理解 numpy 的 dstack 函数

Posted 2023-02-24

【中文标题】理解 numpy 的 dstack 函数

【英文标题】：understanding numpy's dstack function

【发布时间】：2014-09-26 19:17:22

【问题描述】：

我很难理解 numpy 的 dstack 函数实际上在做什么。文档相当稀疏，只是说：

按顺序深度（沿第三轴）堆叠数组。

获取一系列数组并沿第三轴堆叠它们 制作一个数组。重建除以dsplit 的数组。 这是一种将二维数组（图像）堆叠成单个的简单方法 用于处理的 3D 数组。

所以要么我真的很愚蠢，而且这句话的意思很明显，要么我似乎对“堆叠”、“按顺序”、“深度明智”或“沿轴”等术语有一些误解。但是，我的印象是，我在 vstack 和 hstack 的上下文中理解这些术语就好了。

我们来看这个例子：

In [193]: a
Out[193]: 
array([[0, 3],
       [1, 4],
       [2, 5]])
In [194]: b
Out[194]: 
array([[ 6,  9],
       [ 7, 10],
       [ 8, 11]])
In [195]: dstack([a,b])
Out[195]: 
array([[[ 0,  6],
        [ 3,  9]],

       [[ 1,  7],
        [ 4, 10]],

       [[ 2,  8],
        [ 5, 11]]])

首先，a 和 b 没有第三轴，那么我如何将它们沿“第三轴”堆叠？其次，假设 a 和 b 是 2D 图像的表示，为什么我会在结果中得到 三个 2D 数组，而不是“按顺序”排列两个 2D 数组？

【问题讨论】：

就像带有一维数组的 vstack 沿着垂直于该一维轴的新轴堆叠它们一样，带有二维数组的 dstack 沿着垂直于两个二维轴的新轴堆叠它们。就像把一堆纸叠在一起一样。

@abarnert 但是，当我试图将两张纸叠在一起时，为什么我最终会得到三张纸？

您会在结果中看到 3 个二维数组，因为您正在查看第一个轴，而不是第三个轴。

【参考方案1】：

通过查看输出数组的.shape 属性，更容易理解np.vstack、np.hstack 和np.dstack* 的作用。

使用您的两个示例数组：

print(a.shape, b.shape)
# (3, 2) (3, 2)

np.vstack 沿第一维连接...

print(np.vstack((a, b)).shape)
# (6, 2)

np.hstack 沿第二维连接...

print(np.hstack((a, b)).shape)
# (3, 4)

和np.dstack 沿第三维连接。

print(np.dstack((a, b)).shape)
# (3, 2, 2)

由于a 和b 都是二维的，np.dstack 通过插入大小为 1 的第三维来扩展它们。这相当于在第三维中使用np.newaxis（或@987654341）对它们进行索引@) 像这样：

print(a[:, :, np.newaxis].shape)
# (3, 2, 1)

如果c = np.dstack((a, b))，则c[:, :, 0] == a 和c[:, :, 1] == b。

您可以像这样使用np.concatenate 更明确地执行相同的操作：

print(np.concatenate((a[..., None], b[..., None]), axis=2).shape)
# (3, 2, 2)

---

* 使用import * 将模块的全部内容导入全局命名空间是considered bad practice for several reasons。惯用的方式是import numpy as np。

【讨论】：

更清楚的是，第三个数组索引现在给出了我原来的二维索引所在的平面的高度。我仍然以与 2D 数组相同的方式索引，但现在在您的示例中添加级别 0 或 1。所以： dstack([a,b]) ;索引[0][0][0] = 0； index[0][0][1] = 6. 或平面英语“从级别 1 获取索引 0,0”

【参考方案2】：

让x == dstack([a, b])。那么x[:, :, 0] 与a 相同，x[:, :, 1] 与b 相同。通常，当 dstacking 二维数组时，dstack 会产生一个输出，使得output[:, :, n] 与第 n 个输入数组相同。

如果我们堆叠 3D 数组而不是 2D：

x = numpy.zeros([2, 2, 3])
y = numpy.ones([2, 2, 4])
z = numpy.dstack([x, y])

那么z[:, :, :3] 将与x 相同，z[:, :, 3:7] 将与y 相同。

如您所见，我们必须沿第三轴进行切片以恢复dstack 的输入。这就是 dstack 的行为方式。

【参考方案3】：

我想尝试从视觉上解释这一点（尽管接受的答案足够有道理，但我花了几秒钟的时间才将其合理化）。 如果我们将二维数组想象成一个列表列表，其中第一个轴给出内部列表之一，第二个轴给出该列表中的值，那么 OP 数组的视觉表示将是这样的：

a = [
      [0, 3],
      [1, 4],
      [2, 5]
    ]
b = [
      [6,  9],
      [7, 10],
      [8, 11]
    ]
# Shape of each array is [3,2]

现在，根据current documentation，dstack 函数添加了第三个轴，这意味着每个数组最终看起来像这样：

a = [
      [[0], [3]],
      [[1], [4]],
      [[2], [5]]
    ]
b = [
      [[6],  [9]],
      [[7], [10]],
      [[8], [11]]
    ]
# Shape of each array is [3,2,1]

现在，将这两个数组堆叠在第 3 维中仅仅意味着结果应该像预期的那样看起来像这样：

dstack([a,b]) = [
                  [[0, 6], [3, 9]],
                  [[1, 7], [4, 10]],
                  [[2, 8], [5, 11]]
                ]
# Shape of the combined array is [3,2,2]

希望这会有所帮助。

【参考方案4】：

因为您提到了“图像”，所以我认为这个示例会很有用。如果您使用 Keras 来训练输入 X 的 2D 卷积网络，那么最好将 X 与维度（#images、dim1ofImage、dim2ofImage）保持一致。

image1 = np.array([[4,2],[5,5]])
image2 = np.array([[3,1],[6,7]])

image1 = image1.reshape(1,2,2)
image2 = image2.reshape(1,2,2)

X = np.stack((image1,image2),axis=1) 
X
array([[[[4, 2],
         [5, 5]],
        [[3, 1],
        [6, 7]]]])

np.shape(X)         
X = X.reshape((2,2,2))   
X 
array([[[4, 2],
        [5, 5]],
       [[3, 1],
        [6, 7]]])

X[0] # image 1
array([[4, 2],
       [5, 5]])
X[1] # image 2
array([[3, 1],
       [6, 7]])