在python中計算矩陣中值距離的有效方法

Question

我有一個圖像，想為每個非零值像素計算它到最近的零值像素的距離。 我嘗試這樣做的方式如下：

import numpy as np
from scipy.spatial.distance import cdist
from skimage import io

im=io.imread('imagepath')
#getting array where elements are 0
a,b = np.where(im == 0) 
# create a list with (row,column)
x = list(zip(a, b)) 
#getting array where elements are non zero
r, c =np.where(im!=0)
#create a list with (row, column) of all non 0 values
#note coordinates are in y, x format
obj = list(zip(r,c))
dist_dict={}
#calculating for each pixel of the object
for o in obj:    
    d = (cdist(np.array([o]), x, metric='euclidean')).min() 
    dist_dict.update({o:d})

我相信這應該可行，但是速度很慢。 對於單個像素，計算距離大約需要 0.2 秒。 對於大約 50.000 像素大的物體，因此每張圖像需要大約三個小時的計算時間，這是根本不可行的。 我在這里看到的一個問題是我只是遍歷所有非零像素。 有沒有一種方法不是從數組的開頭而是從當前坐標開始搜索，直到找到零值？ 或者還有其他建議可以加快這個過程嗎？

Answer 1

您可以使用scipy.ndimage.morphology.distance_transform_edt找到最近的背景點（值 0），歐氏距離最小到輸入像素。

from scipy import ndimage
import pprint

def nearest_zero(image):
    " Finds closest background (zero) element for each element in image "

    # Find closest zero elements in the inverted image (same as closest non-zero for image)
    edt = ndimage.distance_transform_edt(image, return_indices=False)

    # Create dictionary of indexes
    return {(r,c):edt[r][c] for r in range(image.shape[0]) for c in range(image.shape[1]) if image[r][c]}

使用示例

image = np.array(([0,50,75,15,0],
                  [2,0,111,10,15],
                  [0,112,25,110,115],
                  [0,10,110,115,0],
                  [15,12,115,0,0]))


d = nearest_zero(image)
pp = pprint.PrettyPrinter(indent=4)

print('Original Image')
print(image)

print('\nDictionary of Distances to closest background pixel for each non-background pixel')
pp.pprint(sorted(d.items(), key=lambda x: x[0]))

輸出

Original Image
[[  0  50  75  15   0]
 [  2   0 111  10  15]
 [  0 112  25 110 115]
 [  0  10 110 115   0]
 [ 15  12 115   0   0]]

Dictionary of Distances to closest background pixel for each non-background pixel
[   ((0, 1), 1.0),
    ((0, 2), 1.4142135623730951),
    ((0, 3), 1.0),
    ((1, 0), 1.0),
    ((1, 2), 1.0),
    ((1, 3), 1.4142135623730951),
    ((1, 4), 1.0),
    ((2, 1), 1.0),
    ((2, 2), 1.4142135623730951),
    ((2, 3), 1.4142135623730951),
    ((2, 4), 1.0),
    ((3, 1), 1.0),
    ((3, 2), 1.4142135623730951),
    ((3, 3), 1.0),
    ((4, 0), 1.0),
    ((4, 1), 1.4142135623730951),
    ((4, 2), 1.0)]

性能測試

結果：SciPy 快了約 100 倍

測試數據生成——隨機圖像（大小 250x250 = 62、500 像素）

import random
size = 250
z = [random.randrange(0, 255) for r in range(size) for c in range(size)]
image = np.array(z).reshape(size, size)

測試圖像中的數字零

print(np.count_nonzero(image==0))  # 62262

timeit 使用原始帖子中的方法

11.6 s ± 89.1 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)
which is an average of 1.8e-04 seconds per non-zero point

timeit 使用 SciPy 方法

119 ms ± 17.1 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10 loops each)
Which is an average of 1.9e-06

因此 SciPy 快約 100 倍