numpy 1D 数组：屏蔽重复 n 次以上的元素

Question

Q: 给定一个整数数组，如

[1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5]

我需要屏蔽重复超过 N 次的元素。目标是检索布尔掩码数组。

我想出了一个相当复杂的解决方案：

import numpy as np

bins = np.array([1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5])

N = 3
splits = np.split(bins, np.where(np.diff(bins) != 0)[0]+1)
mask = []
for s in splits:
    if s.shape[0] <= N:
        mask.append(np.ones(s.shape[0]).astype(np.bool_))
    else:
        mask.append(np.append(np.ones(N), np.zeros(s.shape[0]-N)).astype(np.bool_)) 

mask = np.concatenate(mask)

例如

bins[mask]
Out[90]: array([1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5])

有更好的方法吗？

总结： 这是 MSeifert 基准图的精简版（感谢您指点我 simple_benchmark）。显示四个最高性能的选项：

, modified by seems to be a great way of solving this problem as it is pretty straight forward and numpy-only. If you're fine with using numba, 提出的想法胜过另一个。

我选择接受 MSeifert 的答案作为解决方案，因为它是更一般的答案：它正确地处理具有（非唯一）连续重复元素块的任意数组。如果 numba 不行，也值得一看。

Answer 1

您可以通过索引来做到这一点。对于任何 N，代码将是：

N = 3
bins = np.array([1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5,6])

mask = [True for _ in range(N)] + list(bins[:-N] != bins[N:])
bins[mask]

输出：

array([1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 6]

Answer 2

方法 #1： 这是一种矢量化方式 -

from scipy.ndimage.morphology import binary_dilation

def keep_N_per_group(a, N):
    k = np.ones(N,dtype=bool)
    m = np.r_[True,a[:-1]!=a[1:]]
    return a[binary_dilation(m,k,origin=-(N//2))]

样本运行-

In [42]: a
Out[42]: array([1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5])

In [43]: keep_N_per_group(a, N=3)
Out[43]: array([1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5])

方法 #2： 更紧凑的版本 -

def keep_N_per_group_v2(a, N):
    k = np.ones(N,dtype=bool)
    return a[binary_dilation(np.ediff1d(a,to_begin=a[0])!=0,k,origin=-(N//2))]

方法 #3： 使用分组计数和 np.repeat（虽然不会给我们掩码）-

def keep_N_per_group_v3(a, N):
    m = np.r_[True,a[:-1]!=a[1:],True]
    idx = np.flatnonzero(m)
    c = np.diff(idx)
    return np.repeat(a[idx[:-1]],np.minimum(c,N))

方法 #4： 使用 view-based 方法 -

from skimage.util import view_as_windows

def keep_N_per_group_v4(a, N):
    m = np.r_[True,a[:-1]!=a[1:]]
    w = view_as_windows(m,N)
    idx = np.flatnonzero(m)
    v = idx<len(w)
    w[idx[v]] = 1
    if v.all()==0:
        m[idx[v.argmin()]:] = 1
    return a[m]

方法 #5： 使用 view-based 方法，没有来自 flatnonzero -

的索引

def keep_N_per_group_v5(a, N):
    m = np.r_[True,a[:-1]!=a[1:]]
    w = view_as_windows(m,N)
    last_idx = len(a)-m[::-1].argmax()-1
    w[m[:-N+1]] = 1
    m[last_idx:last_idx+N] = 1
    return a[m]

Answer 3

您可以使用 while 循环来检查后 N 个位置的数组元素是否等于当前位置。请注意，此解决方案假定数组是有序的。

import numpy as np

bins = [1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5]
N = 3
counter = N

while counter < len(bins):
    drop_condition = (bins[counter] == bins[counter - N])
    if drop_condition:
        bins = np.delete(bins, counter)
    else:
        # move on to next element
        counter += 1

Answer 4

更好的方法是使用 numpy 的 unique() 函数。您将在数组中获得唯一条目以及它们出现的频率计数：

bins = np.array([1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5])
N = 3

unique, index,count = np.unique(bins, return_index=True, return_counts=True)
mask = np.full(bins.shape, True, dtype=bool)
for i,c in zip(index,count):
    if c>N:
        mask[i+N:i+c] = False

bins[mask]

输出：

array([1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5])

Answer 5

解决方案

您可以使用 numpy.unique。变量 final_mask 可用于从数组 bins 中提取目标元素。

import numpy as np

bins = np.array([1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5])
repeat_max = 3

unique, counts = np.unique(bins, return_counts=True)
mod_counts = np.array([x if x<=repeat_max else repeat_max for x in counts])
mask = np.arange(bins.size)
#final_values = np.hstack([bins[bins==value][:count] for value, count in zip(unique, mod_counts)])
final_mask = np.hstack([mask[bins==value][:count] for value, count in zip(unique, mod_counts)])
bins[final_mask]

输出：

array([1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5])

Answer 6

您可以使用 grouby 对长度超过 N.

的公共元素和过滤器列表进行分组

import numpy as np
from itertools import groupby, chain

def ifElse(condition, exec1, exec2):

    if condition : return exec1 
    else         : return exec2


def solve(bins, N = None):

    xss = groupby(bins)
    xss = map(lambda xs : list(xs[1]), xss)
    xss = map(lambda xs : ifElse(len(xs) > N, xs[:N], xs), xss)
    xs  = chain.from_iterable(xss)
    return list(xs)

bins = np.array([1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5])
solve(bins, N = 3)

Answer 7

免责声明：这只是@FlorianH 想法的更合理实现：

def f(a,N):
    mask = np.empty(a.size,bool)
    mask[:N] = True
    np.not_equal(a[N:],a[:-N],out=mask[N:])
    return mask

对于更大的阵列，这会产生巨大的差异：

a = np.arange(1000).repeat(np.random.randint(0,10,1000))
N = 3

print(timeit(lambda:f(a,N),number=1000)*1000,"us")
# 5.443050000394578 us

# compare to
print(timeit(lambda:[True for _ in range(N)] + list(bins[:-N] != bins[N:]),number=1000)*1000,"us")
# 76.18969900067896 us

Answer 8

我想提出一个使用 numba 的解决方案，应该很容易理解。我假设您想要 "mask" 个连续的重复项：

import numpy as np
import numba as nb

@nb.njit
def mask_more_n(arr, n):
    mask = np.ones(arr.shape, np.bool_)

    current = arr[0]
    count = 0
    for idx, item in enumerate(arr):
        if item == current:
            count += 1
        else:
            current = item
            count = 1
        mask[idx] = count <= n
    return mask

例如：

>>> bins = np.array([1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5])
>>> bins[mask_more_n(bins, 3)]
array([1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5])
>>> bins[mask_more_n(bins, 2)]
array([1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5, 5])

性能：

使用 simple_benchmark - 但是我没有包括所有方法。这是一个 log-log 比例：

似乎 numba 解决方案无法击败 Paul Panzer 的解决方案，后者对于大型数组似乎更快一些（并且不需要额外的依赖）。

然而，两者似乎都优于其他解决方案，但它们使用 return 掩码而不是 "filtered" 数组。

import numpy as np
import numba as nb
from simple_benchmark import BenchmarkBuilder, MultiArgument

b = BenchmarkBuilder()

bins = np.array([1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5])

@nb.njit
def mask_more_n(arr, n):
    mask = np.ones(arr.shape, np.bool_)

    current = arr[0]
    count = 0
    for idx, item in enumerate(arr):
        if item == current:
            count += 1
        else:
            current = item
            count = 1
        mask[idx] = count <= n
    return mask

@b.add_function(warmups=True)
def MSeifert(arr, n):
    return mask_more_n(arr, n)

from scipy.ndimage.morphology import binary_dilation

@b.add_function()
def Divakar_1(a, N):
    k = np.ones(N,dtype=bool)
    m = np.r_[True,a[:-1]!=a[1:]]
    return a[binary_dilation(m,k,origin=-(N//2))]

@b.add_function()
def Divakar_2(a, N):
    k = np.ones(N,dtype=bool)
    return a[binary_dilation(np.ediff1d(a,to_begin=a[0])!=0,k,origin=-(N//2))]

@b.add_function()
def Divakar_3(a, N):
    m = np.r_[True,a[:-1]!=a[1:],True]
    idx = np.flatnonzero(m)
    c = np.diff(idx)
    return np.repeat(a[idx[:-1]],np.minimum(c,N))

from skimage.util import view_as_windows

@b.add_function()
def Divakar_4(a, N):
    m = np.r_[True,a[:-1]!=a[1:]]
    w = view_as_windows(m,N)
    idx = np.flatnonzero(m)
    v = idx<len(w)
    w[idx[v]] = 1
    if v.all()==0:
        m[idx[v.argmin()]:] = 1
    return a[m]

@b.add_function()
def Divakar_5(a, N):
    m = np.r_[True,a[:-1]!=a[1:]]
    w = view_as_windows(m,N)
    last_idx = len(a)-m[::-1].argmax()-1
    w[m[:-N+1]] = 1
    m[last_idx:last_idx+N] = 1
    return a[m]

@b.add_function()
def PaulPanzer(a,N):
    mask = np.empty(a.size,bool)
    mask[:N] = True
    np.not_equal(a[N:],a[:-N],out=mask[N:])
    return mask

import random

@b.add_arguments('array size')
def argument_provider():
    for exp in range(2, 20):
        size = 2**exp
        yield size, MultiArgument([np.array([random.randint(0, 5) for _ in range(size)]), 3])

r = b.run()
import matplotlib.pyplot as plt

plt.figure(figsize=[10, 8])
r.plot()

numpy 1D 数组：屏蔽重复 n 次以上的元素

numpy 1D array: mask elements that repeat more than n times

python

arrays

numpy

binning

解决方案

性能：