OpenCV入门（三十一）快速学会OpenCV 30 K近邻算法

作者：Xiou

1.K近邻算法概述

机器学习算法是从数据中产生模型，也就是进行学习的算法（下文也简称为算法）。我们把经验提供给算法，它就能够根据经验数据产生模型。在面对新的情况时，模型就会为我们提供判断（预测）结果。例如，我们根据“个子高、腿长、体重轻”判断一个孩子是个运动员的好苗子。把这些数据量化后交给计算机，它就会据此产生模型，在面对新情况时（判断另一个孩子能不能成为运动员），模型就会给出相应的判断。

比如，要对一组孩子进行测试，首先就要获取这组孩子的基本数据。这组数据包含身高、腿长、体重等数据，这些反映对象（也可以是事件）在某个方面的表现或者性质的事项，被称为属性或特征。而具体的值，如反映身高的“188 cm”就是特征值或属性值。这组数据的集合“（身高=188 cm，腿长=56 cm，体重=46 kg）, ……,（身高=189cm，腿长=55 cm，体重=48 kg）”，称为数据集，其中每个孩子的数据称为一个样本。

从数据中学得模型的过程称为学习（learning）或者训练（training）。在训练过程中所使用的数据称为训练数据，其中的每个样本称为训练样本，训练样本所组成的集合称为训练集。

当然，如果希望获取一个模型，除了有数据，还需要给样本贴上对应的标签（label）。例如，“（（个子高、腿长、体重轻），好苗子）”。这里的“好苗子”就是标签，通常我们将拥有了标签的样本称为“样例”。

学得模型后，为了测试模型的效果，还要对其进行测试，被测试的样本称为测试样本。输入测试样本时，并不提供测试样本的标签（目标类别），而是由模型决定样本的标签（属于哪个类别）。比较测试样本预测的标签与实际样本标签之间的差别，就可以计算出模型的精确度。

大多数的机器学习算法都来源于日常生活实践。K近邻算法是最简单的机器学习算法之一，主要用于将对象划分到已知类中，在生活中被广泛使用。例如，教练要选拔一批长跑运动员，如何选拔呢？他使用的可能就是K近邻算法，会选择个子高、腿长、体重轻，膝、踝关节围度小，跟腱明显，足弓较大者作为候选人。他会觉得这样的孩子有运动员的潜质，或者说这些孩子的特征和运动员的特征很接近。

K近邻算法的本质是将指定对象根据已知特征值分类。例如，看到一对父子，一般情况下，通过判断他们的年龄，能够马上分辨出哪位是父亲，哪位是儿子。这是通过年龄属性的特征值来划分的。

K近邻算法在获取各个样本的特征值之后，计算待识别样本的特征值与各个已知分类的样本特征值之间的距离，然后找出k个最邻近的样本，根据k个最邻近样本中占比最高的样本所属的分类，来确定待识别样本的分类。

2.代码实例

在OpenCV中，不需要自己编写复杂的函数实现K近邻算法，直接调用其自带的模块函数即可。本节通过一个简单的例子介绍如何使用OpenCV自带的K近邻模块。

代码实例（1）：演示OpenCV自带的K近邻模块的使用方法。

本例中有两组位于不同位置的用于训练的数据集，如图20-14所示。两组数据集中，一组位于左下角；另一组位于右上角。随机生成一个数值，用OpenCV中的K近邻模块判断该随机数属于哪一个分组。

上述两组数据中，位于左下角的一组数据，其x、y坐标值都在(0, 30)范围内。位于右上角的数据，其x、y坐标值都在(70, 100)范围内。根据上述分析，创建两组数据，每组包含20对随机数（20个随机数据点）：

● 第1组随机数rand1中，其x、y坐标值均位于(0, 30)区间内。
● 第2组随机数rand2中，其x、y坐标值均位于(70, 100)区间内。接下来，为两组随机数分配标签：
● 将第1组随机数对划分为类型0，标签为0。
● 将第2组随机数对划分为类型1，标签为1。然后，生成一对值在(0, 100)内的随机数对：

        test = np.random.randint(0, 100, (1, 2)).astype(np.float32)

最后，使用OpenCV自带的K近邻模块判断生成的随机数对test是属于rand1所在的类型0，还是属于rand2所在的类型1。

代码实例：

import cv2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 用于训练的数据
# rand1数据位于(0,30)
rand1 = np.random.randint(0, 30, (20, 2)).astype(np.float32)
# rand2数据位于(70,100)
rand2 = np.random.randint(70, 100, (20, 2)).astype(np.float32)
# 将rand1和rand2拼接为训练数据
trainData = np.vstack((rand1, rand2))
# 数据标签，共两类：0和1
# r1Label对应着rand1的标签，为类型0
r1Label = np.zeros((20, 1)).astype(np.float32)
# r2Label对应着rand2的标签，为类型1
r2Label = np.ones((20, 1)).astype(np.float32)
tdLable = np.vstack((r1Label, r2Label))
# 使用绿色标注类型0
g = trainData[tdLable.ravel() == 0]
plt.scatter(g[:, 0], g[:, 1], 80, 'g', 'o')
# 使用蓝色标注类型1
b = trainData[tdLable.ravel() == 1]
plt.scatter(b[:, 0], b[:, 1], 80, 'b', 's')
# plt.show()
# test为用于测试的随机数，该数在0到100之间
test = np.random.randint(0, 100, (1, 2)).astype(np.float32)
plt.scatter(test[:, 0], test[:, 1], 80, 'r', '*')
# 调用OpenCV内的K近邻模块，并进行训练
knn = cv2.ml.KNearest_create()
knn.train(trainData, cv2.ml.ROW_SAMPLE, tdLable)
# 使用K近邻算法分类
ret, results, neighbours, dist = knn.findNearest(test, 5)
# 显示处理结果
print("当前随机数可以判定为类型：", results)
print("距离当前点最近的5个邻居是：", neighbours)
print("5个最近邻居的距离： ", dist)
# 可以观察一下显示，对比上述输出
plt.show()

同时，程序还会显示如图所示的运行结果。从图中可以看出，随机点（星号点）距离右侧小方块（类型为1）的点更近，因此被判定为属于小方块的类型1。

代码实例（2）使用OpenCV自带的函数完成对手写数字的识别

        import cv2
        import numpy as np
        import matplotlib.pyplot as plt
        # 读取样本（特征）图像的值
        s='image\\'  # 图像所在的路径
        num=100 # 共有的样本数量
        row=240 # 特征图像的行数
        col=240 # 特征图像的列数
        a=np.zeros((num, row, col)) # 用来存储所有样本的数值
        #print(a.shape)
        n=0 # 用来存储当前图像的编号
        for i in range(0,10):
            for j in range(1,11):
              a[n, :, :]=cv2.imread(s+str(i)+'\\'+str(i)+'-'+str(j)+'.bmp',0)
              n=n+1
        # 提取样本图像的特征
        feature=np.zeros((num, round(row/5), round(col/5))) # 用来存储所有样本的特征值
        #print(feature.shape)  # 看看特征值的形状是什么样子
        #print(row)            # 看看row的值，有多少个特征值（100）
        for ni in range(0, num):
            for nr in range(0, row):
              for nc in range(0, col):
                  if a[ni, nr, nc]==255:
                      feature[ni, int(nr/5), int(nc/5)]+=1
        f=feature   # 简化变量名称
        # 将feature处理为单行形式
        train = feature[:, :].reshape(-1,
                                round(row/5)*round(col/5)).astype(np.float32)
        #print(train.shape)
        # 贴标签，要注意，是range(0,100)而非range(0,101)
        trainLabels = [int(i/10)  for i in range(0,100)]
        trainLabels=np.asarray(trainLabels)
        #print(*trainLabels)   # 打印测试看看标签值
        ##读取图像值
        o=cv2.imread('image\\test\\5.bmp',0)     # 读取待识别图像
        of=np.zeros((round(row/5), round(col/5))) # 用来存储待识别图像的特征值
        for nr in range(0, row):
            for nc in range(0, col):
              if o[nr, nc]==255:
                  of[int(nr/5), int(nc/5)]+=1

        test=of.reshape(-1, round(row/5)*round(col/5)).astype(np.float32)
        # 调用函数识别图像
        knn=cv2.ml.KNearest_create()
        knn.train(train, cv2.ml.ROW_SAMPLE, trainLabels)
        ret, result, neighbours, dist = knn.findNearest(test, k=5)
        print("当前随机数可以判定为类型：", result)
        print("距离当前点最近的5个邻居是：", neighbours)
        print("5个最近邻居的距离： ", dist)

运行上述程序，程序运行结果为：

        当前随机数可以判定为类型： [[5.]]
        距离当前点最近的5个邻居是： [[5. 3. 5. 3. 5.]]
        5个最近邻居的距离：  [[77185. 78375. 79073. 79948. 82151.]]