今天我們將介紹處理大量數(shù)據(jù)時(shí)非常方便的工具。我不會(huì)只告訴您可能在手冊(cè)中找到的一般信息，而是分享一些我發(fā)現(xiàn)的小技巧，例如tqdm與 multiprocessing?imap??一起使用、并行處理檔案、繪制和處理 3D 數(shù)據(jù)以及如何搜索如果您有點(diǎn)云，則用于對(duì)象網(wǎng)格中的類似對(duì)象。?

那么我們?yōu)槭裁匆笾诓⑿杏?jì)算呢？如今，如果您處理任何類型的數(shù)據(jù)，您可能會(huì)面臨與“大數(shù)據(jù)”相關(guān)的問題。每次我們有不適合 RAM 的數(shù)據(jù)時(shí)，我們都需要一塊一塊地處理它。幸運(yùn)的是，現(xiàn)代編程語言允許我們生成在多核處理器上完美運(yùn)行的多個(gè)進(jìn)程（甚至線程）。（注意：這并不意味著單核處理器不能處理多處理。 ?這是關(guān)于該主題的堆棧溢出線程。）

今天，我們將嘗試處理經(jīng)常發(fā)生的計(jì)算網(wǎng)格和點(diǎn)云之間距離的 3D 計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)。例如，當(dāng)您需要在所有可用網(wǎng)格中找到定義與給定點(diǎn)云相同的 3D 對(duì)象的網(wǎng)格時(shí)，您可能會(huì)遇到此問題。

我們的數(shù)據(jù)由??.obj???存儲(chǔ)在??.7z??存檔中的文件組成，這在存儲(chǔ)效率方面非常出色。但是當(dāng)我們需要訪問它的確切部分時(shí)，我們應(yīng)該努力。在這里，我定義了包裝 7-zip 存檔并提供底層數(shù)據(jù)接口的類。

類 Archive7z(基礎(chǔ)): def __init__ ( self , file , password = None ): # ... 自我。文件={} # ... 對(duì)于信息的文件。文件： #創(chuàng)建一個(gè)知道磁盤位置的ArchiveFile實(shí)例 file = ArchiveFile ( info , pos , src_pos , folder , self , maxsize = maxsize ) # ... 自我。文件。追加(文件) # ... 自我。文件映射。更新(［(X。文件名，X)為X的自我。文件］) #從files_map字典返回ArchiveFile的方法 def getmember ( self , name ): if isinstance ( name , ( int , long )): 嘗試： 回歸自我。文件［名稱］ 除 了 IndexError： 返回?zé)o 回歸自我。文件映射。獲取(名稱，無) 類 Archive7(基礎(chǔ)): 定義讀取(自我)： # ... 對(duì)于水平，編碼器在枚舉(自我。_folder。編碼器)： # ... #獲取解碼器并解碼底層數(shù)據(jù) data = getattr ( self , decoder ) ( coder , data , level , num_coders ) 返回?cái)?shù)據(jù)

這個(gè)類幾乎不依賴??py7zlib???包，它允許我們?cè)诿看握{(diào)用get方法時(shí)解壓縮數(shù)據(jù)并為我們提供存檔中的文件數(shù)。我們還定義了??__iter__??這將幫助我們map像在可迭代對(duì)象上一樣在該對(duì)象上啟動(dòng)多處理。

您可能知道，可以創(chuàng)建一個(gè) Python 類，從中可以實(shí)例化可迭代對(duì)象。該類應(yīng)滿足以下條件：覆蓋??__getitem__???返回??self???和??__next__???返回后續(xù)元素。我們絕對(duì)遵守這條規(guī)則。

上面的定義為我們提供了遍歷存檔的可能性，但?它是否允許我們?并行隨機(jī)訪問內(nèi)容，這是一個(gè)有趣的問題，我在網(wǎng)上沒有找到答案，但我們可以研究源代碼??py7zlib??并嘗試自己回答。

在這里，我提供了來自pylzma的代碼片段：

類 Archive7z(基礎(chǔ)): def __init__ ( self , file , password = None ): # ... 自我。文件={} # ... 對(duì)于信息的文件。文件： #創(chuàng)建一個(gè)知道磁盤位置的ArchiveFile實(shí)例 file = ArchiveFile ( info , pos , src_pos , folder , self , maxsize = maxsize ) # ... 自我。文件。追加(文件) # ... 自我。文件映射。更新(［(X。文件名，X)為X的自我。文件］) #從files_map字典返回ArchiveFile的方法 def getmember ( self , name ): if isinstance ( name , ( int , long )): 嘗試： 回歸自我。文件［名稱］ 除 了 IndexError： 返回?zé)o 回歸自我。文件映射。獲取(名稱，無) 類 Archive7z(基礎(chǔ)): 定義讀取(自我)： # ... 對(duì)于水平，編碼器在枚舉(自我。_folder。編碼器)： # ... #獲取解碼器并解碼底層數(shù)據(jù) data = getattr ( self , decoder ) ( coder , data , level , num_coders ) 返回?cái)?shù)據(jù)

在代碼中，您可以看到在從存檔中讀取下一個(gè)對(duì)象期間調(diào)用的方法。我相信從上面可以清楚地看出，只要同時(shí)多次讀取存檔，就沒有理由阻止存檔。

接下來，我們快速介紹一下什么是網(wǎng)格和點(diǎn)云。

首先，網(wǎng)格是頂點(diǎn)、邊和面的集合。頂點(diǎn)由空間中的(x,y,z)?坐標(biāo)定義并分配有唯一編號(hào)。邊和面是相應(yīng)的點(diǎn)對(duì)和三元組的組，并用提到的唯一點(diǎn) id 定義。通常，當(dāng)我們談?wù)摗熬W(wǎng)格”時(shí)，我們指的是“三角形網(wǎng)格”，即由三角形組成的表面。使用??trimesh??庫在 Python 中使用網(wǎng)格要容易得多。例如，它提供了一個(gè)接口來加載??.obj??內(nèi)存中的文件。要在??jupyter notebook??一個(gè)3D 對(duì)象中顯示和交互，可以使用??k3d??庫。

所以，用下面的代碼片段我回答這個(gè)問題：“你怎么繪制??trimesh???的對(duì)象??jupyter???有??k3d??？”

進(jìn)口飾面 導(dǎo)入k3d 使用 open ( w. /data/meshes/stanford-bunny, obj")作為 f ： bunny_mesh =網(wǎng)眼。力口載(f , 'obj') 情節(jié)=k3d。情節(jié)() 網(wǎng)格= k3d。網(wǎng)格 (bunny_mesh . vertices> bunny_mesh . faces) 繪圖上網(wǎng)格 情節(jié)。顯示。

?

其次，點(diǎn)云是表示空間中對(duì)象的 3D 點(diǎn)數(shù)組。許多 3D 掃描儀生成點(diǎn)云作為掃描對(duì)象的表示。出于演示目的，我們可以讀取相同的網(wǎng)格并將其頂點(diǎn)顯示為點(diǎn)云。

?進(jìn)口飾面 導(dǎo)入k3d 使用 open ( w. /data/meshes/stanford-bunny, obj")作為 f ：bunny_mesh =網(wǎng)眼。力口載(f , 'obj') 情節(jié)=k3d。情節(jié)() 云=k3d。點(diǎn)(bunny_mesh . vertices , point_size = 0. 0001 , shader = "flat") 情節(jié)+=云 情節(jié)。顯示。?

?

?

k3d繪制的點(diǎn)云

如上所述，3D 掃描儀為我們提供了一個(gè)點(diǎn)云。假設(shè)我們有一個(gè)網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫，我們想在我們的數(shù)據(jù)庫中找到一個(gè)與掃描對(duì)象對(duì)齊的網(wǎng)格，也就是點(diǎn)云。為了解決這個(gè)問題，我們可以提出一種簡(jiǎn)單的方法。我們將從我們的檔案中搜索給定點(diǎn)云的點(diǎn)與每個(gè)網(wǎng)格之間的最大距離。如果??1e-4??某些網(wǎng)格的距離更小，我們將認(rèn)為該網(wǎng)格與點(diǎn)云對(duì)齊。

?最后，我們來到了多處理部分。請(qǐng)記住，我們的存檔中有大量文件可能無法放在一起放在內(nèi)存中，因?yàn)槲覀兏矚g并行處理它們。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們將使用 ??multiprocessing?Pool???，它使用??map???或??imap/imap_unordered???方法處理用戶定義函數(shù)的多次調(diào)用。??map???和??imap???影響我們的區(qū)別在于，??map???在將其發(fā)送到工作進(jìn)程之前將可迭代對(duì)象轉(zhuǎn)換為列表。如果存檔太大而無法寫入 ??RAM???，則不應(yīng)將其解壓縮到 ??Python ??列表中。換句話說，兩者的執(zhí)行速度是相似的。

[加載網(wǎng)格：pool.map w/o manager] 4 個(gè)進(jìn)程的池經(jīng)過時(shí)間：37.213207403818764 秒 [加載網(wǎng)格：pool.imap_unordered w/o manager] 4 個(gè)進(jìn)程的池經(jīng)過時(shí)間：37.219303369522095 秒

上面您可以看到從適合內(nèi)存的網(wǎng)格檔案中簡(jiǎn)單讀取的結(jié)果。

更進(jìn)一步??imap???：讓我們討論如何實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)，即找到靠近點(diǎn)云的網(wǎng)格。這是數(shù)據(jù)。我們有 5 種來自斯坦福模型的不同網(wǎng)格。我們將通過向斯坦福兔子網(wǎng)格的頂點(diǎn)添加噪聲來模擬 3D 掃描。

將numpy導(dǎo)入為np A numpy。隨機(jī) 導(dǎo)入 defaulting def normalize_pc (點(diǎn))：點(diǎn)額=點(diǎn)額-點(diǎn)額。平均值(軸=0)［無，：］分布=np。linalg<>范數(shù)(點(diǎn)，軸=1) scaled_points =點(diǎn) / dists中。最大值。 返回 scaled_points def load_bunny_pc ( bunny_path ):標(biāo)準(zhǔn)差=l?-3使用 open ( bunny_path )作為 f ： bunny_mesh = load_mesh ( f )#標(biāo)準(zhǔn)化后云scaled_bunny = normalize_pc ( bunny_mesh . vertices )#向點(diǎn)云添加一些噪聲 rng = defaulting ()噪音=rng。正常(0. 0 , STD , scaled_bunny . shape ) 畸變兔子=縮放兔子+噪聲返回 di st ort ed_bunny

當(dāng)然，我們之前在下面將點(diǎn)云和網(wǎng)格頂點(diǎn)歸一化，以在 3D 立方體中縮放它們。

要計(jì)算點(diǎn)云和網(wǎng)格之間的距離，我們將使用??igl??。為了完成，我們需要編寫一個(gè)函數(shù)來調(diào)用每個(gè)進(jìn)程及其依賴項(xiàng)。讓我們用下面的代碼片段來總結(jié)一下。

導(dǎo)入迭代工具 導(dǎo)入時(shí)間 將 numpy 導(dǎo)入為 npnwnpyo 隨機(jī)導(dǎo)入 default rng 面以1 口口如 進(jìn)進(jìn)從 A多處理導(dǎo)入池 de￡ load_mesh ( obj_file )：目二 trimesh。力口載(obj_file , ' obj')返回網(wǎng)格 def get_max__dist ( basjmesh , point_cloud )：distance_sq , mesh_face__indexes , _ = igl。point_mesh_squared_distance (點(diǎn)云，basjmesho 頂點(diǎn),basjmesho 面孔)返回distancjsq。最大值0 def 1 oad_mesh__get_di stance ( args )：obj_file , point__cloud = args [ 0 ]/ args [ 1 ]網(wǎng)格二 load_mesh ( obj_file )網(wǎng)。頂點(diǎn)=RormaliNe_pc (網(wǎng)格。頂點(diǎn))max_dist = get_max_dist (網(wǎng)格,點(diǎn)云)返回 max__dist de￡ read_meshes__get__di stances_pool__imap ( archive_path , point_cloud , nwn_proc , nwn_i terations )：#在疝中進(jìn)行向格“理elapsed__time =[]為一在 范圍(nujn-i terati ons )：歸檔二 MeshesArchive (ARCHIVE-PATH)池二池(nwn_proc )開始=時(shí)間。時(shí)間0導(dǎo)致=名單(tqdm(池。IMAP (1 o ad_m e sh__ge t_di s t anc e ,zip (存檔，itertoolso 重復(fù)(point_cloud))，)，總計(jì)=len辱檔)))池。關(guān)閉0池。加入o結(jié)束=時(shí)間。時(shí)間0elapsed time o追加(結(jié)束一開始)print ( F [Process meshes： pool, imap] {num_proc}個(gè)進(jìn)程的池經(jīng)過的時(shí)間：{np. array (elapsed_time). mean()} sec )對(duì)于 name , di st in zip ( archive . namesjist , result )： 打印(r{name} {dist}")返回結(jié)果 如果 _name_ ==bunny_path = /data/meshes/stanford-bunny, obj"archive_path = /data/meshes. 7zffnwn_proc = 4num_iterations = 3point__cloud - load__bunny_pc ( bunny_path )read_meshes__get__di stances_pool_no_manager__imap ( archive_path ,point_cloud , nwn_proc , num. iterations )

??? ?

這??read_meshes_get_distances_pool_imap是一個(gè)中心函數(shù)，其中完成以下操作：??

• ??MeshesArchive??并??multiprocessing.Pool??初始化
• ??tqdm???用于觀察池進(jìn)度，并手動(dòng)完成整個(gè)池的分析
• 執(zhí)行結(jié)果的輸出

請(qǐng)注意我們?nèi)绾蝹鬟f參數(shù)以??imap???從??archive???和??point_cloud???使用??zip(archive, itertools.repeat(point_cloud))???.?這允許我們將點(diǎn)云數(shù)組粘貼到存檔的每個(gè)條目上，避免轉(zhuǎn)換??archive??為列表。

執(zhí)行結(jié)果如下：

100%|########################################### #####################| 5/5 [00:00<00:00, 5.14it/s] 100%|########################################### #####################| 5/5 [00:00<00:00, 5.08it/s] 100%|########################################### #####################| 5/5 [00:00<00:00, 5.18it/s] [進(jìn)程網(wǎng)格：pool.imap w/o manager] 4 個(gè)進(jìn)程的池經(jīng)過時(shí)間：1.0080536206563313 秒 犰狳.obj 0.16176825266293382 野獸.obj 0.28608649819198073 牛.obj 0.41653845909820164 現(xiàn)貨.obj 0.22739556571296735 stanford-bunny.obj 2.3699851136074263e-05

我們可以注意到斯坦福兔子是最接近給定點(diǎn)云的網(wǎng)格。還可以看出，我們沒有使用大量數(shù)據(jù)，但我們已經(jīng)證明，即使我們?cè)诖鏅n中有大量網(wǎng)格，該解決方案也能奏效。

多處理使數(shù)據(jù)科學(xué)家不僅在 3D 計(jì)算機(jī)視覺中而且在機(jī)器學(xué)習(xí)的其他領(lǐng)域中都取得了出色的表現(xiàn)。理解并行執(zhí)行比在循環(huán)內(nèi)執(zhí)行快得多是非常重要的。差異變得顯著，尤其是在正確編寫算法時(shí)。大量數(shù)據(jù)揭示了如果沒有關(guān)于如何使用有限資源的創(chuàng)造性方法就無法解決的問題。幸運(yùn)的是，Python 語言及其廣泛的庫集幫助我們數(shù)據(jù)科學(xué)家解決了這些問題。
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使用 Python 多處理庫處理 3D 數(shù)據(jù)
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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的使用 Python 多处理库处理 3D 数据的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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