04.14.2
DDTW(Derivative Dynamic Time Warping) まとめ Derivative Dynamic Time Warping(DDTW)は、DTW の局所距離を「値の差 \(|x_i - y_j|\)」から「一次微分(傾き)の差 \(|D_X(i) - D_Y(j)|\)」に置き換えた手法で、波形が上がるか下がるかのパターンだけを比べます。傾きは各時点の中央差分で近似し、累積コストとワーピングパスの計算は通常の DTW とまったく同じです。このページでは derivative_series と ddtw_distance を NumPy で実装し、sin 波(A)、それを 0.6 持ち上げた B、周期と位相を変えた C の 3 本で距離を比べます。DTW では A–B が 72.2 と A–C の 51.2 より大きくなるのに対し、DDTW では A–B が 0.002、A–C が 13.6 と「形の近さ」の順に並ぶことを確かめます。
Keogh, Eamonn J., and Michael J. Pazzani. “Derivative Dynamic Time Warping.” Proceedings of the 2001 SIAM International Conference on Data Mining . (PDF )
直感
# 心電図を 2 人分比べるとき、片方の機器のゼロ点が 0.6 mV ずれていても、医師は「P 波、QRS、T 波」という形の順序で同じ波形だと判断します。DTW は値そのものを比べるので、ゼロ点のずれ 0.6 が 120 点すべてに積み上がって距離 72 になり、形が違う別の波形(距離 51)より「遠い」と答えてしまいます。DDTW は各点を「今、上がっているか下がっているか、どれくらいの速さで」という傾きに置き換えてから DTW をかけるので、ゼロ点のずれは消え、形の違いだけが距離 13.6 として残ります。
系列 X, Y →
中央差分で傾き列 D_X, D_Y を作る →
傾きの差 |D_X(i) − D_Y(j)| を格子に並べる →
DTW と同じ遷移式で累積コストを埋める →
右上の値が DDTW 距離 →
逆にたどってワーピングパス
DDTW とは
# Dynamic Time Warping(DTW)は 2 本の時系列を整列させ、対応付けた点同士の距離を最小化します。ただし値の差をそのまま距離にすると、縦方向のオフセットが大きいケースで「形は近いのに距離が離れてしまう」ことがあります。Derivative Dynamic Time Warping(DDTW)は距離の定義を「傾きの差」に置き換えることで、形状の近さに注目します。ベースラインが 0.6 違っても上り坂と下り坂のパターンが同じなら距離はほぼ 0 です。ノイズが少なければ、ピークや谷といった形状の特徴が強調されます。絶対値の差そのものが重要な場面(温度の閾値を超えたかを見る異常検知など)では DTW が適しているので、目的に合わせて使い分けます。
何が起きているか(ステップで見る)
# コードを読む前に、この手法が図の上で何をしているかを追ってみましょう。「再生」を押すか、スライダーを動かすと 1 手順ずつ進みます。
見るポイント :DTW は時間を伸び縮みさせて形を合わせる。タイミングがずれた似た波形を「近い」と判定できる。
アルゴリズムのポイント
# DDTW が DTW と違うのは局所距離の定義だけで、「傾きの差」を使います。
1. 傾き(一次微分)の近似
# 系列 \(X\) の \(i\) 番目の傾きは、1 つ前との差と、前後 2 点の差の半分を平均した中央差分で近似します。
$$
D_X(i) = \frac{(x_i - x_{i-1}) + (x_{i+1} - x_{i-1})/2}{2}
$$単純な差分 \(x_i - x_{i-1}\) だけだとノイズ 1 点で傾きが跳ねるので、前後 2 点にまたがる差分と平均して少し平滑化しています。端点 \(i = 1\) と \(i = n\) は前後 3 点の値を利用して同様に計算します。局所距離 \(D_{i,j}\) はこの傾きの差の絶対値 \(|D_X(i) - D_Y(j)|\)(または二乗誤差)とします。
2. 累積コストの計算
# 傾きから作成した距離行列 \(D\) を用い、通常の DTW と同じ遷移式で累積コスト \(C\) を計算します。
$$
C_{i,j} = D_{i,j} + \min\{C_{i-1,j},\ C_{i,j-1},\ C_{i-1,j-1}\}
$$3. ワーピングパス
# 累積コスト行列の右下から逆向きにたどり、最小コスト経路(ワーピングパス)を復元します。距離評価が傾きを基準にしているため、値のオフセットより形状の違いが強調されます。計算量は DTW と同じ \(O(nm)\) で、長い系列では Sakoe–Chiba バンドなどの制約を加えると高速化できます。
Python で DDTW を実装する
# derivative_series が式 \(D_X(i)\) を全点に適用して傾き列を返し、ddtw_distance がその傾き列に対して DTW のページ と同じ動的計画法を実行します。
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import numpy as np
def derivative_series ( x : np . ndarray ) -> np . ndarray :
"""中央差分で一次微分を近似する。"""
x = np . asarray ( x , dtype = float )
if x . size < 3 :
raise ValueError ( "系列の長さは 3 以上にしてください。" )
d = np . empty_like ( x )
d [ 0 ] = (( x [ 1 ] - x [ 0 ]) + ( x [ 2 ] - x [ 0 ]) / 2.0 ) / 2.0
d [ - 1 ] = (( x [ - 1 ] - x [ - 2 ]) + ( x [ - 1 ] - x [ - 3 ]) / 2.0 ) / 2.0
for i in range ( 1 , len ( x ) - 1 ):
d [ i ] = (( x [ i ] - x [ i - 1 ]) + ( x [ i + 1 ] - x [ i - 1 ]) / 2.0 ) / 2.0
return d
def ddtw_distance (
x : np . ndarray ,
y : np . ndarray ,
window : int | None = None ,
) -> tuple [ float , list [ tuple [ int , int ]]]:
dx , dy = derivative_series ( x ), derivative_series ( y )
n , m = len ( dx ), len ( dy )
if window is None :
window = max ( n , m )
window = max ( window , abs ( n - m ))
cost = np . full (( n + 1 , m + 1 ), np . inf )
cost [ 0 , 0 ] = 0.0
for i in range ( 1 , n + 1 ):
for j in range ( max ( 1 , i - window ), min ( m + 1 , i + window + 1 )):
dist = abs ( dx [ i - 1 ] - dy [ j - 1 ])
cost [ i , j ] = dist + min ( cost [ i - 1 , j ], cost [ i , j - 1 ], cost [ i - 1 , j - 1 ])
i , j = n , m
path : list [ tuple [ int , int ]] = []
while i > 0 and j > 0 :
path . append (( i - 1 , j - 1 ))
step = np . argmin (( cost [ i - 1 , j ], cost [ i , j - 1 ], cost [ i - 1 , j - 1 ]))
if step == 0 :
i -= 1
elif step == 1 :
j -= 1
else :
i -= 1
j -= 1
path . reverse ()
return cost [ n , m ], path
DTW と DDTW を比較する
# sin 波(A)、それを 0.6 持ち上げただけの B、周期を 1.2 倍にして位相を 0.3 ずらした C を 120 点ずつ作ります。B は「形は同じで高さが違う」、C は「高さは同じで形が違う」例です。
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python --version # 例: Python 3.13.0
pip install matplotlib
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import matplotlib.pyplot as plt
np . random . seed ( 0 )
t = np . linspace ( 0 , 4 * np . pi , 120 )
series_a = np . sin ( t )
series_b = np . sin ( t ) + 0.6
series_c = np . sin ( 1.2 * t + 0.3 )
plt . figure ( figsize = ( 10 , 3 ))
plt . plot ( t , series_a , label = "Series A" , color = "black" )
plt . plot ( t , series_b , label = "Series B (offset)" , color = "tab:green" )
plt . plot ( t , series_c , label = "Series C (shape change)" , color = "tab:orange" )
plt . legend ()
plt . title ( "比較する 3 つの時系列" )
plt . tight_layout ()
plt . show ()
比較用に制約なしの dtw_distance を 9 行で定義し、A–B と A–C の距離を DTW と DDTW の両方で出します。
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def dtw_distance ( x : np . ndarray , y : np . ndarray ) -> float :
n , m = len ( x ), len ( y )
cost = np . full (( n + 1 , m + 1 ), np . inf )
cost [ 0 , 0 ] = 0.0
for i in range ( 1 , n + 1 ):
for j in range ( 1 , m + 1 ):
dist = abs ( x [ i - 1 ] - y [ j - 1 ])
cost [ i , j ] = dist + min ( cost [ i - 1 , j ], cost [ i , j - 1 ], cost [ i - 1 , j - 1 ])
return cost [ n , m ]
dtw_ab = dtw_distance ( series_a , series_b )
dtw_ac = dtw_distance ( series_a , series_c )
ddtw_ab , _ = ddtw_distance ( series_a , series_b )
ddtw_ac , _ = ddtw_distance ( series_a , series_c )
print ( f "DTW (A, B): { dtw_ab : .3f } " )
print ( f "DTW (A, C): { dtw_ac : .3f } " )
print ( f "DDTW(A, B): { ddtw_ab : .3f } " )
print ( f "DDTW(A, C): { ddtw_ac : .3f } " )
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DTW (A, B): 72.248
DTW (A, C): 51.158
DDTW(A, B): 0.002
DDTW(A, C): 13.632
DTW では 0.6 持ち上げただけの Series B の距離が 72.2 と大きく、形状が異なる Series C の 51.2 の方が小さくなっています。DDTW では傾きが同じ Series B との距離が 0.002 とほぼゼロになり、形状の異なる Series C が 13.6 と大きくなる点が決定的な違いです。
ワーピングパスの可視化
# A と C の累積コスト行列を熱マップにし、DDTW のワーピングパスを重ねます。形が違う 2 本をどう対応づけようとしているかが経路の曲がり方に現れます。
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def ddtw_cost_matrix ( x : np . ndarray , y : np . ndarray ) -> tuple [ np . ndarray , list [ tuple [ int , int ]]]:
dx , dy = derivative_series ( x ), derivative_series ( y )
n , m = len ( dx ), len ( dy )
cost = np . full (( n + 1 , m + 1 ), np . inf )
cost [ 0 , 0 ] = 0.0
for i in range ( 1 , n + 1 ):
for j in range ( 1 , m + 1 ):
dist = abs ( dx [ i - 1 ] - dy [ j - 1 ])
cost [ i , j ] = dist + min ( cost [ i - 1 , j ], cost [ i , j - 1 ], cost [ i - 1 , j - 1 ])
i , j = n , m
path : list [ tuple [ int , int ]] = []
while i > 0 and j > 0 :
path . append (( i - 1 , j - 1 ))
step = np . argmin (( cost [ i - 1 , j ], cost [ i , j - 1 ], cost [ i - 1 , j - 1 ]))
if step == 0 :
i -= 1
elif step == 1 :
j -= 1
else :
i -= 1
j -= 1
path . reverse ()
return cost [ 1 :, 1 :], path
cost_ac , path_ac = ddtw_cost_matrix ( series_a , series_c )
plt . figure ( figsize = ( 5 , 4 ))
plt . imshow ( cost_ac , origin = "lower" , cmap = "viridis" )
path_arr = np . array ( path_ac )
plt . plot ( path_arr [:, 1 ], path_arr [:, 0 ], color = "white" , linewidth = 1.5 )
plt . title ( "DDTW cumulative cost (Series A vs Series C)" )
plt . xlabel ( "Series index j" )
plt . ylabel ( "Series index i" )
plt . colorbar ( shrink = 0.8 , label = "Cumulative cost" )
plt . tight_layout ()
plt . show ()
Series A と Series C の形状が異なるため、パスが水平・垂直方向に大きく移動しながら対応づけていることが分かります。これは周期 1.2 倍の違いを時間の伸縮で埋め合わせようとする DDTW の挙動を示しており、それでも埋めきれなかった傾きの差が距離 13.6 として残ります。
まとめ
# DDTW は傾き(中央差分)の列に DTW をかける手法で、実装上の違いは derivative_series を通す 1 行だけです。値の差で測る DTW では 0.6 持ち上げた B が 72.2、形の違う C が 51.2 と直感に反する順序になりましたが、DDTW では B が 0.002、C が 13.6 と形の近さどおりに並びました。オフセットやベースラインの変動には強く、ノイズには弱いので、心電図や歩行波形のような形状比較では DDTW、温度や在庫のように水準そのものに意味がある比較では DTW と使い分けます。
よくある質問
# DDTWとDTWはどう使い分ける?
# DTWは「値の絶対差」を距離にするため、振幅のスケールやベースラインの違いが距離に直接影響します。DDTWは「傾きの差」を使うため、上昇・下降パターンが似ていれば、縦方向のオフセットや振幅の差があっても小さい距離になります。異常検知など絶対値が重要な場面ではDTW、波形パターンの形状比較(歩行・心電図・ジェスチャー認識など)ではDDTWが向いています。
微分を使うとノイズに弱くなる?
# その通りです。差分演算はノイズを増幅する性質があります。中央差分で3点を使った平均(DDTW標準の近似式)はある程度平滑化されますが、センサーノイズが多いデータでは事前にローパスフィルターや移動平均を適用してからDDTWを計算することを推奨します。
Sakoe–Chibaバンドの設定は?
# DTWと同様に、系列長の10〜20%程度のウィンドウを設定することが多いです。バンド幅が小さすぎると最適パスを見逃す可能性があり、大きすぎると計算コストが増えます。実務ではグリッドサーチでバンド幅を調整し、クラスタリングや分類の精度で評価するのが標準的です。
DDTWを高速化する方法は?
# まず Sakoe–Chiba バンドを使うと計算量を \(O(nw)\)(\(w\) はバンド幅)に削減でき、ddtw_distance の window 引数がそれに当たります。次に tslearn や aeon などのライブラリは Cython や Numba で高速化した DTW 実装を提供しており、傾き列を渡せば大規模データでも DDTW として使えます。系列長が数千を超える場合は、PAA(区分集約近似)などで次元圧縮してから DDTW を計算するアプローチも有効です。
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PHASE 4 · 応用・展開
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