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二维快速k最近邻搜索的数据结构和算法的合适选择

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我有大约100,000个(X,Y)对的数据集,它们代表2D空间中的点。对于 每个 点,我想找到它的k最近邻。

因此,我的问题是-假设我要绝对减少总体运行时间,哪种数据结构/算法将是合适的选择?

我不是在寻找代码-只是一个指向合适方法的指针。我对似乎无关紧要的选择范围感到畏缩-四叉树,R树,kd树等。

我认为最好的方法是建立一个数据结构,然后对每个点运行某种k最近邻搜索。但是,由于(a)我提前知道了点,并且(b)我必须对每个点都进行一次精确搜索,所以也许有更好的方法?

一些额外的细节:

  • 由于我想最小化整个运行时间,所以我不在乎是否将大部分时间都花在了结构与搜索上。
  • (X,Y)对分布得很好,因此我们可以假设分布几乎是均匀的。

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2020-07-28

共1个答案

小编典典

如果k相对较小(<20左右)并且您具有大致均匀的分布,请创建一个覆盖点下降范围的网格,并选择该网格,以使每个网格的平均点数舒适地高于k(因此a居中位置的点通常会在该一个网格点获得其k个邻居)。然后创建一组其他栅格,它们沿每个轴与第一个栅格(重叠)成半角。现在,对于每个点,计算它属于哪个网格元素(因为网格是规则的,因此不需要搜索),并选择四个点中最接近其中心的一个(或者您拥有许多重叠的网格)。

在每个网格元素内,这些点应在一个坐标中排序(比方说x)。从您选择的元素开始(使用对分查找),沿着排序的列表向外走,直到找到k个项目(同样,如果k小,则以二进制插入排序的方式来保持k个最佳匹配的列表的最快方法,让最差的匹配项在插入时最终消失;在现代硬件上,插入排序通常会击败其他所有项(最多约30个)。一直走,直到最远的最近邻居比x中距离您的下一个点更近(即不计算其y偏移,因此可能没有新点比迄今为止找到的第k个最近点)

如果您还没有k点,或者您有k点,但是网格元素的一个或多个壁比k点中的最远点更靠近您的兴趣点,请将相关的相邻网格元素添加到搜索中。

这应该使您具有类似的性能O(N*k^2),且常数因子相对较低。如果k大,则此策略过于简单,您应该选择k中呈线性或对数线性的算法,例如kd树。

2020-07-28