| Viewing file:  internals.py (9.44 KB)      -rw-r--r-- Select action/file-type:
 
  (+) |  (+) |  (+) | Code (+) | Session (+) |  (+) | SDB (+) |  (+) |  (+) |  (+) |  (+) |  (+) | 
 
"""===============
 Array Internals
 ===============
 
 Internal organization of numpy arrays
 =====================================
 
 It helps to understand a bit about how numpy arrays are handled under the covers to help understand numpy better. This section will not go into great detail. Those wishing to understand the full details are referred to Travis Oliphant's book "Guide to NumPy".
 
 NumPy arrays consist of two major components, the raw array data (from now on,
 referred to as the data buffer), and the information about the raw array data.
 The data buffer is typically what people think of as arrays in C or Fortran,
 a contiguous (and fixed) block of memory containing fixed sized data items.
 NumPy also contains a significant set of data that describes how to interpret
 the data in the data buffer. This extra information contains (among other things):
 
 1) The basic data element's size in bytes
 2) The start of the data within the data buffer (an offset relative to the
 beginning of the data buffer).
 3) The number of dimensions and the size of each dimension
 4) The separation between elements for each dimension (the 'stride'). This
 does not have to be a multiple of the element size
 5) The byte order of the data (which may not be the native byte order)
 6) Whether the buffer is read-only
 7) Information (via the dtype object) about the interpretation of the basic
 data element. The basic data element may be as simple as a int or a float,
 or it may be a compound object (e.g., struct-like), a fixed character field,
 or Python object pointers.
 8) Whether the array is to interpreted as C-order or Fortran-order.
 
 This arrangement allow for very flexible use of arrays. One thing that it allows
 is simple changes of the metadata to change the interpretation of the array buffer.
 Changing the byteorder of the array is a simple change involving no rearrangement
 of the data. The shape of the array can be changed very easily without changing
 anything in the data buffer or any data copying at all
 
 Among other things that are made possible is one can create a new array metadata
 object that uses the same data buffer
 to create a new view of that data buffer that has a different interpretation
 of the buffer (e.g., different shape, offset, byte order, strides, etc) but
 shares the same data bytes. Many operations in numpy do just this such as
 slices. Other operations, such as transpose, don't move data elements
 around in the array, but rather change the information about the shape and strides so that the indexing of the array changes, but the data in the doesn't move.
 
 Typically these new versions of the array metadata but the same data buffer are
 new 'views' into the data buffer. There is a different ndarray object, but it
 uses the same data buffer. This is why it is necessary to force copies through
 use of the .copy() method if one really wants to make a new and independent
 copy of the data buffer.
 
 New views into arrays mean the object reference counts for the data buffer
 increase. Simply doing away with the original array object will not remove the
 data buffer if other views of it still exist.
 
 Multidimensional Array Indexing Order Issues
 ============================================
 
 What is the right way to index
 multi-dimensional arrays? Before you jump to conclusions about the one and
 true way to index multi-dimensional arrays, it pays to understand why this is
 a confusing issue. This section will try to explain in detail how numpy
 indexing works and why we adopt the convention we do for images, and when it
 may be appropriate to adopt other conventions.
 
 The first thing to understand is
 that there are two conflicting conventions for indexing 2-dimensional arrays.
 Matrix notation uses the first index to indicate which row is being selected and
 the second index to indicate which column is selected. This is opposite the
 geometrically oriented-convention for images where people generally think the
 first index represents x position (i.e., column) and the second represents y
 position (i.e., row). This alone is the source of much confusion;
 matrix-oriented users and image-oriented users expect two different things with
 regard to indexing.
 
 The second issue to understand is how indices correspond
 to the order the array is stored in memory. In Fortran the first index is the
 most rapidly varying index when moving through the elements of a two
 dimensional array as it is stored in memory. If you adopt the matrix
 convention for indexing, then this means the matrix is stored one column at a
 time (since the first index moves to the next row as it changes). Thus Fortran
 is considered a Column-major language. C has just the opposite convention. In
 C, the last index changes most rapidly as one moves through the array as
 stored in memory. Thus C is a Row-major language. The matrix is stored by
 rows. Note that in both cases it presumes that the matrix convention for
 indexing is being used, i.e., for both Fortran and C, the first index is the
 row. Note this convention implies that the indexing convention is invariant
 and that the data order changes to keep that so.
 
 But that's not the only way
 to look at it. Suppose one has large two-dimensional arrays (images or
 matrices) stored in data files. Suppose the data are stored by rows rather than
 by columns. If we are to preserve our index convention (whether matrix or
 image) that means that depending on the language we use, we may be forced to
 reorder the data if it is read into memory to preserve our indexing
 convention. For example if we read row-ordered data into memory without
 reordering, it will match the matrix indexing convention for C, but not for
 Fortran. Conversely, it will match the image indexing convention for Fortran,
 but not for C. For C, if one is using data stored in row order, and one wants
 to preserve the image index convention, the data must be reordered when
 reading into memory.
 
 In the end, which you do for Fortran or C depends on
 which is more important, not reordering data or preserving the indexing
 convention. For large images, reordering data is potentially expensive, and
 often the indexing convention is inverted to avoid that.
 
 The situation with
 numpy makes this issue yet more complicated. The internal machinery of numpy
 arrays is flexible enough to accept any ordering of indices. One can simply
 reorder indices by manipulating the internal stride information for arrays
 without reordering the data at all. NumPy will know how to map the new index
 order to the data without moving the data.
 
 So if this is true, why not choose
 the index order that matches what you most expect? In particular, why not define
 row-ordered images to use the image convention? (This is sometimes referred
 to as the Fortran convention vs the C convention, thus the 'C' and 'FORTRAN'
 order options for array ordering in numpy.) The drawback of doing this is
 potential performance penalties. It's common to access the data sequentially,
 either implicitly in array operations or explicitly by looping over rows of an
 image. When that is done, then the data will be accessed in non-optimal order.
 As the first index is incremented, what is actually happening is that elements
 spaced far apart in memory are being sequentially accessed, with usually poor
 memory access speeds. For example, for a two dimensional image 'im' defined so
 that im[0, 10] represents the value at x=0, y=10. To be consistent with usual
 Python behavior then im[0] would represent a column at x=0. Yet that data
 would be spread over the whole array since the data are stored in row order.
 Despite the flexibility of numpy's indexing, it can't really paper over the fact
 basic operations are rendered inefficient because of data order or that getting
 contiguous subarrays is still awkward (e.g., im[:,0] for the first row, vs
 im[0]), thus one can't use an idiom such as for row in im; for col in im does
 work, but doesn't yield contiguous column data.
 
 As it turns out, numpy is
 smart enough when dealing with ufuncs to determine which index is the most
 rapidly varying one in memory and uses that for the innermost loop. Thus for
 ufuncs there is no large intrinsic advantage to either approach in most cases.
 On the other hand, use of .flat with an FORTRAN ordered array will lead to
 non-optimal memory access as adjacent elements in the flattened array (iterator,
 actually) are not contiguous in memory.
 
 Indeed, the fact is that Python
 indexing on lists and other sequences naturally leads to an outside-to inside
 ordering (the first index gets the largest grouping, the next the next largest,
 and the last gets the smallest element). Since image data are normally stored
 by rows, this corresponds to position within rows being the last item indexed.
 
 If you do want to use Fortran ordering realize that
 there are two approaches to consider: 1) accept that the first index is just not
 the most rapidly changing in memory and have all your I/O routines reorder
 your data when going from memory to disk or visa versa, or use numpy's
 mechanism for mapping the first index to the most rapidly varying data. We
 recommend the former if possible. The disadvantage of the latter is that many
 of numpy's functions will yield arrays without Fortran ordering unless you are
 careful to use the 'order' keyword. Doing this would be highly inconvenient.
 
 Otherwise we recommend simply learning to reverse the usual order of indices
 when accessing elements of an array. Granted, it goes against the grain, but
 it is more in line with Python semantics and the natural order of the data.
 
 """
 from __future__ import division, absolute_import, print_function
 
 |