sklearn之聚类K均值算法

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    聚类：分类（class）与聚类（cluster）不同，分类是有监督学习模型，聚类属于无监督学习模型。
        聚类讲究使用一些算法把样本划分为n个群落。一般情况下，这种算法都需要计算欧氏距离。（用两个样本对应特征值之差的平方和之平方根，
        即欧氏距离，来表示这两个样本的相似性）

        1.K均值算法：
            第一步：随机选择k个样本作为k个聚类的中心，计算每个样本到各个聚类中心的欧氏距离，
                    将该样本分配到与之距离最近的聚类中心所在的类别中。
            第二步：根据第一步所得到的聚类划分，分别计算每个聚类的几何中心，将几何中心作为新的聚类中心，
                    重复第一步，直到计算所得几何中心与聚类中心重合或接近重合为止。
            注意：
            聚类数k必须事先已知。借助某些评估指标，优选最好的聚类数。
            聚类中心的初始选择会影响到最终聚类划分的结果。初始中心尽量选择距离较远的样本。

            K均值算法相关API：
                    import sklearn.cluster as sc
                    # n_clusters: 聚类数
                    model = sc.KMeans(n_clusters=4)
                    # 不断调整聚类中心，直到最终聚类中心稳定则聚类完成
                    model.fit(x)
                    # 获取训练结果的聚类中心
                    centers = model.cluster_centers_
    案例：加载multiple3.txt，基于K均值算法完成样本的聚类。
        步骤：
            1.读取文件，加载数据，把样本绘制在窗口中
            2.基于K均值完成聚类业务，为每个样本设置颜色
            3.绘制聚类背景边界线----pcolormesh

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import numpy as np
import matplotlib.pyplot as mp
import sklearn.cluster as sc

# 读取数据，绘制图像
x = np.loadtxt('./ml_data/multiple3.txt', unpack=False, dtype='f8', delimiter=',')
print(x.shape)

# 基于Kmeans完成聚类
model = sc.KMeans(n_clusters=4)
model.fit(x)  # 完成聚类
pred_y = model.predict(x)  # 预测点在哪个聚类中
print(pred_y)  # 输出每个样本的聚类标签
# 获取聚类中心
centers = model.cluster_centers_
print(centers)

# 绘制分类边界线
l, r = x[:, 0].min() - 1, x[:, 0].max() + 1
b, t = x[:, 1].min() - 1, x[:, 1].max() + 1
n = 500
grid_x, grid_y = np.meshgrid(np.linspace(l, r, n), np.linspace(b, t, n))
bg_x = np.column_stack((grid_x.ravel(), grid_y.ravel()))
bg_y = model.predict(bg_x)
grid_z = bg_y.reshape(grid_x.shape)

# 画图显示样本数据
mp.figure('Kmeans', facecolor='lightgray')
mp.title('Kmeans', fontsize=16)
mp.xlabel('X', fontsize=14)
mp.ylabel('Y', fontsize=14)
mp.tick_params(labelsize=10)
mp.pcolormesh(grid_x, grid_y, grid_z, cmap='gray')
mp.scatter(x[:, 0], x[:, 1], s=80, c=pred_y, cmap='brg', label='Samples')
mp.scatter(centers[:, 0], centers[:, 1], s=300, color='red', marker='+', label='cluster center')
mp.legend()
mp.show()



输出结果：
(200, 2)
[0 0 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 2 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0
 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2
 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 3 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3
 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1
 0 0 3 1 0 2 3 1 0 2 3 2 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0
 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1 0 2 3 1]
[[1.831      1.9998    ]
 [7.07326531 5.61061224]
 [3.1428     5.2616    ]
 [5.91196078 2.04980392]]

　　

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    Kmeans使用场景----图像量化：KMeans聚类算法可以应用于图像量化领域。通过KMeans算法可以把一张图像所包含的颜色值进行聚类划分，
                        求每一类别的平均值后再重新生成新的图像。可以达到图像降维的目的。这个过程称为图像量化。
                        图像量化可以更好的保留图像的轮廓，降低机器识别图像轮廓的难度。

                        n_clusters=2类似于二值化

    将百合花图片进行图像量化：
        步骤：
            1.读取图片的亮度矩阵
            2.基于KMeans算法完成聚类，获取4个聚类中心的值
            3.修改图片，将每个像素亮度值都改为相应类别的均值（即聚类中心值）
            4.绘制图像
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import numpy as np
import matplotlib.pyplot as mp
import sklearn.cluster as sc
import scipy.ndimage as sn
import scipy.misc as sm
import warnings

warnings.filterwarnings('ignore')

img = sm.imread('./ml_data/lily.jpg', True)
print(img.shape)
# 基于KMeans完成聚类
model = sc.KMeans(n_clusters=2)
x = img.reshape(-1, 1)  # n行1列
print(x.shape)
model.fit(x)
# 同model.predict(x)  返回每个样本的类别标签
y = model.labels_
print(y.shape)
centers = model.cluster_centers_
print(centers.shape)
img2 = centers[y].reshape(img.shape)
print(img2.shape)

# 绘图
mp.subplot(121)
mp.imshow(img, cmap='gray')
mp.axis('off')  #

mp.subplot(122)
mp.imshow(img2, cmap='gray')
mp.axis('off')  # 关闭坐标轴

mp.show()



输出结果：
(512, 512)
(262144, 1)
(262144,)
(2, 1)
(512, 512)