OpenCV中的K-Means聚类

作者|OpenCV-Python Tutorials 编译|Vincent 来源|OpenCV-Python Tutorials

目标

  • 了解如何在OpenCV中使用cv.kmeans()函数进行数据聚类

理解参数

输入参数

  1. sample:它应该是np.float32数据类型,并且每个功能都应该放在单个列中。
  2. nclusters(K):结束条件所需的簇数
  3. criteria:这是迭代终止条件。满足此条件后,算法迭代将停止。实际上,它应该是3个参数的元组。它们是(type,max_iter,epsilon): a. 终止条件的类型。它具有3个标志,如下所示:

    • cv.TERM_CRITERIA_EPS-如果达到指定的精度epsilon,则停止算法迭代。
    • cv.TERM_CRITERIA_MAX_ITER-在指定的迭代次数max_iter之后停止算法。
    • cv.TERM_CRITERIA_EPS + cv.TERM_CRITERIA_MAX_ITER-当满足上述任何条件时,停止迭代。

    b. max_iter-一个整数,指定最大迭代次数。 c. epsilon-要求的精度 1. attempts:该标志用于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密度的标签。该紧凑性作为输出返回。 2. flags:此标志用于指定初始中心的获取方式。通常,为此使用两个标志:cv.KMEANS_PP_CENTERScv.KMEANS_RANDOM_CENTERS

输出参数 1. 紧凑度:它是每个点到其相应中心的平方距离的总和。 2. 标签:这是标签数组(与上一篇文章中的“代码”相同),其中每个元素标记为“0”,“ 1” ..... 3. 中心:这是群集中心的阵列。 现在,我们将通过三个示例了解如何应用K-Means算法。

1. 单特征数据

考虑一下,你有一组仅具有一个特征(即一维)的数据。例如,我们可以解决我们的T恤问题,你只用身高来决定T恤的尺寸。因此,我们首先创建数据并将其绘制在Matplotlib中

import numpy as np
import cv2 as cv
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()

因此,我们有了“ z”,它是一个大小为50的数组,值的范围是0到255。我将“z”重塑为列向量。 如果存在多个功能,它将更加有用。然后我制作了np.float32类型的数据。 我们得到以下图像:

现在我们应用KMeans函数。在此之前,我们需要指定标准。我的标准是,每当运行10次算法迭代或达到epsilon = 1.0的精度时,就停止算法并返回答案。

# 定义终止标准 = ( type, max_iter = 10 , epsilon = 1.0 )
criteria = (cv.TERM_CRITERIA_EPS + cv.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 10, 1.0)
# 设置标志
flags = cv.KMEANS_RANDOM_CENTERS
# 应用K均值
compactness,labels,centers = cv.kmeans(z,2,None,criteria,10,flags)

这为我们提供了紧凑性,标签和中心。在这种情况下,我得到的中心分别为60和207。标签的大小将与测试数据的大小相同,其中每个数据的质心都将标记为“ 0”,“ 1”,“ 2”等。现在,我们根据标签将数据分为不同的群集。

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

现在我们以红色绘制A,以蓝色绘制B,以黄色绘制其质心。

# 现在绘制用红色'A',用蓝色绘制'B',用黄色绘制中心
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.show()

得到了以下结果:

2. 多特征数据

在前面的示例中,我们仅考虑了T恤问题的身高。在这里,我们将同时考虑身高和体重,即两个特征。 请记住,在以前的情况下,我们将数据制作为单个列向量。每个特征排列在一列中,而每一行对应于一个输入测试样本。 例如,在这种情况下,我们设置了一个大小为50x2的测试数据,即50人的身高和体重。第一列对应于全部50个人的身高,第二列对应于他们的体重。第一行包含两个元素,其中第一个是第一人称的身高,​​第二个是他的体重。类似地,剩余的行对应于其他人的身高和体重。查看下面的图片:

现在,我直接转到代码:

import numpy as np
import cv2 as cv
from matplotlib import pyplot as plt
X = np.random.randint(25,50,(25,2))
Y = np.random.randint(60,85,(25,2))
Z = np.vstack((X,Y))
# 将数据转换未 np.float32
Z = np.float32(Z)
# 定义停止标准,应用K均值
criteria = (cv.TERM_CRITERIA_EPS + cv.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 10, 1.0)
ret,label,center=cv.kmeans(Z,2,None,criteria,10,cv.KMEANS_RANDOM_CENTERS)
# 现在分离数据, Note the 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.show()

我们得到如下结果:

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,某些设备可能会受到限制,因此只能产生有限数量的颜色。同样在那些情况下,执行颜色量化。在这里,我们使用k均值聚类进行颜色量化。

这里没有新内容要解释。有3个特征,例如R,G,B。因此,我们需要将图像重塑为Mx3大小的数组(M是图像中的像素数)。在聚类之后,我们将质心值(也是R,G,B)应用于所有像素,以使生成的图像具有指定数量的颜色。再一次,我们需要将其重塑为原始图像的形状。下面是代码:

import numpy as np
import cv2 as cv
img = cv.imread('home.jpg')
Z = img.reshape((-1,3))
# 将数据转化为np.float32
Z = np.float32(Z)
# 定义终止标准 聚类数并应用k均值
criteria = (cv.TERM_CRITERIA_EPS + cv.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 10, 1.0)
K = 8
ret,label,center=cv.kmeans(Z,K,None,criteria,10,cv.KMEANS_RANDOM_CENTERS)
# 现在将数据转化为uint8, 并绘制原图像
center = np.uint8(center)
res = center[label.flatten()]
res2 = res.reshape((img.shape))
cv.imshow('res2',res2)
cv.waitKey(0)
cv.destroyAllWindows()

我们可以看的K=8的结果

附加资源

练习