Python教程

Python,OpenCV中的K均值聚类

本文主要是介绍Python,OpenCV中的K均值聚类,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

Python,OpenCV中的K均值聚类

    • 1. 效果图
    • 2. 原理
      • 2.1 什么是K均值聚类?
      • 2.2 K均值聚类过程
      • 2.3 cv2.kmeans(z, 2, None, criteria, 10, flags)
    • 3. 源码
    • 参考

这篇博客将介绍什么是 K-Means 聚类以及 如何使用 cv2.kmeans() 函数进行数据聚类。

  • K-Means Cluster K均值聚类
  • cv2.kmeans() 进行数据聚类

1. 效果图

单特征聚类图:
T恤size只根据身高进行分类3种
在这里插入图片描述
2个特征聚类图:
T恤size根据身高和体重共同来进行聚类,
在这里插入图片描述

颜色量化以减少色彩数量,并且得到新的图像,原图VS 聚类15种色彩效果图如下:

在这里插入图片描述

2. 原理

2.1 什么是K均值聚类?

考虑一家公司将向市场推出一种新型 T 恤。显然,他们将不得不制造不同尺寸的模型以满足各种尺寸的人。于是公司做了一个人的身高体重数据,绘制成图表,如下图:
在这里插入图片描述
公司无法生产所有尺寸的 T 恤。相反,他们将人分为小、中、大,只生产这三种适合所有人的型号。这种将人分成三组可以通过 k-means 聚类来完成,算法为我们提供了最好的 3 种尺寸,这将满足所有人的需求。如果没有,公司可以将人分成更多组,可能是五个,如下图:
在这里插入图片描述

2.2 K均值聚类过程

K均值聚类是一个迭代过程,最基本的K均值聚类有以下4个步骤。

  1. 假设有一堆点,要分成2类;

  2. 随机选择俩个点C1,C2作为质心,计算周围点到C1,C2的距离,距离C1近则归入C1类,距离C2近则归入C2类。

  3. 分割完后,计算C1类所有点的平均值作为C1的新质心,计算C2类所有点的平均值作为C2的新质心;

  4. 迭代2,3过程,根据设置的条件终止(迭代过程达到多少次,或达到设置的精度)终止。

  5. 最终的收敛是C1到其所有点的距离 + C2到其所有点的距离 = 最小值。
    在这里插入图片描述

    这些点使得测试数据与其对应的质心之间的距离之和最小。

以上4步只是 K-Means 聚类的顶层。该算法有很多优化,例如:如何选择初始质心,如何加快迭代过程。

该迭代过程可以用以下图片近似表示,分别代表以上4个过程。

下图迭代1,2步骤,随机选中点作为质心点,计算距离进行分类;
在这里插入图片描述
下图重新计算质心后迭代3,4步骤然后得到结果图,可以看到多次迭代后随机点被分成2堆点,红色,蓝色;质心点也相对居中,比较规整。
在这里插入图片描述

2.3 cv2.kmeans(z, 2, None, criteria, 10, flags)

compactness, labels, centers = cv2.kmeans(z, 2, None, criteria, 10, flags)

入参:

  • samples: np.float32 数据类型,每个特征放在一个列中。
  • nclusters(K) : 最后需要的簇数
  • creteria: 迭代终止标准。当满足此条件时,算法迭代停止。实际上,它应该是一个包含 3 个参数的元组。
    (type、max_iter、epsilon):
    a - 终止条件的类型:它有 3 个标志,cv2.TERM_CRITERIA_EPS - 如果达到指定的准确度 epsilon,则停止算法迭代。cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER - 在指定的迭代次数 max_iter 后停止算法。cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER - 当满足上述任何条件时停止迭代。
    b - 最大迭代次数 - 指定最大迭代次数的整数。
    c - 精度 - 要求的准确性
  • attempts :标记以指定使用不同的初始标签执行算法的次数。该算法返回产生最佳紧凑性的标签。这种紧凑性作为输出返回。
  • flags :此标志用于指定如何采用初始中心。通常为此使用两个标志:cv2.KMEANS_PP_CENTERS 和 cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS。

返回值:

  • compactness: 紧凑度,指每个点到其相应中心的距离平方和
  • labels: 标签数组,其中每个元素都标记为“0”、“1”…
  • centers: 聚簇中心的数组

3. 源码

# OpenCV实现K-Means Cluster K均值聚类
# 输入参数
# - samples: np.float32 数据类型,每个特征放在一个列中。
# - nclusters(K) : 最后需要的簇数
# - creteria: 迭代终止标准。当满足此条件时,算法迭代停止。实际上,它应该是一个包含 3 个参数的元组。它们是(类型、max_iter、epsilon):
#  a - 终止条件的类型:它有 3 个标志,如下所示:cv2.TERM_CRITERIA_EPS - 如果达到指定的准确度 epsilon,则停止算法迭代。
#                                             cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER - 在指定的迭代次数 max_iter 后停止算法。
#                                             cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER - 当满足上述任何条件时停止迭代。
# b - 最大迭代次数 - 指定最大迭代次数的整数。
# c - 精度 - 要求的准确性
# - attempts :标记以指定使用不同的初始标签执行算法的次数。该算法返回产生最佳紧凑性的标签。这种紧凑性作为输出返回。
# - flags :此标志用于指定如何采用初始中心。通常为此使用两个标志:cv2.KMEANS_PP_CENTERS 和 cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS。

#
# 输出参数
#
# - compactness: 紧凑度,指每个点到其相应中心的距离平方和
# - labels: 标签数组,其中每个元素都标记为“0”、“1”.....
# - centers: 聚簇中心的数组

# 1. 只有一个特征的数据(T恤问题,只根据身高)
import numpy as np
import cv2
from matplotlib import pyplot as plt

x = np.random.randint(25, 100, 25)
y = np.random.randint(175, 255, 25)
z = np.hstack((x, y))
z = z.reshape((50, 1))
z = np.float32(z)
plt.hist(z, 256, [0, 256]), plt.show()

# 每当运行 10 次算法迭代或达到 epsilon = 1.0 的准确度时,停止算法并返回
# 定义终止准则 criteria = ( type, max_iter = 10 , epsilon = 1.0 )
criteria = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 10, 1.0)

# 设置标志(只是为了避免代码中的换行符)
flags = cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS

# 应用K均值聚类算法
compactness, labels, centers = cv2.kmeans(z, 2, None, criteria, 10, flags)

A = z[labels == 0]
B = z[labels == 1]

# 以红色绘制 A,以蓝色绘制 B,以黄色绘制它们的质心。
plt.hist(A, 256, [0, 256], color='r')
plt.hist(B, 256, [0, 256], color='b')
plt.hist(centers, 32, [0, 256], color='y')
plt.title("one feature res")
plt.show()

# 2. 具有多重数据的特征(T恤问题,根据身高、体重)
import numpy as np
import cv2
from matplotlib import pyplot as plt

X = np.random.randint(25, 50, (25, 2))  # 身高
Y = np.random.randint(60, 85, (25, 2))  # 体重
Z = np.vstack((X, Y))

# 转换为 np.float32
Z = np.float32(Z)

# 定义终止准则以及应用KMeans聚类
criteria = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 10, 1.0)
ret, label, center = cv2.kmeans(Z, 2, None, criteria, 10, cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS)

# 分离数据,并拉平flatten
A = Z[label.ravel() == 0]
B = Z[label.ravel() == 1]

# 绘制数据
plt.scatter(A[:, 0], A[:, 1])
plt.scatter(B[:, 0], B[:, 1], c='r')
plt.scatter(center[:, 0], center[:, 1], s=80, c='y', marker='s')
plt.xlabel('Height'), plt.ylabel('Weight')
plt.title("two features res")
plt.show()

## 3. 颜色量化
# 颜色量化是减少图像中颜色数量的过程。这样做的原因之一是减少内存。有时某些设备可能有限制,以至于它只能产生有限数量的颜色。
# 在这些情况下,也会执行颜色量化。这里我们使用 k-means 聚类进行颜色量化。有3个特征,例如 R、G、B。需要将图像重塑为 Mx3 大小的数组(M 是图像中的像素数)。
# 在聚类之后将质心值(也是 R、G、B)应用于所有像素,这样生成的图像将具有指定数量的颜色,最后需要将其重塑回原始图像的形状。
import numpy as np
import cv2

img = cv2.imread('images/ml.jpg')
Z = img.reshape((-1, 3))

# 转换 np.float32
Z = np.float32(Z)

# 定义终止准则以及应用KMeans聚类
criteria = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 10, 1.0)
K = 15
ret, label, center = cv2.kmeans(Z, K, None, criteria, 10, cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS)

# 转换回uint8, 制作原始图像
center = np.uint8(center)
res = center[label.flatten()]
res2 = res.reshape((img.shape))

cv2.imshow("origin",img)
cv2.imshow('res2', res2)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

参考

  • https://docs.opencv.org/3.0-beta/doc/py_tutorials/py_ml/py_kmeans/py_kmeans_understanding/py_kmeans_understanding.html#kmeans-clustering-understanding
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