如何判断两条轨迹(或曲线)的相似度?

比如下图,虽然它们的重合度不高,但是它们的结构是一样的,应当认为它们是很相似的,请问如何量化的判断呢?有什么好的算法? 

做过一个小研究是关于判断曲线的相似性的,下面正文答案已经基本上解决了该问题。使用归一化后的Fréchet distance即可。另外也可使用Hausdorff distance,但是使用效果不如前者。
推荐几篇论文仅供参考:

Alt H, Godau M (1995) Computing the Fréchet distance between two polygonal curves International Journal of Computational Geometry & Applications 5:75-91. doi:10.1142/S0218195995000064

Fréchet MM (1906) Sur quelques points du calcul fonctionnel Rendiconti del Circolo Matematico di Palermo (1884-1940) 22:1-72. doi:10.1007/BF03018603

 

此外,可以使用离散化的方法使用Fréchet distance,以便于实际编程计算,同推荐一篇离散化的文章供参考,里面有该方法的伪代码,另matlab也有现成的package,搜搜即可。

Eiter T, Mannila H (1994) Computing discrete Fréchet distance See Also

 

最后推荐一个应用该方法的实例,为了解决Fréchet distance中阈值的问题对其进行了标准化从而得到一个相似指数。

Wang J, Xu C, Tong S, Chen H, Yang W (2013) Spatial dynamic patterns of hand-foot-mouth disease in the People's Republic of China Geospatial health 7:381-390

 

判断两条轨迹的相似性方法有很多

基于点方法: EDR,LCSS,DTW等

基于形状的方法: Frechet, Hausdorff(该方法可以解决上述问题)

基于分段的方法:One Way Distance, LIP distance

基于特定任务的方法:TRACLUS, Road Network,grid等

附上本人总结的Trajectory Distance slides:

作者:Di Yao
链接:https://www.zhihu.com/question/27213170/answer/271567963
来源:知乎
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<think>好的,用户想了解曲线相似度算法的原理、实现方法和应用场景。首先,我需要明确“曲线相似度”通常指的是衡量两条曲线在形状、趋势数值上的相似程度。接下来,我需要从原理、实现方法和应用三个方面展开。 根据用户提供的引用,引用[2]提到了GrabCut算法,虽然主要用于图像分割,但涉及了纹理和边界信息,可能与曲线分析有关。引用[3]和[4]分别讨论了TF-IDF、BM25以及推荐系统,这些可能不直接相关,但协同过滤中的相似度计算许有借鉴之处。不过,用户的问题更偏向于曲线数据,如时间序列空间轨迹。 首先,原理部分需要涵盖常见的算法,比如动态时间规整(DTW)、欧氏距离、相关系数等。DTW适用于不同长度的曲线,能够对齐时间轴;欧氏距离简单但要求等长;相关系数关注趋势相似性。此外,可能需要提到基于形状的方法,如Hausdorff距离傅里叶变换。 实现方法方面,要具体说明不同算法的步骤。例如,DTW的动态规划实现,傅里叶变换的步骤。引用[3]中的TF-IDF虽然主要用于文本,但启发可以考虑特征提取的方法,比如将曲线特征向量化后计算相似度。 应用场景方面,用户可能涉及金融、医疗、工业等领域。比如股票预测、心电图分析、传感器监测等。引用[2]中的图像分割虽然不同,但说明相似度算法在多个领域的通用性。 需要检查是否有遗漏的重要算法,比如最长公共子序列(LCSS)基于机器学习的方法,如使用神经网络提取特征。此外,是否需要提到预处理步骤,如归一化、平滑处理等,以确保准确性。 用户可能的需求是实际应用,比如如何选择合适算法,不同场景下的优缺点。例如,实时性要求高的场景可能选择欧氏距离,而精度要求高的用DTW。同时,可能需要考虑计算复杂度,DTW的复杂度较高,长曲线可能需要优化。 最后,确保回答结构清晰,分点说明,并引用相关文献。比如引用[2]中的GrabCut虽然不直接相关,但可以说明相似度计算在图像处理中的应用,扩展用户思路。</think>### 曲线相似度算法:原理、实现与应用 #### 一、原理 曲线相似度算法用于衡量两条曲线在形状、趋势分布上的相似程度,核心思想是通过数学建模量化曲线的差异。以下是几种经典方法: 1. **动态时间规整(DTW)** 适用于不同长度的曲线,通过动态规划对齐时间轴,最小化累积距离。公式为: $$ D(i,j) = d(i,j) + \min(D(i-1,j), D(i,j-1), D(i-1,j-1)) $$ 其中 $d(i,j)$ 表示两曲线上点 $i$ 和 $j$ 的局部距离[^2]。 2. **欧氏距离(Euclidean Distance)** 要求曲线长度相同,直接计算对应点差值平方和的平方根: $$ D = \sqrt{\sum_{i=1}^n (x_i - y_i)^2} $$ 适用于对齐良好的等长曲线。 3. **皮尔逊相关系数(Pearson Correlation)** 衡量曲线趋势相似性,公式为: $$ r = \frac{\sum (x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})}{\sqrt{\sum (x_i - \bar{x})^2 \sum (y_i - \bar{y})^2}} $$ 值域为 $[-1,1]$,越接近1表示趋势越相似。 4. **基于形状的相似度(如Hausdorff距离)** 计算两条曲线间最大最小距离,捕捉形状差异: $$ H(A,B) = \max \left( \sup_{a \in A} \inf_{b \in B} d(a,b), \sup_{b \in B} \inf_{a \in A} d(a,b) \right) $$ #### 二、实现方法 以DTW为例,Python实现步骤: 1. **数据预处理**:归一化、平滑去噪。 2. **距离矩阵计算**:构建局部距离矩阵 $d(i,j)$。 3. **动态规划路径搜索**:填充累积距离矩阵 $D$,回溯最优路径。 ```python import numpy as np def dtw_distance(s1, s2): n, m = len(s1), len(s2) dtw_matrix = np.zeros((n+1, m+1)) for i in range(1, n+1): dtw_matrix[i, 0] = np.inf for j in range(1, m+1): dtw_matrix[0, j] = np.inf for i in range(1, n+1): for j in range(1, m+1): cost = abs(s1[i-1] - s2[j-1]) dtw_matrix[i, j] = cost + min(dtw_matrix[i-1, j], dtw_matrix[i, j-1], dtw_matrix[i-1, j-1]) return dtw_matrix[n, m] ``` #### 三、应用场景 1. **金融领域** - 股票价格趋势匹配:通过DTW分析不同股票走势的相似性,辅助投资决策。 - 经济指标对比:如GDP增长率曲线相似度评估[^4]。 2. **医疗健康** - 心电图(ECG)分析:比较患者心电图与标准模板的差异,辅助诊断心律失常。 - 运动轨迹分析:康复训练中动作轨迹的合规性检测。 3. **工业监测** - 传感器数据匹配:工厂设备振动曲线的异常检测(如轴承故障预警)。 - 能耗模式识别:通过相似度算法优化能源分配。 4. **计算机视觉** - 手写签名验证:利用曲线相似度判断签名真伪。 - 图像轮廓匹配:如GrabCut算法中曲线分割的优化。 #### 四、算法选择建议 | **场景需求** | **推荐算法** | **原因** | |----------------------|--------------------|----------------------------------| | 等长曲线、快速计算 | 欧氏距离 | 计算复杂度低($O(n)$) | | 不等长曲线、对齐趋势 | DTW | 支持弹性时间规整 | | 趋势相似性分析 | 皮尔逊相关系数 | 忽略绝对值,关注变化方向 | | 形状差异检测 | Hausdorff距离 | 捕捉最大局部差异 | ---
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