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獲得球體上均勻分布點的區域

2022-04-27 04:18:29 企業開發

這個網站上有幾個關于在球體表面上分布點的問題,但所有這些都是基于實際生成該球體上的所有點。到目前為止,我最喜歡的是在獲得球體上均勻分布點的區域

計算上述代碼的代碼如下,包括驗證子集計算與蠻力計算完全相同的方法(但是不要嘗試萬億分,除非你有一臺超級計算機,否則它永遠不會完成! )

請注意,當您進行超過大約十億點的計算時,使用 128 位雙精度是絕對要求,否則會有主要的量化偽影!

運行時間與子集與整個球體的比率成比例r' * Nr'因此,r'可以非常有效地計算非常小的值。

#!/usr/bin/env python3

import argparse
import mpl_toolkits.mplot3d.axes3d as ax3d
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

def fibonacci_sphere_pts(num_pts):
  ga = (3 - np.sqrt(5)) * np.pi  # golden angle

  # Create a list of golden angle increments along tha range of number of points
  theta = ga * np.arange(num_pts)

  # Z is a split into a range of -1 to 1 in order to create a unit circle
  z = np.linspace(1 / num_pts - 1, 1 - 1 / num_pts, num_pts)

  # a list of the radii at each height step of the unit circle
  radius = np.sqrt(1 - z * z)

  # Determine where xy fall on the sphere, given the azimuthal and polar angles
  y = radius * np.sin(theta)
  x = radius * np.cos(theta)

  return np.asarray(list(zip(x,y,z)))


def fibonacci_sphere(num_pts):
  x,y,z = zip(*fibonacci_sphere_subset(num_pts))

  # Display points in a scatter plot
  fig = plt.figure()
  ax = fig.add_subplot(111, projection="3d")
  ax.scatter(x, y, z)
  plt.show()

def fibonacci_sphere_subset_pts(num_pts, p0, r0 ):
  """
  Get a subset of a full fibonacci_sphere
  """
  ga = (3 - np.sqrt(5)) * np.pi  # golden angle

  x0, y0, z0 = p0

  z_s = 1 / num_pts - 1
  z_e = 1 - 1 / num_pts

  # linspace formula for range [z_s,z_e] for N points is 
  # z_k = z_s    (z_e - z_s) / (N-1) * k , for k [0,N)
  # therefore k = (z_k - z_s)*(N-1) / (z_e - z_s)
  # would be the closest value of k
  k = int(np.round((z0 - z_s) * (num_pts - 1) / (z_e - z_s)))

  # here a sufficient number of "layers" of the fibonacci sphere must be
  # selected to obtain enough points to be a superset of the subset given the
  # radius, we use a heuristic to determine the number but it can be obtained
  # exactly by the correct formula instead (by choosing an upperbound)
  dz = (z_e - z_s) / (num_pts-1)
  n_dk = int(np.ceil( r0 / dz ))

  dk = np.arange(k - n_dk, k   n_dk 1)
  dk = dk[np.where((dk>=0)&(dk<num_pts))[0]]

  # NOTE: *must* use long double over regular doubles below, otherwise there
  # are major quantization errors in the output for large number of points
  theta = ga * dk.astype(np.longdouble)
  z = z_s   (z_e - z_s ) / (num_pts-1) *dk
  radius = np.sqrt(1 - z * z)
  y = radius * np.sin(theta)
  x = radius * np.cos(theta)
  idx = np.where(np.square(x - x0)   np.square(y-y0)   np.square(z-z0) <= r0*r0)[0]
  return x[idx],y[idx],z[idx]

def fibonacci_sphere_subset(num_pts, p0, r0, do_compare=False ):
  """
  Display fib sphere subset points and optionally compare against bruteforce computation
  """

  x,y,z = fibonacci_sphere_subset_pts(num_pts,p0,r0)

  if do_compare:
    subset = zip(x,y,z)
    subset_bf = fibonacci_sphere_pts(num_pts)
    x0,y0,z0 = p0
    subset_bf = [ (x,y,z) for (x,y,z) in subset_bf if np.square(x - x0)   np.square(y-y0)   np.square(z-z0) <= r0*r0  ]
    subset_bf = np.asarray(subset_bf)
    if np.allclose(subset,subset_bf):
        print('PASS: subset and bruteforce computation agree completely')
    else:
        print('FAIL: subset and bruteforce computation DO NOT agree completely')

  # Display points in a scatter plot
  fig = plt.figure()
  ax = fig.add_subplot(111, projection="3d")
  ax.scatter(x, y, z)
  plt.show()


if __name__ == "__main__":
  parser = argparse.ArgumentParser(description="fibonacci sphere")
  parser.add_argument(
      "numpts", type=int, help="number of points to distribute along sphere"
  )
  args = parser.parse_args()
  # hard-coded point to query with a tiny fixed radius
  p0 = (.5,.5,np.sqrt(1. - .5*.5 - .5*.5)) # coordinate of query point representing center of subset, note all coordinates fall between -1 and 1
  r0 = .00001 # the radius of the subset, a very small number is chosen as radius of full sphere is 1.0
  fibonacci_sphere_subset(int(args.numpts),p0,r0,do_compare=False)

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