#        [ 4,  5,  6,  7,  8],
#        [ 5,  6,  7,  8,  9],
#        [ 6,  7,  8,  9, 10],
#        [ 7,  8,  9, 10, 11]])

解决方案 3:

修改了 @Divakar 代码的版本,并进行检查以确保内存是连续的,并且返回的数组不能被修改。(变量名称已根据我的 DSP 应用程序进行了更改)。

def frame(a, framelen, frameadv):
"""frame - Frame a 1D array
a - 1D array
framelen - Samples per frame
frameadv - Samples between starts of consecutive frames
   Set to framelen for non-overlaping consecutive frames

Modified from Divakar's 10/17/16 11:20 solution:
https://stackoverflow.com/questions/40084931/taking-subarrays-from-numpy-array-with-given-stride-stepsize

CAVEATS:
Assumes array is contiguous
Output is not writable as there are multiple views on the same memory

"""

if not isinstance(a, np.ndarray) or \n   not (a.flags['C_CONTIGUOUS'] or a.flags['F_CONTIGUOUS']):
    raise ValueError("Input array a must be a contiguous numpy array")

# Output
nrows = ((a.size-framelen)//frameadv)+1
oshape = (nrows, framelen)

# Size of each element in a
n = a.strides[0]

# Indexing in the new object will advance by frameadv * element size
ostrides = (frameadv*n, n)
return np.lib.stride_tricks.as_strided(a, shape=oshape,
                                       strides=ostrides, writeable=False)
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