numpy 介绍与使用

一、介绍

中文文档：https://www.numpy.org.cn/

NumPy是Python语言的一个扩展包。支持多维数组与矩阵运算，此外也针对数组运算提供大量的数学函数库。NumPy提供了与Matlab相似的功能与操作方式，因为两者皆为直译语言。

NumPy通常与SciPy(Scientific Python)和Matplotlib(绘图库)一起使用，这种组合广泛用于替代Matlab，是一个流行的技术平台。

NumPy中定义的最重要的对象是称为ndarray的N维数组类型。它描述相同类型的元素集合，可以使用基于零的索引访问集合中元素。基本的ndarray是使用NumPy中的数组函数创建的: numpy.array。

NumPy支持比Python更多种类的数值类型。NumPy数值是dtype(数据类型)对象的实例，每个对象具有唯一的特征。

二、生成numpy数组

1、方法一 使用np.array将list转换为numpy数组

x=[[1,2],[3,4],[5,6]] 
a=np.array(x)  #转换成numpy数组

2、方法二 随机生成numpy数组

import numpy as np

a1=np.ndarray([12]) #生成随机的12位的数组
a=np.random.randint(0,10,100)#范围内的整数,长度为100
b=np.random.rand(40)#0到1的均匀分布，长度为40
c=np.random.randn(10)#标准正态分布，长度为10
d=np.random.normal(0,1,100)#生成指定正态分布,长度为100
e=np.random.random(20)#0到1的均匀分布,长度20
f=np.random.ranf(20)#0到1的均匀分布,长度20
g=np.random.uniform(-1,1,100)#指定均匀分布,长度100

3、顺序生成数组

import numpy as np
h=np.arange(12)#按顺序生成0-11的数组(类似pythn的range)
b=np.arange(0,12,2)#python list的布长0,2,4,6,8等

4、生成零数组、1数组、空数组

import numpy as np

#0数组
a= np.zeros(shape=[4,10],dtype=np.float32)  #生成4*10的0数组，类型为float32
print(a)

#1数组
b=np.ones(shape=[4,10],dtype=np.float32)
print(b)

#空数组（前面有0数组或1数组，就更前面一样，没有就是随机的数组）
c=np.empty(shape=[4,10],dtype=np.float32)
print(c)

#生成one-hot数组（将0数组中指定位置的值改成1）

#8,5,2,6(one-hot)

a= np.zeros(shape=[4,10],dtype=np.float32)#8,5,2,6(one-hot)
print(a)

#遍历，修改对应的值为1
for i,k in enumerate(a):
    if i == 0:
        k[8]=1
    elif i == 1:
        k[5]=1
    elif i == 2:
        k[2]=1
    else:
        k[6]=1
print(a

c=np.argmax(a,axis=1) #1所在的下标
print(c) #[8 5 2 6]

 5、将字符串元素转为数值元素

import numpy as np

x = np.array(['1','2','3','4','5'],dtype=np.string_)
y = x.astype(np.int8)#如果元素中有不为数字的元素，则会抛出异常

三、设置numpy数组维度与常用方法

1、设置数组的维度（使用reshape）

#设置3维数组
a=np.ndarray([12]) #定义0-11的12位numpy数组
a1=a.reshape(2,2,3) #2*2*3的数组,（由2组数组，每组数组再由2组数组组成，里面没个数组由3组数组成）

#定义2维数组
b=np.arange(12).reshape(3,4) #类似range，从0开始到n的列表（这里是0-11的数字）
print(b)

#其它维度也是这么定义的

 2、数组的一些属性与方法

import numpy as np

b=np.arange((12),dtype=np.float32).reshape(2,2,3)  #定义数组类型np.float32

#查看数组的一些属性
np.shape(b) #形状，上面reshape的值，如(3,4),(2,2,3)
b.shape   #和上面一样，获取形状值
b.size    #数组、列表长度 如：12
b.dtype   #获取类型，如int32
b.ndim   #获取维度



#数组复制
a = np.arange(24).reshape(2,3,4)
b = a.copy() #复制


#数组排序
a= np.array([12,45,1,6,8,9,32])
a.sort()  #排序

3、二维数组的轴使用

import numpy as np

a = np.arange(12).reshape(4,3)
a[0,1]=20 #第0组，下标为1的值改为20（1改成20）
print(a)
b=np.argmin(a,axis=1)  #[0 0 0 0]
print(b)
c=np.min(a,axis=1) #获取每组数组的第1个数（0下标的值）
print(c)
d=np.max(a,axis=1)  #获取每组数组中最大的值
print(d)
c=a[:,0]    #获取每组数组0下标的值
print(c)

 4、三维数组的轴使用

import numpy as np

a = np.arange(24).reshape(2,3,4)
a[0,0,2]=66 #0下标数组，中的第0号下标的数组中下标为2的值改成66（把2改成66）
print(a)

b=np.max(a,axis=1)  #每个数组中下标相同的值，取下标的最大值，axis代表哪个轴
print(b)
'''结果
[[ 8  9 66 11]
 [20 21 22 23]]'''
 
 c=np.sum(a,axis=1) #每组中下标相同的值相加的和
print(c)
'''结果
[[12 15 82 21]
 [48 51 54 57]]
'''

c=np.mean(a,axis=1) #每组中下标相同的值的平均值
print(c)
'''结果
[[ 4.          5.         27.33333333  7.        ]
 [16.         17.         18.         19.        ]]
'''

四、数组的广播机制

1、形状相同的广播

import numpy as np
a=np.arange(12).reshape(4,3)
b=3
c=a+b
print(a)
print(c)  #广播后，全部数字加3了

2、形状不相同的广播

形状不相同，后缘维度要相同

import numpy as np

a=np.arange(12).reshape(4,3)
print(a)
print()
b=[3,2,1] #后缘维度长度要相同，即上面reshape(4,3)的后面的数和b的长度要一致（3）
print(a+b,'a+b') #每一行都按3,2,1顺序相加，如3+0,2+1,1+2,3+3依次类推

五、numpy数组转置

1、numpy数组转置

import numpy as np

a=np.arange(12).reshape(4,3)
b=np.arange(12).reshape(3,4)
c=np.dot(a,b)  #转置
print(a)
print(b)
print(c)

2、图像转成np数组

图像的4个维度：N,H,W,C

N：批次中的图像数量
H：图像的高度
W：图像的宽度
C：图像的通道数(例如：3表示RGB,1表示灰度……)

import numpy as np
import PIL.Image as img

path="1.jpg"
i=img.open(path)

print(np.shape(i))  #(153, 232, 3)
arr = np.array(i) #图片转成numpy数组
# print(arr)
a=np.arange(24).reshape(2,3,4)  #设置一个0-23的3维数组
print(a)
b=a.T #T方法转置,
print(b.shape) #(4, 3, 2)
print(b)
c=np.transpose(arr,[1,0,2]) #转置，轴对换 把(153, 232, 3) 改成(232, 153, 3)
print(c)
print(c.shape)

六、numpy数组的切片

1、二维数组的切片

import numpy as np

a=np.arange(12).reshape(4,3) #生成numpy数组
b = a[1:,:2]  #从下标为1的数组中,0-2(即0,1)下标的值
c = a[0][0]   #取下标0的数组中，下标为0的值（0）
d = a[0]      #取下标为0的数组
e = a[0][2]   #取下标为0的数组中。下标为2的值

2、三维数组的切片

import numpy as np

a=np.arange(24).reshape(2,3,4)
b = a[:1,:,2:] #取下标到1的数组（即下标为0，到2就是0,1）中，所有下标数组中，下标从2开始到所有的值
c = a[1,2,1] #取下标为1的数组中下标为2的数组中，下标为1的值
d = a[1][2][3] #取下标为1的数组中下标为2的数组中,下标为2的值

3、其它维度的数组以此类推

七、数组拼接

1、方式一、转成list再append追加

import numpy as np

a = np.arange(12).reshape(3,4)
b = np.array([4,5,6,7])
#将b放到a数组的后面
c=a.tolist()  #将a转成list类型
c.append(b.tolist())

2、方式二、转成list后使用extend

import numpy as np

a=np.arange(12).reshape(3,4)
b=np.array([4,5,6,7])
a=a.tolist()
a.extend([b.tolist()])
print(a)

3、轴拼接

import numpy as np

a=np.arange(12).reshape(3,4)
b=np.arange(12).reshape(3,4)
c=np.vstack((a,b))  #将b最佳到a的后面,(拼接0轴)
print(c.shape) #(6, 4)
d=np.hstack((a,b))  #把a和b数组中下标相同的列表合并（拼接1轴）
print(d.shape) #(3, 8)

八、使用numpy采样例子

import numpy as np
import os
import PIL.Image as img

path_image = r"F:/test4/img" #图片目录路径

class Sample:
    '''读取所有图像数据'''
    def read_data(self):
        self.img_arr=[]
        #遍历系统文件夹里的文件名
        for name in os.listdir(path_image):
            imgs = img.open(r"{0}/{1}".format(path_image,name))
            images=(np.array(imgs)/255-0.5)*2#/0.5（除0.5） #神经网络通常不会使用太大的数据。所以除255等操作，尽量归1化（通常使用正负1之间的数据）
            self.img_arr.append(images)
        return self.img_arr

    def get_batch(self,set):
        '''获取随机数据采样的批次'''
        self.read_data()
        self.get_arr = []
        for i in range(set):
            #生成图像个数长度内的一个随机数字
            num=np.random.randint(0,len(self.img_arr))
            #将生成的随机数作为图像数据集的索引
            imge=self.img_arr[num]
            #把得到的随机图像数据累计起来
            self.get_arr.append(imge)
        return self.get_arr

sample=Sample()
# sample.read_data()
#查看随机图像批次形状（4维数组）
print(np.shape(sample.get_batch(100))) #100张，48*48尺寸的图片，图像的通道数(例如：3表示RGB）
#查看随机获得的图像数据
sample.get_batch(10)

　　

九、pandas简单使用

1、pandas介绍

pandas是基于NumPy构建的，让以NumPy为中心的应用变得更加简单

2、pandas简单实用

import numpy as np
from pandas import Series,DataFrame

#左边是索引，右边是数据
a=Series([1,2,3,4],dtype=np.float32) #创建Series数据结构，类型为np.float32
print(a)
'''
0    1.0
1    2.0
2    3.0
3    4.0
dtype: float32
'''
print(a.values)  #值[1,2,3,4]
print(a.index)  #RangeIndex(start=0, stop=4, step=1) #长度0-4，布长为1

#自定义索引(值和索引长度一样)
b=Series([4,5,6,7],index=["a","b","c","d"])
print(b)
'''
a    4
b    5
c    6
d    7
dtype: int64
'''

b["a"]=8  #改变索引为"a"的值为8
print(b)
#自定义索引方式二
b=Series({"A":1,"B":2})
print(b)

#DataFrame类型，类似课表或者excel表格一样，拥有行索引和列索引
c=DataFrame(data=[[2,4,6],[7,8,3],[4,7,5]],index=["d","e","f"],columns=["a","b","c"])
print(c)
'''
   a  b  c
d  2  4  6
e  7  8  3
f  4  7  5
'''