Ответ 1
Если вы просто хотите (полу) смежных областей, в Python уже есть простая реализация: SciPy ndimage.morphology. Это довольно распространенная морфология изображений.
В принципе, у вас есть 5 шагов:
def find_paws(data, smooth_radius=5, threshold=0.0001):
data = sp.ndimage.uniform_filter(data, smooth_radius)
thresh = data > threshold
filled = sp.ndimage.morphology.binary_fill_holes(thresh)
coded_paws, num_paws = sp.ndimage.label(filled)
data_slices = sp.ndimage.find_objects(coded_paws)
return object_slices
-
Немного размять входные данные, чтобы убедиться, что лапы имеют непрерывный след. (Было бы более эффективно использовать большее ядро (
structurekwarg для различных функцийscipy.ndimage.morphology), но по какой-то причине это не работает должным образом...) -
Пороговое значение массива, чтобы иметь булевский массив мест, где давление превышает некоторое пороговое значение (т.е.
thresh = data > value) -
Заполните все внутренние отверстия, чтобы у вас были более чистые области (
filled = sp.ndimage.morphology.binary_fill_holes(thresh)) -
Найдите отдельные смежные области (
coded_paws, num_paws = sp.ndimage.label(filled)). Это возвращает массив с областями, закодированными по числу (каждая область является смежной областью уникального целого числа (от 1 до числа лап) с нулями всюду)). -
Изолируйте смежные области с помощью
data_slices = sp.ndimage.find_objects(coded_paws). Это возвращает список кортежей объектовslice, поэтому вы можете получить область данных для каждой лапы с помощью[data[x] for x in data_slices]. Вместо этого мы нарисуем прямоугольник на основе этих фрагментов, который требует немного больше работы.
В приведенной ниже анимации показаны примеры данных "Перекрывающие лапы" и "Группированные лапы". Этот метод работает отлично. (И для чего бы это ни стоило, это работает намного гладко, чем изображения GIF ниже на моей машине, поэтому алгоритм обнаружения лапы довольно быстрый...)
Вот полный пример (теперь с гораздо более подробными объяснениями). Подавляющее большинство из них читает ввод и делает анимацию. Фактическое обнаружение лапы составляет всего 5 строк кода.
import numpy as np
import scipy as sp
import scipy.ndimage
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.patches import Rectangle
def animate(input_filename):
"""Detects paws and animates the position and raw data of each frame
in the input file"""
# With matplotlib, it much, much faster to just update the properties
# of a display object than it is to create a new one, so we'll just update
# the data and position of the same objects throughout this animation...
infile = paw_file(input_filename)
# Since we're making an animation with matplotlib, we need
# ion() instead of show()...
plt.ion()
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111)
fig.suptitle(input_filename)
# Make an image based on the first frame that we'll update later
# (The first frame is never actually displayed)
im = ax.imshow(infile.next()[1])
# Make 4 rectangles that we can later move to the position of each paw
rects = [Rectangle((0,0), 1,1, fc='none', ec='red') for i in range(4)]
[ax.add_patch(rect) for rect in rects]
title = ax.set_title('Time 0.0 ms')
# Process and display each frame
for time, frame in infile:
paw_slices = find_paws(frame)
# Hide any rectangles that might be visible
[rect.set_visible(False) for rect in rects]
# Set the position and size of a rectangle for each paw and display it
for slice, rect in zip(paw_slices, rects):
dy, dx = slice
rect.set_xy((dx.start, dy.start))
rect.set_width(dx.stop - dx.start + 1)
rect.set_height(dy.stop - dy.start + 1)
rect.set_visible(True)
# Update the image data and title of the plot
title.set_text('Time %0.2f ms' % time)
im.set_data(frame)
im.set_clim([frame.min(), frame.max()])
fig.canvas.draw()
def find_paws(data, smooth_radius=5, threshold=0.0001):
"""Detects and isolates contiguous regions in the input array"""
# Blur the input data a bit so the paws have a continous footprint
data = sp.ndimage.uniform_filter(data, smooth_radius)
# Threshold the blurred data (this needs to be a bit > 0 due to the blur)
thresh = data > threshold
# Fill any interior holes in the paws to get cleaner regions...
filled = sp.ndimage.morphology.binary_fill_holes(thresh)
# Label each contiguous paw
coded_paws, num_paws = sp.ndimage.label(filled)
# Isolate the extent of each paw
data_slices = sp.ndimage.find_objects(coded_paws)
return data_slices
def paw_file(filename):
"""Returns a iterator that yields the time and data in each frame
The infile is an ascii file of timesteps formatted similar to this:
Frame 0 (0.00 ms)
0.0 0.0 0.0
0.0 0.0 0.0
Frame 1 (0.53 ms)
0.0 0.0 0.0
0.0 0.0 0.0
...
"""
with open(filename) as infile:
while True:
try:
time, data = read_frame(infile)
yield time, data
except StopIteration:
break
def read_frame(infile):
"""Reads a frame from the infile."""
frame_header = infile.next().strip().split()
time = float(frame_header[-2][1:])
data = []
while True:
line = infile.next().strip().split()
if line == []:
break
data.append(line)
return time, np.array(data, dtype=np.float)
if __name__ == '__main__':
animate('Overlapping paws.bin')
animate('Grouped up paws.bin')
animate('Normal measurement.bin')
Обновление:. Что касается определения того, какая лапа находится в контакте с датчиком в какое время, самым простым решением является просто сделать тот же анализ, но использовать сразу все данные. (т.е. складывать вход в трехмерный массив и работать с ним вместо отдельных временных рамок). Поскольку функции niimage SciPy предназначены для работы с n-мерными массивами, нам не нужно изменять исходную функцию поиска лапы на всех.
# This uses functions (and imports) in the previous code example!!
def paw_regions(infile):
# Read in and stack all data together into a 3D array
data, time = [], []
for t, frame in paw_file(infile):
time.append(t)
data.append(frame)
data = np.dstack(data)
time = np.asarray(time)
# Find and label the paw impacts
data_slices, coded_paws = find_paws(data, smooth_radius=4)
# Sort by time of initial paw impact... This way we can determine which
# paws are which relative to the first paw with a simple modulo 4.
# (Assuming a 4-legged dog, where all 4 paws contacted the sensor)
data_slices.sort(key=lambda dat_slice: dat_slice[2].start)
# Plot up a simple analysis
fig = plt.figure()
ax1 = fig.add_subplot(2,1,1)
annotate_paw_prints(time, data, data_slices, ax=ax1)
ax2 = fig.add_subplot(2,1,2)
plot_paw_impacts(time, data_slices, ax=ax2)
fig.suptitle(infile)
def plot_paw_impacts(time, data_slices, ax=None):
if ax is None:
ax = plt.gca()
# Group impacts by paw...
for i, dat_slice in enumerate(data_slices):
dx, dy, dt = dat_slice
paw = i%4 + 1
# Draw a bar over the time interval where each paw is in contact
ax.barh(bottom=paw, width=time[dt].ptp(), height=0.2,
left=time[dt].min(), align='center', color='red')
ax.set_yticks(range(1, 5))
ax.set_yticklabels(['Paw 1', 'Paw 2', 'Paw 3', 'Paw 4'])
ax.set_xlabel('Time (ms) Since Beginning of Experiment')
ax.yaxis.grid(True)
ax.set_title('Periods of Paw Contact')
def annotate_paw_prints(time, data, data_slices, ax=None):
if ax is None:
ax = plt.gca()
# Display all paw impacts (sum over time)
ax.imshow(data.sum(axis=2).T)
# Annotate each impact with which paw it is
# (Relative to the first paw to hit the sensor)
x, y = [], []
for i, region in enumerate(data_slices):
dx, dy, dz = region
# Get x,y center of slice...
x0 = 0.5 * (dx.start + dx.stop)
y0 = 0.5 * (dy.start + dy.stop)
x.append(x0); y.append(y0)
# Annotate the paw impacts
ax.annotate('Paw %i' % (i%4 +1), (x0, y0),
color='red', ha='center', va='bottom')
# Plot line connecting paw impacts
ax.plot(x,y, '-wo')
ax.axis('image')
ax.set_title('Order of Steps')
