ggplot2 中的拓扑图 - 例如的 2D 可视化脑电图数据

Question

ggplot2 可以用来生成所谓的拓扑图（常用于神经科学）吗？

样本数据：

   label          x          y     signal
1     R3 0.64924459 0.91228430  2.0261520
2     R4 0.78789621 0.78234410  1.7880972
3     R5 0.93169511 0.72980685  0.9170998
4     R6 0.48406513 0.82383895  3.1933129

Full sample data.

行代表单个电极。列 x 和 y 表示投影到 2D 空间中，列 signal 本质上是表示在给定电极上测量的电压的 z 轴。

stat_contour 不起作用，显然是由于网格不相等。

geom_density_2d 仅提供x 和y 的密度估计。

geom_raster 不适合这项任务，或者我必须不正确地使用它，因为它很快就会耗尽内存。

不需要平滑（如右图所示）和头部轮廓（鼻子、耳朵）。

我想避免使用 Matlab 并转换数据以使其适合这个或那个工具箱……非常感谢！

更新（2016 年 1 月 26 日）

我最接近目标的是通过

library(colorRamps)
ggplot(channels, aes(x, y, z = signal)) + stat_summary_2d() + scale_fill_gradientn(colours=matlab.like(20))

生成这样的图像：

更新 2（2016 年 1 月 27 日）

我用完整数据尝试了@alexforrence 的方法，结果如下：

这是一个很好的开始，但有几个问题：

1. 最后一次调用 (ggplot()) 在 Intel i7 4790K 上大约需要 40 秒，而 Matlab 工具箱几乎可以立即生成这些；我上面的“紧急解决方案”大约需要一秒钟。
2. 如您所见，中心部分的上下边框似乎被“切片”了——我不确定是什么原因造成的，但这可能是第三个问题。

3. 我收到以下警告：

   1: Removed 170235 rows containing non-finite values (stat_contour). 
   2: Removed 170235 rows containing non-finite values (stat_contour). 
   

更新 3（2016 年 1 月 27 日）

用不同的interp(xo, yo) 和stat_contour(binwidth) 值生成的两个图之间的比较：

如果选择低interp(xo, yo)，则边缘参差不齐，在本例中为xo/yo = seq(0, 1, length = 100)：

Answer 1

这是一个潜在的开始：

首先，我们将附加一些包。我正在使用akima 进行线性插值，虽然看起来 EEGLAB 使用了某种球面插值 here?（尝试使用的数据有点稀疏）。

library(ggplot2)
library(akima)
library(reshape2)

接下来，读入数据：

dat <- read.table(text = "   label          x          y     signal
1     R3 0.64924459 0.91228430  2.0261520
2     R4 0.78789621 0.78234410  1.7880972
3     R5 0.93169511 0.72980685  0.9170998
4     R6 0.48406513 0.82383895  3.1933129")

我们将插入数据，并将其粘贴到数据框中。

datmat <- interp(dat$x, dat$y, dat$signal, 
                 xo = seq(0, 1, length = 1000),
                 yo = seq(0, 1, length = 1000))
datmat2 <- melt(datmat$z)
names(datmat2) <- c('x', 'y', 'value')
datmat2[,1:2] <- datmat2[,1:2]/1000 # scale it back

我将借用一些以前的答案。下面的circleFun 来自Draw a circle with ggplot2。

circleFun <- function(center = c(0,0),diameter = 1, npoints = 100){
  r = diameter / 2
  tt <- seq(0,2*pi,length.out = npoints)
  xx <- center[1] + r * cos(tt)
  yy <- center[2] + r * sin(tt)
  return(data.frame(x = xx, y = yy))
}

circledat <- circleFun(c(.5, .5), 1, npoints = 100) # center on [.5, .5]

# ignore anything outside the circle
datmat2$incircle <- (datmat2$x - .5)^2 + (datmat2$y - .5)^2 < .5^2 # mark
datmat2 <- datmat2[datmat2$incircle,]

我真的很喜欢R plot filled.contour() output in ggpplot2 中等高线图的外观，所以我们会借用那个。

ggplot(datmat2, aes(x, y, z = value)) +
  geom_tile(aes(fill = value)) +
  stat_contour(aes(fill = ..level..), geom = 'polygon', binwidth = 0.01) +
  geom_contour(colour = 'white', alpha = 0.5) +
  scale_fill_distiller(palette = "Spectral", na.value = NA) + 
  geom_path(data = circledat, aes(x, y, z = NULL)) +
  # draw the nose (haven't drawn ears yet)
  geom_line(data = data.frame(x = c(0.45, 0.5, .55), y = c(1, 1.05, 1)), 
            aes(x, y, z = NULL)) +
  # add points for the electrodes
  geom_point(data = dat, aes(x, y, z = NULL, fill = NULL), 
             shape = 21, colour = 'black', fill = 'white', size = 2) +
  theme_bw()

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通过 cmets 中提到的改进（在 interp 调用中分别设置 extrap = TRUE 和 linear = FALSE 以填补空白并进行样条平滑，并在绘图前移除 NA），我们得到：

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mgcv 可以做球面样条。这将替换 akima（不需要包含 interp() 的块）。

library(mgcv)
spl1 <- gam(signal ~ s(x, y, bs = 'sos'), data = dat)
# fine grid, coarser is faster
datmat2 <- data.frame(expand.grid(x = seq(0, 1, 0.001), y = seq(0, 1, 0.001)))
resp <- predict(spl1, datmat2, type = "response")
datmat2$value <- resp