Se você está apenas querendo regiões (semi) contíguas, já existe uma implementação fácil no Python: o módulo ndimage.morphology do SciPy . Esta é uma operação morfológica de imagem bastante comum .
Basicamente, você tem 5 etapas:
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
Desfoque um pouco os dados de entrada para garantir que as patas tenham uma pegada contínua. (Seria mais eficiente usar apenas um kernel maior (o structurekwarg para as várias scipy.ndimage.morphologyfunções), mas isso não está funcionando corretamente por algum motivo ...)
Limite a matriz para que você tenha uma matriz booleana de locais onde a pressão está acima de algum valor limite (ou seja thresh = data > value)
Preencha os orifícios internos para ter regiões mais limpas ( filled = sp.ndimage.morphology.binary_fill_holes(thresh))
Encontre as regiões contíguas separadas ( coded_paws, num_paws = sp.ndimage.label(filled)). Isso retorna uma matriz com as regiões codificadas por número (cada região é uma área contígua de um número inteiro único (1 até o número de patas) com zeros em qualquer outro lugar)).
Isole as regiões contíguas usando data_slices = sp.ndimage.find_objects(coded_paws). Isso retorna uma lista de tuplas de sliceobjetos, para que você possa obter a região dos dados de cada pata [data[x] for x in data_slices]. Em vez disso, desenharemos um retângulo com base nessas fatias, o que exige um pouco mais de trabalho.
As duas animações abaixo mostram os dados de exemplo "Patas sobrepostas" e "Patas agrupadas". Este método parece estar funcionando perfeitamente. (E para o que vale a pena, isso é executado de maneira muito mais suave do que as imagens GIF abaixo na minha máquina, então o algoritmo de detecção de pata é bastante rápido ...)
Aqui está um exemplo completo (agora com explicações muito mais detalhadas). A grande maioria disso está lendo a entrada e fazendo uma animação. A detecção real da pata é de apenas 5 linhas de código.
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')
Atualização: Quanto à identificação de qual pata está em contato com o sensor em que horários, a solução mais simples é fazer a mesma análise, mas usar todos os dados de uma só vez. (ou seja, empilhe a entrada em uma matriz 3D e trabalhe com ela, em vez dos períodos de tempo individuais.) Como as funções ndimage do SciPy são destinadas a trabalhar com matrizes n-dimensionais, não precisamos modificar a função original de localização de patas em absoluto.
# 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')
