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利用k-means演算法對灰度影象分割

本文主要利用k-means來對灰度影象進行分割。首先對k-means進行簡單的介紹,然後直接上程式碼。那麼什麼是k-means演算法?K-means演算法是硬聚類演算法,是典型的基於原型的目標函式聚類方法的代表,它是資料點到原型的某種距離作為優化的目標函式,利用函式求極值的方法得到迭代運算的調整規則。K-means演算法以歐式距離作為相似度測度,它是求對應某一初始聚類中心向量V最優分類,使得評價指標J最小。演算法採用誤差平方和準則函式作為聚類準則函式。這是百度百科的介紹,說了這麼多,其實作者也不知道百度百科在說啥,那就來看看基本的演算法步驟吧。基本的演算法步驟如下: 
1. 從N個樣本隨機選取K個文字作為質心; 
2. 對剩餘每個樣本測量其到每個質心的距離,並把它歸到最近的質心類 
3. 重新計算已經得到的各個類的質心; 
4. 迭代2、3步驟直至新的質心與原質心相等或小於指定的閾值,演算法結束。 
這下演算法就比較清晰,下面直接貼程式碼,我的程式碼主要定義了point.h標頭檔案、kmeans.h標頭檔案和kmeans.cpp原始檔。下面是point.h檔案的程式碼。

#ifndef POINT_H
#define POINT_H
//point結構主要用來儲存影象中節點的橫座標,縱座標以及灰度值
struct point
{
    int row;
    int col;
    double pixVal;
    point(int row, int col, double pixVal) :row(row),col(col),pixVal(pixVal) {}
};
#endif

接下來,是keams.h標頭檔案:

#ifndef KMEANS_H
#define KMEANS_H

#include<opencv2\opencv.hpp>
#include<random>
#include<time.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<list>
#include<iostream>
#include<math.h>
#include"point.h"

using namespace cv;
using namespace std;

class Kmeans{
private:
    //儲存所有點
    vector<point> points;
    //儲存簇的中心點
    vector<point> centers;
    //儲存每個點到相應的簇
    vector<point>* clusters;
    //向量的維數
    int dimension;
    //簇的個數
    int k;
public:
    //建構函式
    Kmeans(vector<point> points, vector<point> centers, int k, int dimension)
    {
        this->points = points;
        this->centers = centers;
        this->dimension = dimension;
        this->k = k;
        clusters = new vector<point>[k];
    }

    //解構函式
    ~Kmeans()
    {
        delete clusters;
    }

    //獲取簇
    vector<point>* getClusters()
    {
        return this->clusters;
    }

    //計算兩個向量之間的歐式距離
    double getDistanceBetweenTwoPoints(const point& point1, const point& point2)
    {
        double sum = 0;
        //double tmp;
        //for (int i = 0; i < dimension; i++)
        //{
        //tmp = pow(point1.pixVal - point2.pixVal,2);
        //sum += tmp;
        //}
        sum = pow(point1.pixVal - point2.pixVal, 2);
        return sqrt(sum);
    }

    //計算每個點到離它最近的簇中心點,結果儲存到vector中
    vector<int> getClosetClusterCenterLabel()
    {
        double min;
        int label;
        vector<int> labels;
        for (int i = 0; i < points.size(); i++)
        {
            label = 0;
            min = getDistanceBetweenTwoPoints(points[i], centers[0]);
            for (int j = 1; j < centers.size(); j++)
            {
                double tmp = getDistanceBetweenTwoPoints(points[i], centers[j]);
                if (tmp < min)
                {
                    min = tmp;
                    label = j;
                }
            }
            labels.push_back(label);
        }
        return labels;
    }

    //將每個點放入它離的最近的中心點對應的簇中
    void computeClusters(const vector<int>& labels)
    {
        for (int i = 0; i < k; i++)
        {
            clusters[i].clear();
        }
        for (int i = 0; i < labels.size(); i++)
        {
            int label = labels[i];
            clusters[label].push_back(points[i]);
        }
    }

    //重新計算所有簇的中心點的灰度值
    void computeCenters()
    {
        centers.clear();
        for (int i = 0; i < k; i++)
        {
            double sum = 0;
            for (int j = 0; j < clusters[i].size(); j++)
            {
                sum += clusters[i][j].pixVal;
            }
            double meanVal = sum / clusters[i].size();
            point cp(-1, -1, meanVal);
            centers.push_back(cp);
        }
    }

    //確定新的中心點後重新計算一次cost
    double computeCost()
    {
        double sum = 0;
        for (int i = 0; i < k; i++)
        {
            vector<point> tmpVec=clusters[i];
            for (int j = 0; j < tmpVec.size(); j++)
            {
                sum += getDistanceBetweenTwoPoints(tmpVec[j], centers[i]);
            }
        }
        return sum / points.size();
    }

    //迭代執行k-means演算法的步驟
    void kmeans()
    {
        double oldCost, newCost;
        vector<int> labels=getClosetClusterCenterLabel();
        computeClusters(labels);
        newCost = computeCost();

        computeCenters();
        labels = getClosetClusterCenterLabel();
        computeClusters(labels);
        oldCost = newCost;
        newCost = computeCost();

        while (oldCost != newCost)
        {
            oldCost = newCost;
            computeCenters();
            labels = getClosetClusterCenterLabel();
            computeClusters(labels);
            newCost = computeCost();
        }
        cout <<"Final Cost: "<< newCost << endl;
    }
};
#endif

接下來,是測試的kmeans.cpp檔案:

#include "kmeans.h"
//圖片的存放位置
const String imageFolder = "F:\\";
//簇的個數(即k的大小,根據自己需要調整)
const int numOfCluster =4;
//最大畫素值
const int MAX_PIX_VALUE = 255;
//存放所有點
vector<point> points;
//存放所有簇中心
vector<point> centers;
//存放所有點顏色特徵(i,j)->i*rows+j
vector<double> pixVec;

//讀取影象
Mat readImage(String imageName)
{
    String imageLoc = imageFolder + imageName;
    Mat image=imread(imageLoc);
    return image;
}

//初始化k-means聚類中心
void initializeCenters(const Mat& img)
{
    srand((unsigned)time(NULL));
    for (int i = 0; i < numOfCluster; i++)
    {
        int randomX = rand() % img.rows;
        int randomY = rand() % img.cols;
        uchar pixVal = img.at<uchar>(randomX, randomY);
        point cp(randomX, randomY, (double)pixVal);
        centers.push_back(cp);
    }
}

//將影象中的所有點裝入points中
void initializePoints(const Mat& img)
{
    for (int i = 0; i < img.rows; i++)
    {
        const uchar* data = img.ptr<uchar>(i);
        for (int j = 0; j < img.cols; j++)
        {
            uchar pixVal = data[j];
            point p(i,j, (double)pixVal);
            points.push_back(p);
        }
    }
}

int main()
{
    String imageName = "lena.jpg";
    Mat img = readImage(imageName);
    cvtColor(img, img, CV_RGB2GRAY);//轉化為灰度影象
    namedWindow(imageName,WINDOW_NORMAL);
    imshow(imageName, img);
    waitKey(0);
    int rows = img.rows;
    int cols = img.cols;
    initializeCenters(img);
    initializePoints(img);
    Kmeans* km=new Kmeans(points, centers, numOfCluster, 1);
    cout << "---------------k-means start-------------" << endl;
    km->kmeans();
    cout << "---------------k-means end---------------" <<endl;
    vector<point>* clusters = km->getClusters();
    Mat res(img.rows,img.cols,img.type());
    double div = MAX_PIX_VALUE / numOfCluster;
    for (int i = 0; i < numOfCluster; i++)
    {
        vector<point> tmpVec = clusters[i];
        for (int j = 0; j < tmpVec.size(); j++)
        {
            res.at<uchar>(tmpVec[j].row, tmpVec[j].col) = i*div;
        }
    }
    namedWindow("kmeansResult",WINDOW_NORMAL);
    imshow("kmeansResult", res);
    waitKey(0);
    imwrite("./segment_lena.jpg", res);
    system("pause");
}
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作者:Rainbowzhouwen 
來源:CSDN 
原文:https://blog.csdn.net/u014612806/article/details/65442061 
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