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[Python图像处理] 十九.图像分割之基于K-Means聚类的区域分割

发布时间:2019-04-11 19:48,

浏览次数:2585

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Python

Means

该系列文章是讲解Python

OpenCV图像处理知识,前期主要讲解图像入门、OpenCV基础用法,中期讲解图像处理的各种算法,包括图像锐化算子、图像增强技术、图像分割等,后期结合深度学习研究图像识别、图像分类应用。希望文章对您有所帮助,如果有不足之处,还请海涵~

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前文参考:

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[Python图像处理] 二.OpenCV+Numpy库读取与修改像素

[Python图像处理] 三.获取图像属性、兴趣ROI区域及通道处理

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[Python图像处理] 五.图像融合、加法运算及图像类型转换

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[Python图像处理] 七.图像阈值化处理及算法对比

[Python图像处理] 八.图像腐蚀与图像膨胀

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[Python图像处理] 十六.图像的灰度非线性变换之对数变换、伽马变换

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[Python图像处理] 十八.图像锐化与边缘检测之Scharr算子、Canny算子和LOG算子

前面的文章讲解了图像锐化和边缘提取技术,该篇文章将开始围绕图像分割进行讲解。百度百科将其定义为:

图像分割就是把图像分成若干个特定的、具有独特性质的区域并提出感兴趣目标的技术和过程。它是由图像处理到图像分析的关键步骤。现有的图像分割方法主要分以下几类:基于阈值的分割方法、基于区域的分割方法、基于边缘的分割方法以及基于特定理论的分割方法等。从数学角度来看,图像分割是将数字图像划分成互不相交的区域的过程。图像分割的过程也是一个标记过程,即把属于同一区域的像索赋予相同的编号。

本篇文章主要讲解基于理论的图像分割方法,通过K-Means聚类算法实现图像分割或颜色分层处理。基础性文章,希望对你有所帮助。

1.K-Means原理

2.K-Means聚类分割灰度图像

3.K-Means聚类对比分割彩色图像

注意 :该部分知识均为自己查阅资料撰写,转载请署名CSDN+杨秀璋及原地址出处,谢谢!!

PS:文章参考自己以前系列图像处理文章及OpenCV库函数,同时参考如下文献:

杨秀璋等. 基于苗族服饰的图像锐化和边缘提取技术研究[J]. 现代计算机,2018(10).

《数字图像处理》(第3版),冈萨雷斯著,阮秋琦译,电子工业出版社,2013年.

《数字图像处理学》(第3版),阮秋琦,电子工业出版社,2008年,北京.

《OpenCV3编程入门》,毛星云,冷雪飞,电子工业出版社,2015.

<>一.K-Means聚类原理

第一部分知识主要参考自己的新书《Python网络数据爬取及分析从入门到精通(分析篇)》和之前的博客 [Python数据挖掘课程] 二.Kmeans聚类数据分析

K-Means聚类是最常用的聚类算法,最初起源于信号处理,其目标是将数据点划分为K个类簇,找到每个簇的中心并使其度量最小化。该算法的最大优点是简单、便于理解,运算速度较快,缺点是只能应用于连续型数据,并且要在聚类前指定聚集的类簇数。

下面是K-Means聚类算法的分析流程,步骤如下:

* 第一步,确定K值,即将数据集聚集成K个类簇或小组。

* 第二步,从数据集中随机选择K个数据点作为质心(Centroid)或数据中心。

* 第三步,分别计算每个点到每个质心之间的距离,并将每个点划分到离最近质心的小组,跟定了那个质心。

* 第四步,当每个质心都聚集了一些点后,重新定义算法选出新的质心。

*

第五步,比较新的质心和老的质心,如果新质心和老质心之间的距离小于某一个阈值,则表示重新计算的质心位置变化不大,收敛稳定,则认为聚类已经达到了期望的结果,算法终止。

* 第六步,如果新的质心和老的质心变化很大,即距离大于阈值,则继续迭代执行第三步到第五步,直到算法终止。

下图是对身高和体重进行聚类的算法,将数据集的人群聚集成三类。

<>二.K-Means聚类分割灰度图像

在图像处理中,通过K-Means聚类算法可以实现图像分割、图像聚类、图像识别等操作,本小节主要用来进行图像颜色分割。假设存在一张100×100像素的灰度图像,它由10000个RGB灰度级组成,我们通过K-Means可以将这些像素点聚类成K个簇,然后使用每个簇内的质心点来替换簇内所有的像素点,这样就能实现在不改变分辨率的情况下量化压缩图像颜色,实现图像颜色层级分割。

在OpenCV中,Kmeans()函数原型如下所示:

retval, bestLabels, centers = kmeans(data, K, bestLabels, criteria, attempts,

flags[, centers])

* data表示聚类数据,最好是np.flloat32类型的N维点集

* K表示聚类类簇数

* bestLabels表示输出的整数数组,用于存储每个样本的聚类标签索引

* criteria表示算法终止条件,即最大迭代次数或所需精度。在某些迭代中,一旦每个簇中心的移动小于criteria.epsilon,算法就会停止

* attempts表示重复试验kmeans算法的次数,算法返回产生最佳紧凑性的标签

* flags表示初始中心的选择,两种方法是cv2.KMEANS_PP_CENTERS ;和cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS

* centers表示集群中心的输出矩阵,每个集群中心为一行数据

下面使用该方法对灰度图像颜色进行分割处理,需要注意,在进行K-Means聚类操作之前,需要将RGB像素点转换为一维的数组,再将各形式的颜色聚集在一起,形成最终的颜色分割。

# coding: utf-8 import cv2 import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt

#读取原始图像灰度颜色 img = cv2.imread('scenery.png', 0) print img.shape #获取图像高度、宽度 rows,

cols= img.shape[:] #图像二维像素转换为一维 data = img.reshape((rows * cols, 1)) data = np.

float32(data) #定义中心 (type,max_iter,epsilon) criteria = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS +

cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 10, 1.0) #设置标签 flags = cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS

#K-Means聚类 聚集成4类 compactness, labels, centers = cv2.kmeans(data, 4, None,

criteria, 10, flags) #生成最终图像 dst = labels.reshape((img.shape[0], img.shape[1]))

#用来正常显示中文标签 plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei'] #显示图像 titles = [u'原始图像',

u'聚类图像'] images = [img, dst] for i in xrange(2): plt.subplot(1,2,i+1), plt.

imshow(images[i], 'gray'), plt.title(titles[i]) plt.xticks([]),plt.yticks([])

plt.show()

输出结果如图所示,左边为灰度图像,右边为K-Means聚类后的图像,它将灰度级聚集成四个层级,相似的颜色或区域聚集在一起。

<>三.K-Means聚类对比分割彩色图像

下面代码是对彩色图像进行颜色分割处理,它将彩色图像聚集成2类、4类和64类。

# coding: utf-8 import cv2 import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt

#读取原始图像 img = cv2.imread('scenery.png') print img.shape #图像二维像素转换为一维 data = img.

reshape((-1,3)) data = np.float32(data) #定义中心 (type,max_iter,epsilon) criteria =

(cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 10, 1.0) #设置标签 flags = cv2.

KMEANS_RANDOM_CENTERS#K-Means聚类 聚集成2类 compactness, labels2, centers2 = cv2.

kmeans(data, 2, None, criteria, 10, flags) #K-Means聚类 聚集成4类 compactness, labels4

, centers4 = cv2.kmeans(data, 4, None, criteria, 10, flags) #K-Means聚类 聚集成8类

compactness, labels8, centers8 = cv2.kmeans(data, 8, None, criteria, 10, flags)

#K-Means聚类 聚集成16类 compactness, labels16, centers16 = cv2.kmeans(data, 16, None,

criteria, 10, flags) #K-Means聚类 聚集成64类 compactness, labels64, centers64 = cv2.

kmeans(data, 64, None, criteria, 10, flags) #图像转换回uint8二维类型 centers2 = np.uint8(

centers2) res = centers2[labels2.flatten()] dst2 = res.reshape((img.shape))

centers4= np.uint8(centers4) res = centers4[labels4.flatten()] dst4 = res.

reshape((img.shape)) centers8 = np.uint8(centers8) res = centers8[labels8.

flatten()] dst8 = res.reshape((img.shape)) centers16 = np.uint8(centers16) res =

centers16[labels16.flatten()] dst16 = res.reshape((img.shape)) centers64 = np.

uint8(centers64) res = centers64[labels64.flatten()] dst64 = res.reshape((img.

shape)) #图像转换为RGB显示 img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB) dst2 = cv2.

cvtColor(dst2, cv2.COLOR_BGR2RGB) dst4 = cv2.cvtColor(dst4, cv2.COLOR_BGR2RGB)

dst8= cv2.cvtColor(dst8, cv2.COLOR_BGR2RGB) dst16 = cv2.cvtColor(dst16, cv2.

COLOR_BGR2RGB) dst64 = cv2.cvtColor(dst64, cv2.COLOR_BGR2RGB) #用来正常显示中文标签 plt.

rcParams['font.sans-serif']=['SimHei'] #显示图像 titles = [u'原始图像', u'聚类图像 K=2', u

'聚类图像 K=4', u'聚类图像 K=8', u'聚类图像 K=16', u'聚类图像 K=64'] images = [img, dst2, dst4,

dst8, dst16, dst64] for i in xrange(6): plt.subplot(2,3,i+1), plt.imshow(images[

i], 'gray'), plt.title(titles[i]) plt.xticks([]),plt.yticks([]) plt.show()

输出结果如下图所示,当K=2颜色聚集成两种,当K=64颜色聚集成64种。

希望这篇基础性文章对您有所帮助,如果有错误 或不足之处,请海涵!一起加油,考博加油。

(By:Eastmount 2019-04-11 夜8点写于贵阳·钟书阁 https://blog.csdn.net/Eastmount/)

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