Se siete semplicemente desideroso (semi) regioni contigue, c'è già una facile implementazione in Python: SciPy 's ndimage.morphology modulo. Questa è un'operazione di morfologia dell'immagine abbastanza comune .
Fondamentalmente, hai 5 passaggi:
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
Sfocare un po 'i dati di input per assicurarsi che le zampe abbiano un footprint continuo. (Sarebbe più efficiente usare solo un kernel più grande (il structurekwarg per le varie scipy.ndimage.morphologyfunzioni) ma questo non funziona abbastanza correttamente per qualche motivo ...)
Soglia dell'array in modo da disporre di un array booleano di posizioni in cui la pressione supera un valore di soglia (ovvero thresh = data > value)
Riempi tutti i fori interni, in modo da avere regioni più pulite ( filled = sp.ndimage.morphology.binary_fill_holes(thresh))
Trova le regioni contigue separate ( coded_paws, num_paws = sp.ndimage.label(filled)). Ciò restituisce un array con le regioni codificate per numero (ogni regione è un'area contigua di un numero intero univoco (1 fino al numero di zampe) con zeri ovunque).
Isolare le regioni contigue usando data_slices = sp.ndimage.find_objects(coded_paws). Questo restituisce un elenco di tuple di sliceoggetti, in modo da poter ottenere la regione dei dati per ogni zampa con [data[x] for x in data_slices]. Invece, disegneremo un rettangolo basato su queste sezioni, che richiede un po 'più di lavoro.
Le due animazioni seguenti mostrano i dati di esempio "Paws sovrapposti" e "Paws raggruppati". Questo metodo sembra funzionare perfettamente. (E per quello che vale, funziona molto più agevolmente delle immagini GIF qui sotto sulla mia macchina, quindi l'algoritmo di rilevamento della zampa è abbastanza veloce ...)
Ecco un esempio completo (ora con spiegazioni molto più dettagliate). La stragrande maggioranza di questi sta leggendo l'input e facendo un'animazione. Il rilevamento effettivo della zampa è solo 5 righe di codice.
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's 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')
Aggiornamento: per quanto riguarda l'identificazione di quale zampa è in contatto con il sensore in quali orari, la soluzione più semplice è semplicemente fare la stessa analisi, ma utilizzare tutti i dati contemporaneamente. (ovvero impilare l'input in un array 3D e lavorare con esso, anziché i singoli intervalli di tempo). Poiché le funzioni ndimage di SciPy sono pensate per funzionare con array n-dimensionali, non è necessario modificare la funzione di individuazione della zampa originale affatto.
# 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')
