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Python 3D多項式サーフェスフィット、順序に依存

私は現在、彗星の画像を含む天文データを扱っています。撮影時間（黄昏）のため、これらの画像の背景の空のグラデーションを削除したいと思います。そのために開発した最初のプログラムは、Matplotlibの「ginput」（x、y）からユーザーが選択したポイントを取得し、各座標（z）のデータを取得してから、SciPyの「griddata」を使用してデータを新しい配列にグリッド化しました。

背景はわずかにしか変化しないと想定されているので、この（x、y、z）点のセットに3D低次多項式を当てはめたいと思います。ただし、「griddata」では入力順序は許可されていません。

griddata(points,values, (dimension_x,dimension_y), method='nearest/linear/cubic')

使用できる別の関数や、順序を制御できるリース二乗フィットを開発する方法についてのアイデアはありますか？

pythonscipygeometry-surface
17
Sebastian De Pascuale

Griddataはスプラインフィッティングを使用します。 3次スプラインは、3次多項式と同じものではありません（代わりに、すべての点で異なる3次多項式です）。

2D、3次多項式をデータに適合させたい場合は、次のようにして、データポイントのallを使用して16個の係数を推定します。

import itertools
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def main():
    # Generate Data...
    numdata = 100
    x = np.random.random(numdata)
    y = np.random.random(numdata)
    z = x**2 + y**2 + 3*x**3 + y + np.random.random(numdata)

    # Fit a 3rd order, 2d polynomial
    m = polyfit2d(x,y,z)

    # Evaluate it on a grid...
    nx, ny = 20, 20
    xx, yy = np.meshgrid(np.linspace(x.min(), x.max(), nx), 
                         np.linspace(y.min(), y.max(), ny))
    zz = polyval2d(xx, yy, m)

    # Plot
    plt.imshow(zz, extent=(x.min(), y.max(), x.max(), y.min()))
    plt.scatter(x, y, c=z)
    plt.show()

def polyfit2d(x, y, z, order=3):
    ncols = (order + 1)**2
    G = np.zeros((x.size, ncols))
    ij = itertools.product(range(order+1), range(order+1))
    for k, (i,j) in enumerate(ij):
        G[:,k] = x**i * y**j
    m, _, _, _ = np.linalg.lstsq(G, z)
    return m

def polyval2d(x, y, m):
    order = int(np.sqrt(len(m))) - 1
    ij = itertools.product(range(order+1), range(order+1))
    z = np.zeros_like(x)
    for a, (i,j) in Zip(m, ij):
        z += a * x**i * y**j
    return z

main()

enter image description here

39
Joe Kington

次のpolyfit2dの実装では、使用可能なnumpyメソッドnumpy.polynomial.polynomial.polyvander2dおよびnumpy.polynomial.polynomial.polyval2dを使用します。

#!/usr/bin/env python3

import unittest


def polyfit2d(x, y, f, deg):
    from numpy.polynomial import polynomial
    import numpy as np
    x = np.asarray(x)
    y = np.asarray(y)
    f = np.asarray(f)
    deg = np.asarray(deg)
    vander = polynomial.polyvander2d(x, y, deg)
    vander = vander.reshape((-1,vander.shape[-1]))
    f = f.reshape((vander.shape[0],))
    c = np.linalg.lstsq(vander, f)[0]
    return c.reshape(deg+1)

class MyTest(unittest.TestCase):

    def setUp(self):
        return self

    def test_1(self):
        self._test_fit(
            [-1,2,3],
            [ 4,5,6],
            [[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9]],
            [2,2])

    def test_2(self):
        self._test_fit(
            [-1,2],
            [ 4,5],
            [[1,2],[4,5]],
            [1,1])

    def test_3(self):
        self._test_fit(
            [-1,2,3],
            [ 4,5],
            [[1,2],[4,5],[7,8]],
            [2,1])

    def test_4(self):
        self._test_fit(
            [-1,2,3],
            [ 4,5],
            [[1,2],[4,5],[0,0]],
            [2,1])

    def test_5(self):
        self._test_fit(
            [-1,2,3],
            [ 4,5],
            [[1,2],[4,5],[0,0]],
            [1,1])

    def _test_fit(self, x, y, c, deg):
        from numpy.polynomial import polynomial
        import numpy as np
        X = np.array(np.meshgrid(x,y))
        f = polynomial.polyval2d(X[0], X[1], c)
        c1 = polyfit2d(X[0], X[1], f, deg)
        np.testing.assert_allclose(c1,
                                np.asarray(c)[:deg[0]+1,:deg[1]+1],
                                atol=1e-12)

unittest.main()
10
klaus se

最小二乗 の原理に従い、引数mを引数m_1と引数m_2に移動しながら、Kingtonのスタイルを模倣します。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

import itertools


# w = (Phi^T Phi)^{-1} Phi^T t
# where Phi_{k, j + i (m_2 + 1)} = x_k^i y_k^j,
#       t_k = z_k,
#           i = 0, 1, ..., m_1,
#           j = 0, 1, ..., m_2,
#           k = 0, 1, ..., n - 1
def polyfit2d(x, y, z, m_1, m_2):
    # Generate Phi by setting Phi as x^i y^j
    nrows = x.size
    ncols = (m_1 + 1) * (m_2 + 1)
    Phi = np.zeros((nrows, ncols))
    ij = itertools.product(range(m_1 + 1), range(m_2 + 1))
    for h, (i, j) in enumerate(ij):
        Phi[:, h] = x ** i * y ** j
    # Generate t by setting t as Z
    t = z
    # Generate w by solving (Phi^T Phi) w = Phi^T t
    w = np.linalg.solve(Phi.T.dot(Phi), (Phi.T.dot(t)))
    return w


# t' = Phi' w
# where Phi'_{k, j + i (m_2 + 1)} = x'_k^i y'_k^j
#       t'_k = z'_k,
#           i = 0, 1, ..., m_1,
#           j = 0, 1, ..., m_2,
#           k = 0, 1, ..., n' - 1
def polyval2d(x_, y_, w, m_1, m_2):
    # Generate Phi' by setting Phi' as x'^i y'^j
    nrows = x_.size
    ncols = (m_1 + 1) * (m_2 + 1)
    Phi_ = np.zeros((nrows, ncols))
    ij = itertools.product(range(m_1 + 1), range(m_2 + 1))
    for h, (i, j) in enumerate(ij):
        Phi_[:, h] = x_ ** i * y_ ** j
    # Generate t' by setting t' as Phi' w
    t_ = Phi_.dot(w)
    # Generate z_ by setting z_ as t_
    z_ = t_
    return z_


if __name__ == "__main__":
    # Generate x, y, z
    n = 100
    x = np.random.random(n)
    y = np.random.random(n)
    z = x ** 2 + y ** 2 + 3 * x ** 3 + y + np.random.random(n)

    # Generate w
    w = polyfit2d(x, y, z, m_1=3, m_2=2)

    # Generate x', y', z'
    n_ = 1000
    x_, y_ = np.meshgrid(np.linspace(x.min(), x.max(), n_),
                         np.linspace(y.min(), y.max(), n_))
    z_ = np.zeros((n_, n_))
    for i in range(n_):
        z_[i, :] = polyval2d(x_[i, :], y_[i, :], w, m_1=3, m_2=2)

    # Plot
    plt.imshow(z_, extent=(x_.min(), y_.max(), x_.max(), y_.min()))
    plt.scatter(x, y, c=z)
    plt.show()

enter image description here

0
Togtokh Khorchin

誰かが特定の次数の多項式を当てはめることを探している場合（最大の累乗がorderに等しい多項式ではなく、受け入れられた回答のpolyfitとpolyval：

の代わりに：

_ij = itertools.product(range(order+1), range(order+1))
_

これは、_order=2_が[(0, 0), (0, 1), (0, 2), (1, 0), (1, 1), (1, 2), (2, 0), (2, 1), (2, 2)]（別名4次多項式まで）を与える場合、次を使用できます。

_def xy_powers(order):
    powers = itertools.product(range(order + 1), range(order + 1))
    return [tup for tup in powers if sum(tup) <= order]
_

これにより、_order=2_に対して[(0, 0), (0, 1), (0, 2), (1, 0), (1, 1), (2, 0)]が返されます。

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Scott Staniewicz