python 数据平滑_数据平滑方法的原理和应用

一、简介

在实际的工程应用中，经常会遇到初始结果噪声太多的问题，比如信号强度抖动的太厉害，比如视频流中的bbox抖动的太厉害，比如光谱信号抖动的太厉害等等，这时候就需要一些简单的滑动平均算法。滑动平均其实是一个很朴素的方法，但是要与实际结合，构造出合适的平滑方式，是需要一些思考的。下面我将分别介绍滑动平均法(Moving Average)、指数滑动平均法(Exponential Mean Average)、SG滤波法(Savitzky Golay Filter)。

二、滑动平均法

简单来说，滑动平均法把前后时刻的一共2n+1个观测值做平均，得到当前时刻的滤波结果。这是一个比较符合直觉的平滑方法，在生活中、工作中很经常会用到，但是很少去思考这么做的依据是什么，下面我就来仔细分析一下其中的原理。

对于一个观测序列，我们有这样的假设：每一次的观测值是带有噪声的，而我们期望噪声的均值为0，方差为

，观测值和真实值之间的关系如下：

(1)

其中，

为观测值，

为真实值，

为噪声。为了降低噪声的影响，我们把相邻时刻的观测值相加后平均，公式如下：

(2)

表示

时刻的滤波结果，

表示

时刻的观测值，

代表滑动窗口半径。将公式(1)代入公式(2)，可以得到

(3)

前面说到了，我们假设噪声的均值为0，所以

为0，那么我们得到的结果就是:

(4)

当观测数据的真实值变化较小时，或者变化为线性时，可以近似认为：

(5)

从上面的分析过程我们可以看到，当滑动窗口内的真实数据变化不大的时候，我们可以抑制掉很大一部分噪声，滤波结果近似真实值；当滑动窗口内的真实值变化较大时，这种滤波方式就会损失一部分精确度，滤波结果接近真实值的平均期望。所以，窗口的大小会对滤波结果有很大影响。窗口越大，滤波结果越平滑，但会一定程度上偏离真实值；窗口越小，滤波结果越接近观测值，但噪声偏大。

滑动平均法还有一个升级版本，也就是加权滑动平均法。实际场景中，每个观测值的重要程度不同，忽略每个观测值的置信度直接平均不能得到精确的结果，所以就需要给观测值加权。加权滑动平均法的公式如下：

(6)

为

时刻的权重。(6)式表示的是把每个观测值乘以权重后再平均。这种方法适用于观测值本身带有置信度的情况。注意，这里有一个小问题，如果置信度的取值范围是0到1之间，那么加权之后计算得到的观测值往往小于真实值，我来解释一下为什么。首先，我们假设观测值和真实值的均值是相等的，也就是

(7)

当我们把观测值乘以权重了之后，观测值和真实值的均值就不相等了，因为真实值的权重均值为1，而观测值的权重均值为

，是小于等于1的，最终的预测值也是小于等于真实值的，而且大概率是小于。所以我们需要对(6)式增加一个修正：

(8)

这样，得到的预测值就会更加合理了。

小结：滑动平均法使用的前提是，噪声的均值为0，真实值变化不大或线性变化的场景。如果真实值有较高频率的非线性突变的话，滑动平均法的效果就不够好了。同时，滑动平均法的窗口选取很重要，需要根据具体数据来选择。如果需要使用在线版本的滑动平均，那么就要把窗口前移，也就是把当前时刻的前n个观测值进行平均，但这样得到的结果会明显滞后于当前观测值，窗口越大，滞后的现象越严重。

class MovAvg(object):

def __init__(self, window_size=7):

self.window_size = window_size

self.data_queue = []

def update(self, data):

if len(self.data_queue) == self.window_size:

del self.data_queue[0]

self.data_queue.append(data)

return sum(self.data_queue)/len(self.data_queue)鼠标轨迹的滑动平均效果一维数据的滑动平均效果

三、指数滑动平均法

指数滑动平均法相当于加权滑动平均法的变体，主要区别在于，指数滑动平均法的权重是固定的、随时间推移呈指数衰减。指数滑动平均法的公式如下：

(9)

表示预测值，

表示衰减权重，通常我们设为固定值0.9，

表示观测值，这是一个递推公式。前面说了，指数滑动平均法的权重是随时间推移呈指数衰减的，那么上面的这个递推公式的指数体现在哪里呢？我们把(9)式进行延伸：

(10)

将(9)和(10)两式子联立，可得

(11)

发现没有，在(11)式中

与

的关系是

倍，而在(9)式中

与

的关系是

倍，呈指数衰减关系。同时，在初始时刻有如下关系：

(12)

根据这一关系和上述的递推公式，我们就能够得到整个算法的公式了。

由于这种指数衰减的特性，指数滑动平均法会比滑动平均法的实时性更强，更加接近当前时刻的观测值。在实际场景下，如果目标的波动较大时，指数滑动平均法会比滑动平均更加接近当前的真实值。那么是不是就说明，指数滑动平均法在任意场景下都比滑动平均法更好呢？不一定。我们来分析一下指数衰减法的误差项，这里为了简便表示，设定

，同时，将(1)式和(12)式代入公式(11)，可得到误差项：

(13)

所以误差项也是呈指数衰减的，越接近当前时刻的误差项权重越大。假如在当前的工程场景中，误差是固定的分布，不受目标的观测值大小影响的话，那么指数滑动平均法会更接近真实值；假如误差会受目标观测值影响，比如我们观测的是一个连续运动的目标，中间突然出现了一个偏离很远的观测点，那么这个点为误检的概率相当大，也就是该观测值的误差比之前其他点的误差要大得多，此时指数加权平均法的结果就会波动较大，结果就不如滑动平均了。

小结：当误差不受观测值大小影响的话，指数滑动平均比滑动平均好；当误差随观测值大小变化时，滑动平均比指数滑动平均更好。

class ExpMovAvg(object):

def __init__(self, decay=0.9):

self.shadow = 0

self.decay = decay

self.first_time = True

def update(self, data):

if self.first_time:

self.shadow = data

self.first_time = False

return data

else:

self.shadow = self.decay*self.shadow+(1-self.decay)*data

return self.shadow鼠标轨迹的指数滑动平均效果一维数据的指数滑动平均效果

四、SG滤波法

SG滤波法(Savitzky Golay Filter)的核心思想也是对窗口内的数据进行加权滤波，但是它的加权权重是对给定的高阶多项式进行最小二乘拟合得到。它的优点在于，在滤波平滑的同时，能够更有效地保留信号的变化信息，下面我来介绍一下其原理。

我们同样对当前时刻的前后一共2n+1个观测值进行滤波，用k-1阶多项式对其进行拟合。对于当前时刻的观测值，我们用下面的公式进行拟合：

(14)

同样，对于前后时刻(如t-1、t+1、t-2、t+2等时刻)的预测值，我们同样可以用(14)式来计算，这样一共得到2n+1个式子，构成一个矩阵(似乎发不了矩阵，我放个图片吧)：

要使得整个矩阵有解，必须满足 2n+1>k，这样我们才能够通过最小二乘法确定参数

、

、

...

。我们把上面的矩阵简化表示为下面公式：

(15)

各个参数下标表示它们各自的维度，如

表示有k行1列的参数。通过最小二乘法，我们可以求得

的解为：

(16)

上标trans表示转置。那么，模型的滤波值为：

(17)

最终可以得到滤波值和观测值之间的关系矩阵：

(18)

算出了B矩阵，我们就能够快速的将观测值转换为滤波值了。

小结：SG滤波法对于数据的观测信息保持的更好，在一些注重数据变化的场合会比较适用。

class SavGol(object):

def __init__(self, window_size=11, rank=2):

assert window_size % 2 == 1

self.window_size = window_size

self.rank = rank

self.size = int((self.window_size - 1) / 2)

self.mm = self.create_matrix(self.size)

self.data_seq = []

def create_matrix(self, size):

line_seq = np.linspace(-size, size, 2*size+1)

rank_seqs = [line_seq**j for j in range(self.rank)]

rank_seqs = np.mat(rank_seqs)

kernel = (rank_seqs.T * (rank_seqs * rank_seqs.T).I) * rank_seqs

mm = kernel[self.size].T

return mm

def update(self, data):

self.data_seq.append(data)

if len(self.data_seq) > self.window_size:

del self.data_seq[0]

padded_data = self.data_seq.copy()

if len(padded_data) < self.window_size:

left = int((self.window_size-len(padded_data))/2)

right = self.window_size-len(padded_data)-left

for i in range(left):

padded_data.insert(0, padded_data[0])

for i in range(right):

padded_data.insert(

len(padded_data), padded_data[len(padded_data)-1])

return (np.mat(padded_data)*self.mm).item()鼠标轨迹的SG滤波效果一维数据的SG滤波效果

附录

本文图片制作的相关代码。

import cv2

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

import imageio

# 一维数据滤波

ma, ema, sg = MovAvg(), ExpMovAvg(), SavGol()

data_list, data_ma, data_ema, data_sg = [], [], [], []

for i in range(200):

data = i+np.random.randint(-50, 50)

data_list.append(data)

data_ma.append(ma.update(data))

data_ema.append(ema.update(data))

data_sg.append(sg.update(data))

plt.plot(data_list, label='raw')

plt.plot(data_ma, label='ma')

plt.plot(data_ema, label='ema')

plt.plot(data_sg, label='sg')

plt.legend()

plt.show()

# 鼠标轨迹滤波

ma_x, ma_y = MovAvg(), MovAvg()

ema_x, ema_y = ExpMovAvg(), ExpMovAvg()

sg_x, sg_y = SavGol(), SavGol()

def draw_circle(event, x, y, flags, param):

if event == cv2.EVENT_MOUSEMOVE:

sx = np.random.randint(-50, 51)

sy = np.random.randint(-50, 51)

cv2.circle(show, (x+sx, y+sy), 5, (255, 255, 255), -1)

x, y = ma_x.update(x+sx), ma_y.update(y+sy)

cv2.circle(show, (int(x), int(y)), 5, (0, 0, 255), -1)

x, y = ema_x.update(x+sx), ema_y.update(y+sy)

cv2.circle(show, (int(x), int(y)), 5, (0, 255, 0), -1)

x, y = sg_x.update(x+sx), sg_y.update(y+sy)

cv2.circle(show, (int(x), int(y)), 5, (255, 0, 0), -1)

show = np.zeros((1024, 1024, 3), np.uint8)

cv2.namedWindow('image')

buff = []

while True:

cv2.setMouseCallback('image', draw_circle)

cv2.imshow('image', show)

save = cv2.resize(show, (512, 512))

save = cv2.cvtColor(save, cv2.COLOR_BGR2RGB)

buff.append(save)

if cv2.waitKey(100) == ord('q'):

break

cv2.destroyAllWindows()

imageio.mimwrite('test.gif', buff, 'GIF', duration=0.1)