预先计算多维线性插值的权重

2024-02-07

我有一个沿 D 维度的非均匀矩形网格、网格上的逻辑值 V 矩阵和查询数据点 X 矩阵。网格点的数量在不同维度上有所不同。

我对同一网格 G 和查询 X 多次运行插值,但对于不同的值 V。

目标是预先计算插值的索引和权重并重用它们,因为它们始终相同。

这是一个二维示例,其中我必须每次在循环内计算索引和值,但我只想在循环之前计算它们一次。我保留应用程序中的数据类型(主要是单个和逻辑 gpuArrays)。

% Define grid
G{1} = single([0; 1; 3; 5; 10]);
G{2} = single([15; 17; 18; 20]);

% Steps and edges are reduntant but help make interpolation a bit faster
S{1} = G{1}(2:end)-G{1}(1:end-1);
S{2} = G{2}(2:end)-G{2}(1:end-1);

gpuInf = 1e10;
% It's my workaround for a bug in GPU version of discretize in Matlab R2017a.
% It throws an error if edges contain Inf, realmin, or realmax. Seems fixed in R2017b prerelease.
E{1} = [-gpuInf; G{1}(2:end-1); gpuInf];
E{2} = [-gpuInf; G{2}(2:end-1); gpuInf];

% Generate query points
n = 50; X = gpuArray(single([rand(n,1)*14-2, 14+rand(n,1)*7]));

[G1, G2] = ndgrid(G{1},G{2});

for i = 1 : 4
    % Generate values on grid
    foo = @(x1,x2) (sin(x1+rand) + cos(x2*rand))>0;
    V = gpuArray(foo(G1,G2));

    % Interpolate
    V_interp = interpV(X, V, G, E, S);

    % Plot results
    subplot(2,2,i);
    contourf(G1, G2, V); hold on;
    scatter(X(:,1), X(:,2),50,[ones(n,1), 1-V_interp, 1-V_interp],'filled', 'MarkerEdgeColor','black'); hold off;
end

function y = interpV(X, V, G, E, S)
y = min(1, max(0, interpV_helper(X, 1, 1, 0, [], V, G, E, S) ));
end

function y = interpV_helper(X, dim, weight, curr_y, index, V, G, E, S)
if dim == ndims(V)+1
    M = [1,cumprod(size(V),2)];
    idx = 1 + (index-1)*M(1:end-1)';
    y = curr_y + weight .* single(V(idx));
else
    x = X(:,dim); grid = G{dim}; edges = E{dim}; steps = S{dim};
    iL = single(discretize(x, edges));
    weightL = weight .* (grid(iL+1) - x) ./ steps(iL);
    weightH = weight .* (x - grid(iL)) ./ steps(iL);
    y = interpV_helper(X, dim+1, weightL, curr_y, [index, iL  ], V, G, E, S) +...
        interpV_helper(X, dim+1, weightH, curr_y, [index, iL+1], V, G, E, S);
end
end

我找到了一种方法来做到这一点并将其发布在这里,因为(截至目前)还有两个人感兴趣。只需对我的原始代码稍作修改(见下文)。

% Define grid
G{1} = single([0; 1; 3; 5; 10]);
G{2} = single([15; 17; 18; 20]);

% Steps and edges are reduntant but help make interpolation a bit faster
S{1} = G{1}(2:end)-G{1}(1:end-1);
S{2} = G{2}(2:end)-G{2}(1:end-1);

gpuInf = 1e10;
% It's my workaround for a bug in GPU version of discretize in Matlab R2017a.
% It throws an error if edges contain Inf, realmin, or realmax. Seems fixed in R2017b prerelease.
E{1} = [-gpuInf; G{1}(2:end-1); gpuInf];
E{2} = [-gpuInf; G{2}(2:end-1); gpuInf];

% Generate query points
n = 50; X = gpuArray(single([rand(n,1)*14-2, 14+rand(n,1)*7]));

[G1, G2] = ndgrid(G{1},G{2});

[W, I] = interpIW(X, G, E, S); % Precompute weights W and indexes I

for i = 1 : 4
    % Generate values on grid
    foo = @(x1,x2) (sin(x1+rand) + cos(x2*rand))>0;
    V = gpuArray(foo(G1,G2));

    % Interpolate
    V_interp = sum(W .* single(V(I)), 2);

    % Plot results
    subplot(2,2,i);
    contourf(G1, G2, V); hold on;
    scatter(X(:,1), X(:,2), 50,[ones(n,1), 1-V_interp, 1-V_interp],'filled', 'MarkerEdgeColor','black'); hold off;
end

function [W, I] = interpIW(X, G, E, S)
global Weights Indexes
Weights=[]; Indexes=[];
interpIW_helper(X, 1, 1, [], G, E, S, []);
W = Weights; I = Indexes;
end

function [] = interpIW_helper(X, dim, weight, index, G, E, S, sizeV)
global Weights Indexes
if dim == size(X,2)+1
    M = [1,cumprod(sizeV,2)];
    Weights = [Weights, weight];
    Indexes = [Indexes, 1 + (index-1)*M(1:end-1)'];
else
    x = X(:,dim); grid = G{dim}; edges = E{dim}; steps = S{dim};
    iL = single(discretize(x, edges));
    weightL = weight .* (grid(iL+1) - x) ./ steps(iL);
    weightH = weight .* (x - grid(iL)) ./ steps(iL);
    interpIW_helper(X, dim+1, weightL, [index, iL  ], G, E, S, [sizeV, size(grid,1)]);
    interpIW_helper(X, dim+1, weightH, [index, iL+1], G, E, S, [sizeV, size(grid,1)]);
end
end
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