在MATLAB中构造邻接矩阵

Question

考虑排列在大小为 N×M 的网格上的一组点。 我正在尝试构建邻接矩阵，使得 相邻点相连。

例如，在带有图表的 3x3 网格中：

1-2-3
| | |
4-5-6
| | |
7-8-9

我们应该有对应的邻接矩阵：

+---+------------------------------------------------------+
|   |   1     2     3     4     5     6     7     8     9  |
+---+------------------------------------------------------+
| 1 |   0     1     0     1     0     0     0     0     0  |
| 2 |   1     0     1     0     1     0     0     0     0  |
| 3 |   0     1     0     0     0     1     0     0     0  |
| 4 |   1     0     0     0     1     0     1     0     0  |
| 5 |   0     1     0     1     0     1     0     1     0  |
| 6 |   0     0     1     0     1     0     0     0     1  |
| 7 |   0     0     0     1     0     0     0     1     0  |
| 8 |   0     0     0     0     1     0     1     0     1  |
| 9 |   0     0     0     0     0     1     0     1     0  |
+---+------------------------------------------------------+

作为奖励，该解决方案应该适用于 4 和 8 连接的相邻点，即：

   o             o  o  o
o  X  o   vs.    o  X  o
   o             o  o  o

这是我到目前为止的代码：

N = 3; M = 3;
adj = zeros(N*M);

for i=1:N
    for j=1:M
        k = sub2ind([N M],i,j);
        if i>1
            ii=i-1; jj=j;
            adj(k,sub2ind([N M],ii,jj)) = 1; 
        end
        if i<N
            ii=i+1; jj=j;
            adj(k,sub2ind([N M],ii,jj)) = 1; 
        end
        if j>1
            ii=i; jj=j-1;
            adj(k,sub2ind([N M],ii,jj)) = 1; 
        end
        if j<M
            ii=i; jj=j+1;
            adj(k,sub2ind([N M],ii,jj)) = 1; 
        end
    end
end

如何改进以避免所有循环？

Answer 1

如果您注意到，您正在创建的邻接矩阵有一个独特的模式。具体来说，它们是对称的和banded。您可以利用这一事实，使用diag 函数（如果您想创建稀疏矩阵，则使用spdiags 函数）轻松创建矩阵。以下是为每种情况创建邻接矩阵的方法，以上面的示例矩阵为例：

4 个连接的邻居：

mat = [1 2 3; 4 5 6; 7 8 9];                 % Sample matrix
[r, c] = size(mat);                          % Get the matrix size
diagVec1 = repmat([ones(c-1, 1); 0], r, 1);  % Make the first diagonal vector
                                             %   (for horizontal connections)
diagVec1 = diagVec1(1:end-1);                % Remove the last value
diagVec2 = ones(c*(r-1), 1);                 % Make the second diagonal vector
                                             %   (for vertical connections)
adj = diag(diagVec1, 1)+diag(diagVec2, c);   % Add the diagonals to a zero matrix
adj = adj+adj.';                             % Add the matrix to a transposed copy of
                                             %   itself to make it symmetric

你会得到以下矩阵：

adj =

     0  1  0  1  0  0  0  0  0
     1  0  1  0  1  0  0  0  0
     0  1  0  0  0  1  0  0  0
     1  0  0  0  1  0  1  0  0
     0  1  0  1  0  1  0  1  0
     0  0  1  0  1  0  0  0  1
     0  0  0  1  0  0  0  1  0
     0  0  0  0  1  0  1  0  1
     0  0  0  0  0  1  0  1  0

8 个连接的邻居：

mat = [1 2 3; 4 5 6; 7 8 9];                 % Sample matrix
[r, c] = size(mat);                          % Get the matrix size
diagVec1 = repmat([ones(c-1, 1); 0], r, 1);  % Make the first diagonal vector
                                             %   (for horizontal connections)
diagVec1 = diagVec1(1:end-1);                % Remove the last value
diagVec2 = [0; diagVec1(1:(c*(r-1)))];       % Make the second diagonal vector
                                             %   (for anti-diagonal connections)
diagVec3 = ones(c*(r-1), 1);                 % Make the third diagonal vector
                                             %   (for vertical connections)
diagVec4 = diagVec2(2:end-1);                % Make the fourth diagonal vector
                                             %   (for diagonal connections)
adj = diag(diagVec1, 1)+...                  % Add the diagonals to a zero matrix
      diag(diagVec2, c-1)+...
      diag(diagVec3, c)+...
      diag(diagVec4, c+1);
adj = adj+adj.';                             % Add the matrix to a transposed copy of
                                             %   itself to make it symmetric

你会得到以下矩阵：

adj =

     0  1  0  1  1  0  0  0  0
     1  0  1  1  1  1  0  0  0
     0  1  0  0  1  1  0  0  0
     1  1  0  0  1  0  1  1  0
     1  1  1  1  0  1  1  1  1
     0  1  1  0  1  0  0  1  1
     0  0  0  1  1  0  0  1  0
     0  0  0  1  1  1  1  0  1
     0  0  0  0  1  1  0  1  0

Answer 2

只是为了好玩，这是一个通过计算网格上所有点对之间的距离来构造邻接矩阵的解决方案（显然不是最有效的方法）

N = 3; M = 3;                  %# grid size
CONNECTED = 8;                 %# 4-/8- connected points

%# which distance function
if CONNECTED == 4,     distFunc = 'cityblock';
elseif CONNECTED == 8, distFunc = 'chebychev'; end

%# compute adjacency matrix
[X Y] = meshgrid(1:N,1:M);
X = X(:); Y = Y(:);
adj = squareform( pdist([X Y], distFunc) == 1 );

下面是一些可视化邻接矩阵和连接点图的代码：

%# plot adjacency matrix
subplot(121), spy(adj)

%# plot connected points on grid
[xx yy] = gplot(adj, [X Y]);
subplot(122), plot(xx, yy, 'ks-', 'MarkerFaceColor','r')
axis([0 N+1 0 M+1])
%# add labels
[X Y] = meshgrid(1:N,1:M);
X = reshape(X',[],1) + 0.1; Y = reshape(Y',[],1) + 0.1;
text(X, Y(end:-1:1), cellstr(num2str((1:N*M)')) )

Answer 3

我刚刚在搜索相同问题时发现了这个问题。但是，由于需要使用稀疏矩阵类型的问题大小，所提供的解决方案都不适合我。这是我适用于大规模实例的解决方案：

function W = getAdjacencyMatrix(I)

[m, n] = size(I);

I_size = m*n;

% 1-off diagonal elements
V = repmat([ones(m-1,1); 0],n, 1);
V = V(1:end-1); % remove last zero

% n-off diagonal elements
U = ones(m*(n-1), 1);

% get the upper triangular part of the matrix
W = sparse(1:(I_size-1),    2:I_size, V, I_size, I_size)...
  + sparse(1:(I_size-m),(m+1):I_size, U, I_size, I_size);

% finally make W symmetric
W = W + W';

Answer 4

刚刚遇到这个问题。我有一个很好用的 m 函数（链接：sparse_adj_matrix.m），它非常通用。

它可以处理4-connect grid（半径1根据L1 norm），8-connect grid（radius 1根据L_infty norm）。
它还可以支持 3D（以及任意更高的维度网格）。
该函数还可以连接比radius = 1更远的节点。

这是函数的签名：

% Construct sparse adjacency matrix (provides ii and jj indices into the
% matrix)
%
% Usage:
%   [ii jj] = sparse_adj_matrix(sz, r, p)
%
% inputs:
%   sz - grid size (determine the number of variables n=prod(sz), and the
%        geometry/dimensionality)
%   r  - the radius around each point for which edges are formed
%   p  - in what p-norm to measure the r-ball, can be 1,2 or 'inf'
%
% outputs
%   ii, jj - linear indices into adjacency matrix (for each pair (m,n)
%   there is also the pair (n,m))
%
% How to construct the adjacency matrix?
% >> A = sparse(ii, jj, ones(1,numel(ii)), prod(sz), prod(sz));
%
%
% Example:
% >> [ii jj] = sparse_adj_matrix([10 20], 1, inf);
% construct indices for 200x200 adjacency matrix for 8-connect graph over a
% grid of 10x20 nodes.
% To visualize the graph:
% >> [r c]=ndgrid(1:10,1:20);
% >> A = sparse(ii, jj, 1, 200, 200);;
% >> gplot(A, [r(:) c(:)]);

Answer 5

您当前的代码似乎还不错。您需要以一种或另一种方式迭代所有邻居对。如果你真的需要优化代码，我建议：

• 循环遍历节点索引 i，其中1 <= i <= (N*M)
• 不要使用 sub2ind() 来提高效率，节点 i 的邻居是简单的 [i-M, i+1, i+M, i-1] 顺时针顺序

注意获取所有邻居节点对：

• 您只需计算节点 i % M != 0 的“正确”邻居（即水平边）（因为 Matlab 不是基于 0 而是基于 1）
• 您只需计算节点i > M 的“上方”邻居（即垂直边）
• 对角线也有类似的规则

这将导致单个循环（但 N*M 迭代次数相同），不调用 sub2ind()，并且循环中只有两个 if 语句。

Answer 6

为图表中的每个节点添加一个向右和向下的连接。检查你没有超出你的网格。考虑以下构建邻接矩阵的函数。

function  adj = AdjMatrixLattice4( N, M )
    % Size of adjacency matrix
    MN = M*N;
    adj = zeros(MN,MN);

    % number nodes as such
    %  [1]---[2]-- .. --[M]
    %   |     |          |
    % [M+1]-[M+2]- .. -[2*M]
    %   :     :          :
    %   []    []   ..  [M*N]     

    for i=1:N
        for j=1:N
            A = M*(i-1)+j;          %Node # for (i,j) node
            if(j<N)                
                B = M*(i-1)+j+1;    %Node # for node to the right
                adj(A,B) = 1;
                adj(B,A) = 1;
            end
            if(i<M)
                B = M*i+j;          %Node # for node below
                adj(A,B) = 1;       
                adj(B,A) = 1;
            end            
        end
    end    
end

如上例AdjMatrixLattice4(3,3)=

 0     1     0     1     0     0     0     0     0
 1     0     1     0     1     0     0     0     0
 0     1     0     0     0     1     0     0     0
 1     0     0     0     1     0     1     0     0
 0     1     0     1     0     1     0     1     0
 0     0     1     0     1     0     0     0     1
 0     0     0     1     0     0     0     1     0
 0     0     0     0     1     0     1     0     1
 0     0     0     0     0     1     0     1     0