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python基于三階貝塞爾曲線的數據平滑算法

發布時間:2020-09-26 11:16:11 來源:腳本之家 閱讀:483 作者:天元浪子 欄目:開發技術

前言

很多文章在談及曲線平滑的時候,習慣使用擬合的概念,我認為這是不恰當的。平滑后的曲線,一定經過原始的數據點,而擬合曲線,則不一定要經過原始數據點。

一般而言,需要平滑的數據分為兩種:時間序列的單值數據、時間序列的二維數據。對于前者,并非一定要用貝塞爾算法,僅用樣條插值就可以輕松實現平滑;而對于后者,不管是 numpy 還是 scipy 提供的那些插值算法,就都不適用了。

本文基于三階貝塞爾曲線,實現了時間序列的單值數據和時間序列的二維數據的平滑算法,可滿足大多數的平滑需求。

貝塞爾曲線

關于貝塞爾曲線的數學原理,這里就不討論了,直接貼出結論:

一階貝塞爾曲線

python基于三階貝塞爾曲線的數據平滑算法

python基于三階貝塞爾曲線的數據平滑算法

二階貝塞爾曲線

python基于三階貝塞爾曲線的數據平滑算法

python基于三階貝塞爾曲線的數據平滑算法

三階貝塞爾曲線

python基于三階貝塞爾曲線的數據平滑算法

python基于三階貝塞爾曲線的數據平滑算法

算法描述

如果我們把三階貝塞爾曲線的 P0 和 P3 視為原始數據,只要找到 P1 和 P2 兩個點(我們稱其為控制點),就可以根據三階貝塞爾曲線公式,計算出 P0 和 P3 之間平滑曲線上的任意點。

python基于三階貝塞爾曲線的數據平滑算法

現在,平滑問題變成了如何計算兩個原始數據點之間的控制點的問題。步驟如下:

第1步:綠色直線連接相鄰的原始數據點,計算出個線段的中點,紅色直線連接相鄰的中點

python基于三階貝塞爾曲線的數據平滑算法

第2步:根據相鄰兩條綠色直線長度之比,分割其中點之間紅色連線,標記分割點

python基于三階貝塞爾曲線的數據平滑算法

第3步:平移紅色連線,使其分割點與相對的原始數據點重合

python基于三階貝塞爾曲線的數據平滑算法

第4步:調整平移后紅色連線的端點與原始數據點的距離,通常縮減40%-80%

python基于三階貝塞爾曲線的數據平滑算法

算法實現

# -*- coding: utf-8 -*-

import numpy as np

def bezier_curve(p0, p1, p2, p3, inserted):
 """
 三階貝塞爾曲線
 
 p0, p1, p2, p3 - 點坐標,tuple、list或numpy.ndarray類型
 inserted  - p0和p3之間插值的數量
 """
 
 assert isinstance(p0, (tuple, list, np.ndarray)), u'點坐標不是期望的元組、列表或numpy數組類型'
 assert isinstance(p0, (tuple, list, np.ndarray)), u'點坐標不是期望的元組、列表或numpy數組類型'
 assert isinstance(p0, (tuple, list, np.ndarray)), u'點坐標不是期望的元組、列表或numpy數組類型'
 assert isinstance(p0, (tuple, list, np.ndarray)), u'點坐標不是期望的元組、列表或numpy數組類型'
 
 if isinstance(p0, (tuple, list)):
  p0 = np.array(p0)
 if isinstance(p1, (tuple, list)):
  p1 = np.array(p1)
 if isinstance(p2, (tuple, list)):
  p2 = np.array(p2)
 if isinstance(p3, (tuple, list)):
  p3 = np.array(p3)
 
 points = list()
 for t in np.linspace(0, 1, inserted+2):
  points.append(p0*np.power((1-t),3) + 3*p1*t*np.power((1-t),2) + 3*p2*(1-t)*np.power(t,2) + p3*np.power(t,3))
 
 return np.vstack(points)


def smoothing_base_bezier(date_x, date_y, k=0.5, inserted=10, closed=False):
 """
 基于三階貝塞爾曲線的數據平滑算法
 
 date_x  - x維度數據集,list或numpy.ndarray類型
 date_y  - y維度數據集,list或numpy.ndarray類型
 k   - 調整平滑曲線形狀的因子,取值一般在0.2~0.6之間。默認值為0.5
 inserted - 兩個原始數據點之間插值的數量。默認值為10
 closed  - 曲線是否封閉,如是,則首尾相連。默認曲線不封閉
 """
 
 assert isinstance(date_x, (list, np.ndarray)), u'x數據集不是期望的列表或numpy數組類型'
 assert isinstance(date_y, (list, np.ndarray)), u'y數據集不是期望的列表或numpy數組類型'
 
 if isinstance(date_x, list) and isinstance(date_y, list):
  assert len(date_x)==len(date_y), u'x數據集和y數據集長度不匹配'
  date_x = np.array(date_x)
  date_y = np.array(date_y)
 elif isinstance(date_x, np.ndarray) and isinstance(date_y, np.ndarray):
  assert date_x.shape==date_y.shape, u'x數據集和y數據集長度不匹配'
 else:
  raise Exception(u'x數據集或y數據集類型錯誤')
 
 # 第1步:生成原始數據折線中點集
 mid_points = list()
 for i in range(1, date_x.shape[0]):
  mid_points.append({
   'start': (date_x[i-1], date_y[i-1]),
   'end':  (date_x[i], date_y[i]),
   'mid':  ((date_x[i]+date_x[i-1])/2.0, (date_y[i]+date_y[i-1])/2.0)
  })
 
 if closed:
  mid_points.append({
   'start': (date_x[-1], date_y[-1]),
   'end':  (date_x[0], date_y[0]),
   'mid':  ((date_x[0]+date_x[-1])/2.0, (date_y[0]+date_y[-1])/2.0)
  })
 
 # 第2步:找出中點連線及其分割點
 split_points = list()
 for i in range(len(mid_points)):
  if i < (len(mid_points)-1):
   j = i+1
  elif closed:
   j = 0
  else:
   continue
  
  x00, y00 = mid_points[i]['start']
  x01, y01 = mid_points[i]['end']
  x10, y10 = mid_points[j]['start']
  x11, y11 = mid_points[j]['end']
  d0 = np.sqrt(np.power((x00-x01), 2) + np.power((y00-y01), 2))
  d1 = np.sqrt(np.power((x10-x11), 2) + np.power((y10-y11), 2))
  k_split = 1.0*d0/(d0+d1)
  
  mx0, my0 = mid_points[i]['mid']
  mx1, my1 = mid_points[j]['mid']
  
  split_points.append({
   'start': (mx0, my0),
   'end':  (mx1, my1),
   'split': (mx0+(mx1-mx0)*k_split, my0+(my1-my0)*k_split)
  })
 
 # 第3步:平移中點連線,調整端點,生成控制點
 crt_points = list()
 for i in range(len(split_points)):
  vx, vy = mid_points[i]['end'] # 當前頂點的坐標
  dx = vx - split_points[i]['split'][0] # 平移線段x偏移量
  dy = vy - split_points[i]['split'][1] # 平移線段y偏移量
  
  sx, sy = split_points[i]['start'][0]+dx, split_points[i]['start'][1]+dy # 平移后線段起點坐標
  ex, ey = split_points[i]['end'][0]+dx, split_points[i]['end'][1]+dy # 平移后線段終點坐標
  
  cp0 = sx+(vx-sx)*k, sy+(vy-sy)*k # 控制點坐標
  cp1 = ex+(vx-ex)*k, ey+(vy-ey)*k # 控制點坐標
  
  if crt_points:
   crt_points[-1].insert(2, cp0)
  else:
   crt_points.append([mid_points[0]['start'], cp0, mid_points[0]['end']])
  
  if closed:
   if i < (len(mid_points)-1):
    crt_points.append([mid_points[i+1]['start'], cp1, mid_points[i+1]['end']])
   else:
    crt_points[0].insert(1, cp1)
  else:
   if i < (len(mid_points)-2):
    crt_points.append([mid_points[i+1]['start'], cp1, mid_points[i+1]['end']])
   else:
    crt_points.append([mid_points[i+1]['start'], cp1, mid_points[i+1]['end'], mid_points[i+1]['end']])
    crt_points[0].insert(1, mid_points[0]['start'])
 
 # 第4步:應用貝塞爾曲線方程插值
 out = list()
 for item in crt_points:
  group = bezier_curve(item[0], item[1], item[2], item[3], inserted)
  out.append(group[:-1])
 
 out.append(group[-1:])
 out = np.vstack(out)
 
 return out.T[0], out.T[1]


if __name__ == '__main__':
 import matplotlib.pyplot as plt
 
 x = np.array([2,4,4,3,2])
 y = np.array([2,2,4,3,4])
	
	plt.plot(x, y, 'ro')
 x_curve, y_curve = smoothing_base_bezier(x, y, k=0.3, closed=True)
 plt.plot(x_curve, y_curve, label='$k=0.3$')
 x_curve, y_curve = smoothing_base_bezier(x, y, k=0.4, closed=True)
 plt.plot(x_curve, y_curve, label='$k=0.4$')
 x_curve, y_curve = smoothing_base_bezier(x, y, k=0.5, closed=True)
 plt.plot(x_curve, y_curve, label='$k=0.5$')
 x_curve, y_curve = smoothing_base_bezier(x, y, k=0.6, closed=True)
 plt.plot(x_curve, y_curve, label='$k=0.6$')
 plt.legend(loc='best')
 
 plt.show()

下圖為平滑效果。左側是封閉曲線,兩個原始數據點之間插值數量為默認值10;右側為同樣數據不封閉的效果,k值默認0.5.

python基于三階貝塞爾曲線的數據平滑算法

參考資料

算法參考了 Interpolation with Bezier Curves 這個網頁,里面沒有關于作者的任何信息,在此只能籠統地向國際友人表示感謝!

以上就是本文的全部內容,希望對大家的學習有所幫助,也希望大家多多支持億速云。

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