基础学习笔记之opencv(18)：kmeans函数使用实例

 

　　前言

　　一提到聚类算法，必然首先会想到的是kmeans聚类，因为它的名气实在太大了。既然这样，OpenCV中这个函数也自然必不可少了。这节内容主要是讲讲OpenCV中kmeans函数的使用方法。

　　开发环境：OpenCV2.4.3+QtCreator2.5.1

 

　　实验基础

　　在使用kmeans之前，必须先了解kmeans算法的2个缺点：第一是必须人为指定所聚的类的个数k；第二是如果使用欧式距离来衡量相似度的话，可能会得到错误的结果，因为没有考虑到属性的重要性和相关性。为了减少这种错误，在使用kmeans距离时，一定要使样本的每一维数据归一化，不然的话由于样本的属性范围不同会导致错误的结果。

　　本次实验是对随机产生的sampleCount个二维样本（共分为clusterCount个类别），每个类别的样本数据都服从高斯分布，该高斯分布的均值是随机的，方差是固定的。然后对这sampleCount个样本数据使用kmeans算法聚类，最后将不同的类用不同的颜色显示出来。

　　下面是程序中使用到的几个OpenCV函数：

　　void RNG::fill(InputOutputArray mat, int distType, InputArray a, InputArray b, bool saturateRange=false )

　　这个函数是对矩阵mat填充随机数，随机数的产生方式有参数2来决定，如果为参数2的类型为RNG::UNIFORM，则表示产生均一分布的随机数，如果为RNG::NORMAL则表示产生高斯分布的随机数。对应的参数3和参数4为上面两种随机数产生模型的参数。比如说如果随机数产生模型为均匀分布，则参数a表示均匀分布的下限，参数b表示上限。如果随机数产生模型为高斯模型，则参数a表示均值，参数b表示方程。参数5只有当随机数产生方式为均匀分布时才有效，表示的是是否产生的数据要布满整个范围（没用过，所以也没仔细去研究）。另外，需要注意的是用来保存随机数的矩阵mat可以是多维的，也可以是多通道的，目前最多只能支持4个通道。

　　void randShuffle(InputOutputArray dst, double iterFactor=1., RNG* rng=0 )

　　该函数表示随机打乱1D数组dst里面的数据，随机打乱的方式由随机数发生器rng决定。iterFactor为随机打乱数据对数的因子，总共打乱的数据对数为：dst.rows*dst.cols*iterFactor，因此如果为0，表示没有打乱数据。

　　Class TermCriteria

　　类TermCriteria 一般表示迭代终止的条件，如果为CV_TERMCRIT_ITER，则用最大迭代次数作为终止条件，如果为CV_TERMCRIT_EPS 则用精度作为迭代条件，如果为CV_TERMCRIT_ITER+CV_TERMCRIT_EPS则用最大迭代次数或者精度作为迭代条件，看哪个条件先满足。

　　double kmeans(InputArray data, int K, InputOutputArray bestLabels, TermCriteria criteria, int attempts, int flags, OutputArray centers=noArray() )

　　该函数为kmeans聚类算法实现函数。参数data表示需要被聚类的原始数据集合，一行表示一个数据样本，每一个样本的每一列都是一个属性；参数k表示需要被聚类的个数；参数bestLabels表示每一个样本的类的标签，是一个整数，从0开始的索引整数；参数criteria表示的是算法迭代终止条件；参数attempts表示运行kmeans的次数，取结果最好的那次聚类为最终的聚类，要配合下一个参数flages来使用；参数flags表示的是聚类初始化的条件。其取值有3种情况，如果为KMEANS_RANDOM_CENTERS，则表示为随机选取初始化中心点，如果为KMEANS_PP_CENTERS则表示使用某一种算法来确定初始聚类的点；如果为KMEANS_USE_INITIAL_LABELS，则表示使用用户自定义的初始点，但是如果此时的attempts大于1，则后面的聚类初始点依旧使用随机的方式；参数centers表示的是聚类后的中心点存放矩阵。该函数返回的是聚类结果的紧凑性，其计算公式为：

　　

 

　　实验结果

　　随机产生的符合高斯分布的数据被聚类的结果一：

　　

　　结果二：

　　

 

　　实验代码及注释：

　　main.cpp:

#include "opencv2/highgui/highgui.hpp"
#include "opencv2/core/core.hpp"
#include <iostream>

using namespace cv;
using namespace std;

// static void help()
// {
//     cout << "\nThis program demonstrates kmeans clustering.\n"
//             "It generates an image with random points, then assigns a random number of cluster\n"
//             "centers and uses kmeans to move those cluster centers to their representitive location\n"
//             "Call\n"
//             "./kmeans\n" << endl;
// }

int main( int /*argc*/, char** /*argv*/ )
{
    const int MAX_CLUSTERS = 5;
    Scalar colorTab[] =     //因为最多只有5类，所以最多也就给5个颜色
    {
        Scalar(0, 0, 255),
        Scalar(0,255,0),
        Scalar(255,100,100),
        Scalar(255,0,255),
        Scalar(0,255,255)
    };

    Mat img(500, 500, CV_8UC3);
    RNG rng(12345); //随机数产生器

    for(;;)
    {
        int k, clusterCount = rng.uniform(2, MAX_CLUSTERS+1);
        int i, sampleCount = rng.uniform(1, 1001);
        Mat points(sampleCount, 1, CV_32FC2), labels;   //产生的样本数，实际上为2通道的列向量，元素类型为Point2f

        clusterCount = MIN(clusterCount, sampleCount);
        Mat centers(clusterCount, 1, points.type());    //用来存储聚类后的中心点

        /* generate random sample from multigaussian distribution */
        for( k = 0; k < clusterCount; k++ ) //产生随机数
        {
            Point center;
            center.x = rng.uniform(0, img.cols);
            center.y = rng.uniform(0, img.rows);
            Mat pointChunk = points.rowRange(k*sampleCount/clusterCount,
                                             k == clusterCount - 1 ? sampleCount :
                                             (k+1)*sampleCount/clusterCount);   //最后一个类的样本数不一定是平分的，
                                                                                //剩下的一份都给最后一类
            //每一类都是同样的方差，只是均值不同而已
            rng.fill(pointChunk, CV_RAND_NORMAL, Scalar(center.x, center.y), Scalar(img.cols*0.05, img.rows*0.05));
        }

        randShuffle(points, 1, &rng);   //因为要聚类，所以先随机打乱points里面的点，注意points和pointChunk是共用数据的。

        kmeans(points, clusterCount, labels,
               TermCriteria( CV_TERMCRIT_EPS+CV_TERMCRIT_ITER, 10, 1.0),
               3, KMEANS_PP_CENTERS, centers);  //聚类3次，取结果最好的那次，聚类的初始化采用PP特定的随机算法。

        img = Scalar::all(0);

        for( i = 0; i < sampleCount; i++ )
        {
            int clusterIdx = labels.at<int>(i);
            Point ipt = points.at<Point2f>(i);
            circle( img, ipt, 2, colorTab[clusterIdx], CV_FILLED, CV_AA );
        }

        imshow("clusters", img);

        char key = (char)waitKey();     //无限等待
        if( key == 27 || key == 'q' || key == 'Q' ) // 'ESC'
            break;
    }

    return 0;
}

 

　　实验总结：

　　Kmeans算法的速度还是够快的，在指定类别个数的情况下效果还是可以的。