一个新的卷积配方被合并到Python 3.10中。

鉴于

import collections, operator

from itertools import chain, repeat


size = 3 + 1
kernel = [1/size] * size                                              

Code

def convolve(signal, kernel):
    # See:  https://betterexplained.com/articles/intuitive-convolution/
    # convolve(data, [0.25, 0.25, 0.25, 0.25]) --> Moving average (blur)
    # convolve(data, [1, -1]) --> 1st finite difference (1st derivative)
    # convolve(data, [1, -2, 1]) --> 2nd finite difference (2nd derivative)
    kernel = list(reversed(kernel))
    n = len(kernel)
    window = collections.deque([0] * n, maxlen=n)
    for x in chain(signal, repeat(0, n-1)):
        window.append(x)
        yield sum(map(operator.mul, kernel, window))

Demo

list(convolve(range(1, 6), kernel))
# [0.25, 0.75, 1.5, 2.5, 3.5, 3.0, 2.25, 1.25]

细节

卷积是一种可以应用于移动平均的一般数学运算。其思想是，给定一些数据，您将数据子集(窗口)作为“掩码”或“内核”在数据中滑动，在每个窗口上执行特定的数学操作。在移动平均的情况下，核是平均值:

现在可以通过more_itertools.convolve使用这个实现。 More_itertools是一个流行的第三方包;通过> PIP Install more_itertools安装。

你可以用以下方法计算运行平均值:

import numpy as np

def runningMean(x, N):
    y = np.zeros((len(x),))
    for ctr in range(len(x)):
         y[ctr] = np.sum(x[ctr:(ctr+N)])
    return y/N

但是速度很慢。

幸运的是，numpy包含一个卷积函数，我们可以用它来加快速度。运行均值相当于将x与一个长度为N的向量进行卷积，其中所有元素都等于1/N。卷积的numpy实现包括起始瞬态，所以你必须删除前N-1点:

def runningMeanFast(x, N):
    return np.convolve(x, np.ones((N,))/N)[(N-1):]

在我的机器上，快速版本要快20-30倍，这取决于输入向量的长度和平均窗口的大小。

请注意，卷积确实包括一个“相同”模式，它似乎应该解决开始的瞬态问题，但它在开始和结束之间分割。

上面的一个答案中有一个mab的注释，它有这个方法。瓶颈有move_mean，这是一个简单的移动平均:

import numpy as np
import bottleneck as bn

a = np.arange(10) + np.random.random(10)

mva = bn.move_mean(a, window=2, min_count=1)

Min_count是一个很方便的参数，它可以取数组中该点的移动平均值。如果你不设置min_count，它将等于window，并且直到window points的所有内容都将是nan。

我的解决方案是基于维基百科上的“简单移动平均”。

from numba import jit
@jit
def sma(x, N):
    s = np.zeros_like(x)
    k = 1 / N
    s[0] = x[0] * k
    for i in range(1, N + 1):
        s[i] = s[i - 1] + x[i] * k
    for i in range(N, x.shape[0]):
        s[i] = s[i - 1] + (x[i] - x[i - N]) * k
    s = s[N - 1:]
    return s

与之前建议的解决方案相比，它比scipy最快的解决方案“uniform_filter1d”快两倍，并且具有相同的错误顺序。 速度测试:

import numpy as np    
x = np.random.random(10000000)
N = 1000

from scipy.ndimage.filters import uniform_filter1d
%timeit uniform_filter1d(x, size=N)
95.7 ms ± 9.34 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10 loops each)
%timeit sma(x, N)
47.3 ms ± 3.42 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)

错误的比较:

np.max(np.abs(np.convolve(x, np.ones((N,))/N, mode='valid') - uniform_filter1d(x, size=N, mode='constant', origin=-(N//2))[:-(N-1)]))
8.604228440844963e-14
np.max(np.abs(np.convolve(x, np.ones((N,))/N, mode='valid') - sma(x, N)))
1.41886502547095e-13

有点晚了，但我已经做了我自己的小函数，它不环绕端点或垫与零，然后用于查找平均值。进一步的处理是，它还在线性间隔点上对信号进行重新采样。随意定制代码以获得其他特性。

该方法是一个简单的矩阵乘法与规范化高斯核。

def running_mean(y_in, x_in, N_out=101, sigma=1):
    '''
    Returns running mean as a Bell-curve weighted average at evenly spaced
    points. Does NOT wrap signal around, or pad with zeros.
    
    Arguments:
    y_in -- y values, the values to be smoothed and re-sampled
    x_in -- x values for array
    
    Keyword arguments:
    N_out -- NoOf elements in resampled array.
    sigma -- 'Width' of Bell-curve in units of param x .
    '''
    import numpy as np
    N_in = len(y_in)

    # Gaussian kernel
    x_out = np.linspace(np.min(x_in), np.max(x_in), N_out)
    x_in_mesh, x_out_mesh = np.meshgrid(x_in, x_out)
    gauss_kernel = np.exp(-np.square(x_in_mesh - x_out_mesh) / (2 * sigma**2))
    # Normalize kernel, such that the sum is one along axis 1
    normalization = np.tile(np.reshape(np.sum(gauss_kernel, axis=1), (N_out, 1)), (1, N_in))
    gauss_kernel_normalized = gauss_kernel / normalization
    # Perform running average as a linear operation
    y_out = gauss_kernel_normalized @ y_in

    return y_out, x_out

正弦信号加正态分布噪声的一个简单用法:

我知道这是一个老问题，但这里有一个解决方案，它不使用任何额外的数据结构或库。它在输入列表的元素数量上是线性的，我想不出任何其他方法来使它更有效(实际上，如果有人知道更好的分配结果的方法，请告诉我)。

注意:使用numpy数组而不是列表会快得多，但我想消除所有依赖关系。通过多线程执行也可以提高性能

该函数假设输入列表是一维的，所以要小心。

### Running mean/Moving average
def running_mean(l, N):
    sum = 0
    result = list( 0 for x in l)

    for i in range( 0, N ):
        sum = sum + l[i]
        result[i] = sum / (i+1)

    for i in range( N, len(l) ):
        sum = sum - l[i-N] + l[i]
        result[i] = sum / N

    return result

例子

假设我们有一个列表data =[1,2,3,4,5,6]，我们想在它上面计算周期为3的滚动平均值，并且你还想要一个与输入列表相同大小的输出列表(这是最常见的情况)。

第一个元素的索引为0，因此滚动平均值应该在索引为-2、-1和0的元素上计算。显然，我们没有data[-2]和data[-1](除非您想使用特殊的边界条件)，因此我们假设这些元素为0。这相当于对列表进行零填充，除了我们实际上不填充它，只是跟踪需要填充的索引(从0到N-1)。

所以，对于前N个元素，我们只是在累加器中不断地把元素加起来。

result[0] = (0 + 0 + 1) / 3  = 0.333    ==   (sum + 1) / 3
result[1] = (0 + 1 + 2) / 3  = 1        ==   (sum + 2) / 3
result[2] = (1 + 2 + 3) / 3  = 2        ==   (sum + 3) / 3

从元素N+1开始，简单的累加是行不通的。我们期望的结果是[3]=(2 + 3 + 4)/3 = 3，但这与(sum + 4)/3 = 3.333不同。

计算正确值的方法是用sum+4减去数据[0]= 1，从而得到sum+4 - 1 = 9。

这是因为目前sum =数据[0]+数据[1]+数据[2]，但对于每个i >= N也是如此，因为在减法之前，sum是数据[i-N] +…+ data[i-2] + data[i-1]。