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我有一个二维正态分布,由其均值和协方差矩阵表示。现在我想在密度函数
所在的每个点周围画一条线
超过一定的阈值。 (省略了归一化项,因此阈值可以应用于所有分布,而不管它们的大小。)
当然,这可以通过遍历整个图像并检查每个像素的公式来完成(参见 drawVariant2()
)。然而,这非常慢,我希望绘图机制或多或少具有实时能力。
我发现的另一种方法计算协方差矩阵的特征值和 - vector ,并使用它们来变换圆的图像(参见 drawVariant1()
)。这样做的问题是,我没有表示绘制的线与平均值的距离在密度函数方面意味着什么。
有什么方法可以在密度函数的某些值处绘制我的分布等值线?
这是我目前掌握的两种绘制方法的代码。它使用特征库进行矩阵和 vector 运算。
#include "Eigen/Core"
#include "Eigen/Eigenvalues"
unsigned int width = 500, height = 500;
Eigen::Matrix<double, 2, 1> mean;
Eigen::Matrix<double, 2, 2> cov;
const double C_PI = 3.14159265358979323846;
void drawVariant1(unsigned char * img)
{
const int isolineRadius = 3;
const double baseCircleSteps = 100;
const double circleLength = 2 * C_PI * isolineRadius * baseCircleSteps;
Eigen::EigenSolver<Eigen::Matrix<double, 2, 2>> eigenSolver(cov);
eigenSolver.compute(cov);
const double eVal1 = eigenSolver.eigenvalues().real()(0);
const double eVal2 = eigenSolver.eigenvalues().real()(1);
const Vector2 eVec1 = eigenSolver.eigenvectors().real().col(0);
const Vector2 eVec2 = eigenSolver.eigenvectors().real().col(1);
for (double phi = 0; phi < 2 * C_PI; phi += 2 * C_PI / circleLength)
{
const double x = isolineRadius * std::cos(phi);
const double y = isolineRadius * std::sin(phi);
const Vector2 posProjected = x * std::sqrt(eVal1) * eVec1 + y * std::sqrt(eVal2) * eVec2 + mean;
const int xP = (int)posProjected(0);
const int yP = (int)posProjected(1);
if (xP >= 0 && xP < width && yP >= 0 && yP < height)
{
img[yP * width + xP] = 255;
}
}
}
void drawVariant2(unsigned char * img)
{
const double threshold = 0.5;
for(int x = 0; x < width; ++x)
{
for(int y = 0; y < height; ++y)
{
const Eigen::Matrix<double, 2, 1> point((double)x, (double)y);
const double likelihood = std::exp( -0.5 * (point - mean).transpose() * cov.inverse() * (point - mean) );
if(likelihood >= threshold)
img[y * width + x] = 128;
}
}
}
void main()
{
mean << 100, 100;
cov << 50, 0, 0, 20;
unsigned char * img = new unsigned char[width * height];
memset(img, 0, width*height);
drawVariant1(img);
drawVariant2(img);
writePGM("test.pgm", img, width, height);
delete [] img;
};
很抱歉,代码比较长,但我希望提供一个完整的示例可能有助于回答这个问题。
最佳答案
嗯,经过今天的投资,我想我终于找到了合适的解决方案。
想法是计算 x 轴上具有所需似然 w.r.t 的点。到标准正态分布。这可以通过二分法来完成。然后我可以用这个点的距离作为圆的半径,通过均值和协方差矩阵转换。
完整的源代码在这里。如果有人遇到类似的问题,我希望这会有所帮助。如果有人发现一些错误,我很乐意纠正它们。
#include "Eigen/Core"
#include "Eigen/Eigenvalues"
#include "PgmIO.h"
typedef Eigen::Matrix<double, 2, 1> Vector;
typedef Eigen::Matrix<double, 2, 2> Matrix;
const double C_PI = 3.14159265358979323846;
Vector mean;
Matrix cov;
int width = 500, height = 500;
void draw(unsigned char * img, double threshold)
{
const double epsilon = 0.001;
Matrix unity;
Vector base;
base << 1, 0;
unity << 1, 0, 0, 1;
double drawingDistance = 0;
// Search for the Point on the X-Axis that has the desired likelihood with a bisection-method
for(double a = 0, b = 5, likelihood = 0; std::abs(likelihood - threshold) > epsilon; )
{
const double currentDistance = (a + b) / 2;
const Vector evalPoint = currentDistance * base;
likelihood = std::exp(-0.5 * evalPoint.transpose() * unity * evalPoint); //unitiy.inverse() == unity
// Suitable point found
if(std::abs(likelihood - threshold) < epsilon)
{
drawingDistance = currentDistance;
break;
}
if(likelihood > threshold)
{
a = currentDistance; // If the likelihood is too large search further away from the origin
}
else
{
b = currentDistance; // If the likelihood is too small search closer to the origin
}
}
Eigen::EigenSolver<Matrix> eigenSolver(unity);
eigenSolver.compute(cov);
const double eVal1 = eigenSolver.eigenvalues().real()(0);
const double eVal2 = eigenSolver.eigenvalues().real()(1);
const Vector eVec1 = eigenSolver.eigenvectors().real().col(0);
const Vector eVec2 = eigenSolver.eigenvectors().real().col(1);
const double baseCircleSteps = 100;
const double circleLength = 2 * C_PI * drawingDistance * baseCircleSteps;
for (double phi = 0; phi < 2 * C_PI; phi += 2 * C_PI / circleLength)
{
// Compute the points on a circle within drawingDistance range
const double x = drawingDistance * std::cos(phi);
const double y = drawingDistance * std::sin(phi);
// Project point to the eqivalent point on the isoline
const Vector posProjected = x * std::sqrt(eVal1) * eVec1 + y * std::sqrt(eVal2) * eVec2 + mean;
const int xP = (int)posProjected(0);
const int yP = (int)posProjected(1);
// Set point in the image
if (xP >= 0 && xP < width && yP >= 0 && yP < height)
{
img[yP * width + xP] = 255;
}
}
}
void main()
{
mean << 100, 100;
cov << 800, 100, 100, 500;
unsigned char * img = new unsigned char[width * height];
memset(img, 0, width*height);
draw(img, 0.01);
writePGM("img.pgm", img, width, height);
delete [] img;
};
关于c++ - 如何在密度函数的特定值处有效地绘制二维正态分布的等值线?,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/23655675/
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