使用NumPy高效实现2D数组滑动窗口操作

本教程详细介绍了如何在python中使用numpy库高效地实现2d数组的滑动窗口操作。针对传统循环方法的局限性，文章重点讲解了`numpy.lib.stride_tricks.sliding_window_view`函数的用法，包括其参数配置、与数组填充的结合应用，并提供了具体的代码示例，帮助读者以专业且优化的方式处理数据窗口化问题。

理解滑动窗口及其在Python中的实现挑战

滑动窗口（Sliding Window）是一种在数据处理中常用的技术，它通过一个固定大小的窗口在数据集上滑动，对窗口内的数据进行局部操作。这在图像处理（如卷积、滤波）、信号处理、时间序列分析等领域有着广泛的应用。

在Python中，对于多维数组（特别是2D数组），如果采用传统的嵌套循环来手动实现滑动窗口，代码会显得冗长且效率低下，尤其是在处理大型数据集时。例如，以下代码片段展示了使用循环和数组填充实现3x3滑动窗口提取邻居数据的方法：

import numpy as np

median_x_array = np.random.rand(10, 10) # 示例2D数组
window_size = 3
median_x_neighbors = []
# 使用pad_width=1和mode='wrap'进行填充，以处理边界情况
padded_array = np.pad(median_x_array, pad_width=1, mode='wrap')

for i in range(padded_array.shape[0] - window_size + 1):
    for j in range(padded_array.shape[1] - window_size + 1):
        subarray = padded_array[i:i+window_size, j:j+window_size]
        flattened_subarray = subarray.flatten()     
        median_x_neighbors.append(flattened_subarray)

# print(len(median_x_neighbors)) # 结果为 (10+2-3+1) * (10+2-3+1) = 10*10 = 100

尽管上述方法能够实现功能，但其性能瓶颈在于Python循环的开销，这对于NumPy数组操作而言并非最佳实践。

使用 numpy.lib.stride_tricks.sliding_window_view 进行优化

NumPy库提供了一个强大且高效的工具 numpy.lib.stride_tricks.sliding_window_view，它允许我们以“视图”的形式创建滑动窗口，而无需复制数据。这意味着它能显著提高性能并减少内存消耗。

sliding_window_view 函数详解

sliding_window_view(x, window_shape, axis=None, subok=False, writeable=False)

• x: 输入数组。
• window_shape: 一个整数或整数元组，定义了滑动窗口的形状。例如，对于3x3的窗口，window_shape 为 (3, 3)。
• axis: 可选参数，指定应用滑动窗口的轴。如果为 None，则应用于所有轴。
• subok: 可选参数，如果为 True，则返回子类数组。
• writeable: 可选参数，如果为 True，则返回的视图是可写的。

sliding_window_view 的核心思想是利用NumPy的步幅（strides）机制，通过改变视图的步幅和形状来“模拟”滑动窗口，而实际数据在内存中仍然是连续存储的。

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实际应用示例：2D数组的滑动窗口

结合之前手动实现的场景，我们可以使用 sliding_window_view 来高效地完成任务。首先，我们需要像之前一样对原始数组进行填充，以处理边界情况（例如，当窗口部分超出数组边缘时）。

import numpy as np
from numpy.lib.stride_tricks import sliding_window_view

# 示例2D数组
median_x_array = np.random.rand(10, 10) 
window_size = 3

# 1. 数组填充
# 使用pad_width=1（上下左右各填充1个单位）和mode='wrap'（循环填充）
padded_array = np.pad(median_x_array, pad_width=1, mode='wrap')

# 2. 使用 sliding_window_view 创建滑动窗口视图
# window_shape=(window_size, window_size) 定义了3x3的窗口
rolling_views = sliding_window_view(padded_array, (window_size, window_size))

# 3. 提取并处理每个窗口的数据
median_x_neighbors_optimized = []
# rolling_views 的形状会是 (原始行数, 原始列数, 窗口行数, 窗口列数)
# 例如，对于10x10填充后12x12的数组，3x3窗口，rolling_views的形状将是 (10, 10, 3, 3)
# 我们可以直接遍历前两个维度，每个元素就是我们想要的3x3窗口
for i in range(rolling_views.shape[0]):
    for j in range(rolling_views.shape[1]):
        window_data = rolling_views[i, j]
        median_x_neighbors_optimized.append(window_data.flatten())

# print(len(median_x_neighbors_optimized)) # 同样是100个窗口
# print(median_x_neighbors_optimized[0].shape) # 每个窗口是展平后的9个元素

在这个优化后的代码中：

• np.pad 用于对原始数组进行填充，以确保滑动窗口在边缘位置也能有完整的3x3邻居。mode='wrap' 表示使用循环方式填充，即从数组的另一端取值填充。
• sliding_window_view(padded_array, (window_size, window_size)) 生成了一个新的视图。这个视图的维度会增加，前两个维度对应于原始数组（或填充后可容纳窗口的区域）上窗口的起始位置，后两个维度对应于窗口本身的形状。
• 通过遍历 rolling_views 的前两个维度，我们可以直接获取到每个滑动窗口的数据，然后对其进行展平处理。

进一步优化：直接对视图应用操作

对于某些操作（如求中位数、平均值等），NumPy允许我们直接在 rolling_views 上进行操作，而无需显式地遍历和展平每个窗口。例如，如果想计算每个窗口的中位数：

# 假设我们想计算每个3x3窗口的中位数
# rolling_views 的形状是 (10, 10, 3, 3)
# 我们可以沿着最后两个轴（窗口的行和列）计算中位数
window_medians = np.median(rolling_views, axis=(-2, -1))
# window_medians 的形状将是 (10, 10)，每个元素对应一个窗口的中位数
# print(window_medians.shape)

这种方式进一步提升了代码的简洁性和执行效率，充分利用了NumPy的矢量化特性。

注意事项与总结

1. 内存效率: sliding_window_view 返回的是一个视图，而不是数据的副本，这使得它在处理大型数组时非常高效。
2. 边界处理: 在使用滑动窗口时，如何处理数组边缘是一个关键问题。np.pad 提供了多种填充模式（如 constant, edge, reflect, wrap 等），应根据具体需求选择合适的模式。
3. 操作选择: 对于简单的聚合操作（如 mean, median, sum, std），可以直接在 sliding_window_view 返回的视图上指定 axis 参数进行矢量化计算。对于更复杂的逐窗口操作，可能仍然需要遍历视图并应用自定义函数，但即使如此，获取窗口数据本身也比手动切片高效。
4. 可读性: 相比于嵌套循环，使用 sliding_window_view 极大地提高了代码的可读性和简洁性。

通过掌握 numpy.lib.stride_tricks.sliding_window_view，开发者可以更专业、更高效地在Python中实现多维数组的滑动窗口操作，从而优化数据处理和分析的性能。

以上就是使用NumPy高效实现2D数组滑动窗口操作的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！