C/C++开发,opencv-ml库学习,K近邻(KNN)应用

目录

一、k近邻算法

1.1 算法简介

1.2 opencv-k近邻算法

二、cv::ml::KNearest应用

2.1 数据集样本准备

2.2 KNearest应用

2.3 程序编译

2.4 main.cpp全代码


一、k近邻算法

1.1 算法简介

        K近邻算法(K-Nearest Neighbor,KNN)基本原理是:

        在特征空间中,如果一个样本附近的K个最近(即特征空间中最邻近)样本的大多数属于某一个类别,则该样本也属于这个类别。具体来说,给定一个训练数据集,对于新的输入实例,KNN算法会在训练数据集中找到与该实例最邻近的K个实例(即K个邻居)。然后,根据这K个邻居的类别进行投票,将票数最多的类别作为新输入实例的预测类别。

        KNN算法的优点包括:

  1. 简单易理解:KNN算法非常直观和简单,易于理解和实现。
  2. 适用于多分类问题:KNN算法可以很容易地应用于多分类问题。
  3. 适用于非线性数据:KNN算法对于非线性数据具有良好的适应性。
  4. 无需训练:KNN算法属于懒惰学习(lazy learning),不需要训练过程,节省了模型训练时间。

        KNN算法也存在一些缺点:

  1. 需要大量内存:KNN算法需要存储所有训练数据,因此在处理大规模数据集时需要大量内存。
  2. 计算复杂度高:当训练集很大时,KNN算法需要计算测试样本与所有训练样本之间的距离,计算复杂度较高。
  3. 预测时间长:由于需要计算测试样本与所有训练样本的距离,KNN算法的预测时间较长。
  4. 敏感度高:KNN算法对于异常值和噪声数据非常敏感,容易受到局部特征的影响。

        KNN算法的应用实例包括但不限于手写数字识别、电影推荐系统、人脸识别和疾病诊断等。在这些应用中,KNN算法可以通过计算测试样本与训练样本之间的距离,找到最相似的邻居,并根据邻居的类别进行预测或分类。常用的距离度量方法包括欧式距离、曼哈顿距离、闵可夫斯基距离等。

1.2 opencv-k近邻算法

        OpenCV中的K近邻算法(K-Nearest Neighbors, KNN)是一种常用的监督学习算法,主要用于分类和回归问题。该算法基于样本之间的距离来进行分类或回归。

        1)对于分类问题,KNN算法将未知样本与训练集中的样本逐个比较距离,并选择距离最近的K个邻居样本。然后,根据这K个邻居样本的标签进行投票,将未知样本归类为票数最多的标签。

        2)对于回归问题,KNN算法同样将未知样本与训练集中的样本逐个比较距离,并选择距离最近的K个邻居样本。但是,在回归问题中,KNN算法会取这K个邻居样本的平均值作为未知样本的预测值。

        OpenCV中的KNN算法实现包含在ml模块中,函数为cv.ml.KNearest_create()。通过这个函数,你可以创建一个KNN分类器或回归器,并使用训练数据对其进行训练。训练完成后,你可以使用训练好的模型对新的数据进行预测。

k近邻算法是使用的是KNearest类 继承了StatModel类(base类)
class CV_EXPORTS_W KNearest : public StatModel
{
public:
    //类代码
};
StatModel类 方法:
    训练函数
    ret = cv.ml_StatModel.train(samples,layout,responses)
    samples: 训练的样本矩阵
    layout: 排列方式
    responses: 标签矩阵

    返还一个bool类型变量来作为是否完成了模型训练
    samples 必须为float32类型
    layout  cv.ml.ROW_SAMPLE 样本按行排列
            cv.ml.COL_SAMPLE 按列排列

    responses: 单行或者单列的矩阵 类型为int 或者 float
    
    检测函数
    retval, res = cv.ml_StatModel.predict(samples)
    flags模型标志
    res 结果矩阵
    samples 输入矩阵
    retval: 第一个值得标签

除了使用StatModel提供的通用的预测方法
        
        KNearest类也提供了预测方法
        retval,results,neighborResponses,dist = cv.ml_KNearest.findNearest(
        sample
        k
        )
        sample: 待预测数据
        k: 近邻数
        results: 预测结果
        neighborResponses: 可以选择输出的每个数据的k个最近邻
        dist: 输出k个最近邻的距离

        KNN算法的优点包括在线技术(新数据可以直接加入数据集而不必进行重新训练)、理论简单、容易实现、准确性高和对异常值和噪声有较高的容忍度。然而,KNN算法也存在一些缺点,如对于样本容量大的数据集计算量比较大、容易导致维度灾难、样本不平衡时预测偏差比较大,以及k值大小的选择需要依靠经验或交叉验证等。

        在OpenCV中,KNN算法可以用于各种图像处理任务,如图像分类、目标检测和模式识别等。通过调整k值和使用不同的距离度量方法,你可以优化KNN算法的性能以适应你的具体任务。

二、cv::ml::KNearest应用

2.1 数据集样本准备

   本文为了快速验证使用,采用mnist数据集,参考本专栏博文《C/C++开发,opencv-ml库学习,支持向量机(SVM)应用-CSDN博客》下载MNIST 数据集(手写数字识别),并解压。

        同时参考该博文“2.4 SVM(支持向量机)实时识别应用”的章节资料,利用python代码解压t10k-images.idx3-ubyte出图片数据文件。

2.2 KNearest应用

         类似ml模块的其他算法一样,创建了一个 cv::ml::KNearest对象,并设置了训练数据和终止条件。接着,我们调用 train 方法来训练决策树模型。最后,我们使用训练好的模型来预测一个新样本的类别。

	// 4. 设置并训练KNN模型 
    // 创建KNN模型  
    cv::Ptr<cv::ml::KNearest> knn = cv::ml::KNearest::create();  
    // 设置KNN参数 
    knn->setAlgorithmType(cv::ml::KNearest::BRUTE_FORCE); // 使用暴力搜索  
    knn->setIsClassifier(true); // 设置为分类器  
    knn->setDefaultK(3); // 设置K值  
    // 训练KNN模型  
    knn->train(trainingData, cv::ml::ROW_SAMPLE, labelsMat);  
    //同样预测函数调用
	cv::Mat testResp;
	float response = knn->predict(testData,testResp); 
    //存储模型,文件名借用了博文的命名,不必在意
    knn->save("mnist_svm.xml");

        训练及测试过的算法模型,保存输出(.xml),然后调用。PS,训练图片解压读取请参见C/C++开发,opencv-ml库学习,支持向量机(SVM)应用-CSDN博客的“2.4 SVM(支持向量机)实时识别应用”章节。

cv::Ptr<cv::ml::KNearest> kkn = cv::ml::StatModel::load<cv::ml::KNearest>("mnist_svm.xml");
	//read img 28*28 size
	cv::Mat image = cv::imread(fileName, cv::IMREAD_GRAYSCALE);
	//uchar->float32
	image.convertTo(image, CV_32F);
	//image data normalization
	image = image / 255.0;
	//28*28 -> 1*784
	image = image.reshape(1, 1);

	//预测图片
	float ret = knn->predict(image);
	std::cout << "predict val = "<< ret << std::endl;
2.3 程序编译

        和讲述支持向量机(SVM)应用的博文编译类似,采用opencv+mingw+makefile方式编译:

#/bin/sh
#win32
CX= g++ -DWIN32 
#linux
#CX= g++ -Dlinux 

BIN 		:= ./
TARGET      := opencv_ml04.exe
FLAGS		:= -std=c++11 -static
SRCDIR 		:= ./
#INCLUDES
INCLUDEDIR 	:= -I"../../opencv_MinGW/include" -I"./"
#-I"$(SRCDIR)"
staticDir   := ../../opencv_MinGW/x64/mingw/staticlib/
#LIBDIR		:= $(staticDir)/libopencv_world460.a\
#			   $(staticDir)/libade.a \
#			   $(staticDir)/libIlmImf.a \
#			   $(staticDir)/libquirc.a \
#			   $(staticDir)/libzlib.a \
#			   $(wildcard $(staticDir)/liblib*.a) \
#			   -lgdi32 -lComDlg32 -lOleAut32 -lOle32 -luuid 
#opencv_world放弃前,然后是opencv依赖的第三方库,后面的库是MinGW编译工具的库

LIBDIR 	    := -L $(staticDir) -lopencv_world460 -lade -lIlmImf -lquirc -lzlib \
				-llibjpeg-turbo -llibopenjp2 -llibpng -llibprotobuf -llibtiff -llibwebp \
				-lgdi32 -lComDlg32 -lOleAut32 -lOle32 -luuid 
source		:= $(wildcard $(SRCDIR)/*.cpp) 

$(TARGET) :
	$(CX) $(FLAGS) $(INCLUDEDIR) $(source)  -o $(BIN)/$(TARGET) $(LIBDIR)

clean:
	rm  $(BIN)/$(TARGET)

        make编译,make clean 清除可重新编译。

        运行效果,同样数据样本,相比前面博文所述算法训练结果,其准确率有了较大改善,大家可以尝试调整参数验证: 

2.4 main.cpp全代码

        main.cpp源代码,由于是基于前三篇博文支持向量机(SVM)应用、决策树(DTrees)应用、随机森林(RTrees)应用基础上,快速移用实现的,有很多支持向量机(SVM)应用或决策树(DTrees)的痕迹,采用的数据样本也非较合适的,仅仅是为了阐述c++ opencv K近邻算法(KNearest)应用说明。

#include <opencv2/opencv.hpp>  
#include <opencv2/ml/ml.hpp>  
#include <opencv2/imgcodecs.hpp>
#include <iostream>  
#include <vector>  
#include <iostream>
#include <fstream>

int intReverse(int num)
{
	return (num>>24|((num&0xFF0000)>>8)|((num&0xFF00)<<8)|((num&0xFF)<<24));
}

std::string intToString(int num)
{
	char buf[32]={0};
	itoa(num,buf,10);
	return std::string(buf);
}


cv::Mat read_mnist_image(const std::string fileName) {
	int magic_number = 0;
	int number_of_images = 0;
	int img_rows = 0;
	int img_cols = 0;

	cv::Mat DataMat;

	std::ifstream file(fileName, std::ios::binary);
	if (file.is_open())
	{
		std::cout << "open images file: "<< fileName << std::endl;

		file.read((char*)&magic_number, sizeof(magic_number));//format
		file.read((char*)&number_of_images, sizeof(number_of_images));//images number
		file.read((char*)&img_rows, sizeof(img_rows));//img rows
		file.read((char*)&img_cols, sizeof(img_cols));//img cols

		magic_number = intReverse(magic_number);
		number_of_images = intReverse(number_of_images);
		img_rows = intReverse(img_rows);
		img_cols = intReverse(img_cols);
		std::cout << "format:" << magic_number
			<< " img num:" << number_of_images
			<< " img row:" << img_rows
			<< " img col:" << img_cols << std::endl;

		std::cout << "read img data" << std::endl;

		DataMat = cv::Mat::zeros(number_of_images, img_rows * img_cols, CV_32FC1);
		unsigned char temp = 0;
		for (int i = 0; i < number_of_images; i++) {
			for (int j = 0; j < img_rows * img_cols; j++) {
				file.read((char*)&temp, sizeof(temp));
				//svm data is CV_32FC1
				float pixel_value = float(temp);
				DataMat.at<float>(i, j) = pixel_value;
			}
		}
		std::cout << "read img data finish!" << std::endl;
	}
	file.close();
	return DataMat;
}

cv::Mat read_mnist_label(const std::string fileName) {
	int magic_number;
	int number_of_items;

	cv::Mat LabelMat;

	std::ifstream file(fileName, std::ios::binary);
	if (file.is_open())
	{
		std::cout << "open label file: "<< fileName << std::endl;

		file.read((char*)&magic_number, sizeof(magic_number));
		file.read((char*)&number_of_items, sizeof(number_of_items));
		magic_number = intReverse(magic_number);
		number_of_items = intReverse(number_of_items);

		std::cout << "format:" << magic_number << "  ;label_num:" << number_of_items << std::endl;

		std::cout << "read Label data" << std::endl;
		//data type:CV_32SC1,channel:1
		LabelMat = cv::Mat::zeros(number_of_items, 1, CV_32SC1);
		for (int i = 0; i < number_of_items; i++) {
			unsigned char temp = 0;
			file.read((char*)&temp, sizeof(temp));
			LabelMat.at<unsigned int>(i, 0) = (unsigned int)temp;
		}
		std::cout << "read label data finish!" << std::endl;

	}
	file.close();
	return LabelMat;
}

//change path for real paths
std::string trainImgFile = "D:\\workForMy\\OpenCVLib\\opencv_demo\\opencv_ml01\\train-images.idx3-ubyte";
std::string trainLabeFile = "D:\\workForMy\\OpenCVLib\\opencv_demo\\opencv_ml01\\train-labels.idx1-ubyte";
std::string testImgFile = "D:\\workForMy\\OpenCVLib\\opencv_demo\\opencv_ml01\\t10k-images.idx3-ubyte";
std::string testLabeFile = "D:\\workForMy\\OpenCVLib\\opencv_demo\\opencv_ml01\\t10k-labels.idx1-ubyte";

void train_SVM()
{
	//read train images, data type CV_32FC1
	cv::Mat trainingData = read_mnist_image(trainImgFile);
	//images data normalization
	trainingData = trainingData/255.0;
	std::cout << "trainingData.size() = " << trainingData.size() << std::endl;
	std::cout << "trainingData.type() = " << trainingData.type() << std::endl;  
	std::cout << "trainingData.rows = " << trainingData.rows << std::endl; 
	std::cout << "trainingData.cols = " << trainingData.cols << std::endl; 
	//read train label, data type CV_32SC1
	cv::Mat labelsMat = read_mnist_label(trainLabeFile);
	std::cout << "labelsMat.size() = " << labelsMat.size() << std::endl; 
	std::cout << "labelsMat.type() = " << labelsMat.type() << std::endl;  
	std::cout << "labelsMat.rows = " << labelsMat.rows << std::endl; 
	std::cout << "labelsMat.cols = " << labelsMat.cols << std::endl; 

	std::cout << "trainingData & labelsMat finish!" << std::endl;  

    // //create SVM model
    // cv::Ptr<cv::ml::SVM> svm = cv::ml::SVM::create();  
	// //set svm args,type and KernelTypes
    // svm->setType(cv::ml::SVM::C_SVC);  
	// svm->setKernel(cv::ml::SVM::POLY);  
	// //KernelTypes POLY is need set gamma and degree
	// svm->setGamma(3.0);
	// svm->setDegree(2.0);
	// //Set iteration termination conditions, maxCount is importance
	// svm->setTermCriteria(cv::TermCriteria(cv::TermCriteria::EPS | cv::TermCriteria::COUNT, 1000, 1e-8)); 
	// std::cout << "create SVM object finish!" << std::endl;  

	// std::cout << "trainingData.rows = " << trainingData.rows << std::endl; 
	// std::cout << "trainingData.cols = " << trainingData.cols << std::endl; 
	// std::cout << "trainingData.type() = " << trainingData.type() << std::endl; 
    // // svm model train 
    // svm->train(trainingData, cv::ml::ROW_SAMPLE, labelsMat);  
	// std::cout << "SVM training finish!" << std::endl; 

    // // 创建决策树对象  
    // cv::Ptr<cv::ml::DTrees> dtree = cv::ml::DTrees::create();  
    // dtree->setMaxDepth(30);          // 设置树的最大深度  
	// dtree->setCVFolds(0);
    // dtree->setMinSampleCount(1);   // 设置分裂内部节点所需的最小样本数 
    // std::cout << "create dtree object finish!" << std::endl;  
    // // 训练决策树--trainingData训练数据,labelsMat训练标签
    // cv::Ptr<cv::ml::TrainData> td = cv::ml::TrainData::create(trainingData, cv::ml::ROW_SAMPLE, labelsMat);  
    // std::cout << "create TrainData object finish!" << std::endl; 
    // if(dtree->train(td))
	// {
	// 	std::cout << "dtree training finish!" << std::endl;
	// }else{
	// 	std::cout << "dtree training fail!" << std::endl; 
	// }
  
//    // 3. 设置并训练随机森林模型  
//     cv::Ptr<cv::ml::RTrees> rf = cv::ml::RTrees::create();  
//     rf->setMaxDepth(30);                    // 设置决策树的最大深度  
//     rf->setMinSampleCount(2);             // 设置叶子节点上的最小样本数  
//     rf->setTermCriteria(cv::TermCriteria(cv::TermCriteria::EPS + cv::TermCriteria::COUNT, 10, 0.1)); // 设置终止条件  
//     rf->train(trainingData, cv::ml::ROW_SAMPLE, labelsMat);  

	// 4. 设置并训练KNN模型 
    // 创建KNN模型  
    cv::Ptr<cv::ml::KNearest> knn = cv::ml::KNearest::create();  
    // 设置KNN参数 
    knn->setAlgorithmType(cv::ml::KNearest::BRUTE_FORCE); // 使用暴力搜索  
    knn->setIsClassifier(true); // 设置为分类器  
    knn->setDefaultK(3); // 设置K值  
    // 训练KNN模型  
    knn->train(trainingData, cv::ml::ROW_SAMPLE, labelsMat);  
 
    // svm model test  
	cv::Mat testData = read_mnist_image(testImgFile);
	//images data normalization
	testData = testData/255.0;
	std::cout << "testData.rows = " << testData.rows << std::endl; 
	std::cout << "testData.cols = " << testData.cols << std::endl; 
	std::cout << "testData.type() = " << testData.type() << std::endl; 
	//read test label, data type CV_32SC1
	cv::Mat testlabel = read_mnist_label(testLabeFile);
	cv::Mat testResp;
	// float response = svm->predict(testData,testResp); 
    // float response = dtree->predict(testData,testResp); 
	// float response = rf->predict(testData,testResp); 
	float response = knn->predict(testData,testResp); 
	// std::cout << "response = " << response << std::endl; 
	testResp.convertTo(testResp,CV_32SC1);
	int map_num = 0;
	for (int i = 0; i <testResp.rows&&testResp.rows==testlabel.rows; i++)
	{
		if (testResp.at<int>(i, 0) == testlabel.at<int>(i, 0))
		{
			map_num++;
		}
		// else{
		// 	std::cout << "testResp.at<int>(i, 0) " << testResp.at<int>(i, 0) << std::endl;
		// 	std::cout << "testlabel.at<int>(i, 0) " << testlabel.at<int>(i, 0) << std::endl;
		// }
	}
	float proportion  = float(map_num) / float(testResp.rows);
	std::cout << "map rate: " << proportion * 100 << "%" << std::endl;
	std::cout << "SVM testing finish!" << std::endl; 
	//save svm model
	// svm->save("mnist_svm.xml");
    // dtree->save("mnist_svm.xml");
	// rf->save("mnist_svm.xml");
	knn->save("mnist_svm.xml");
}

void prediction(const std::string fileName,cv::Ptr<cv::ml::KNearest> knn)
// void prediction(const std::string fileName,cv::Ptr<cv::ml::DTrees> dtree)
// void prediction(const std::string fileName,cv::Ptr<cv::ml::SVM> svm)
{
	//read img 28*28 size
	cv::Mat image = cv::imread(fileName, cv::IMREAD_GRAYSCALE);
	//uchar->float32
	image.convertTo(image, CV_32F);
	//image data normalization
	image = image / 255.0;
	//28*28 -> 1*784
	image = image.reshape(1, 1);

	//预测图片
	// float ret = dtree->predict(image);
	float ret = knn->predict(image);
	std::cout << "predict val = "<< ret << std::endl;
}

std::string imgDir = "D:\\workForMy\\OpenCVLib\\opencv_demo\\opencv_ml01\\t10k-images\\";
std::string ImgFiles[5] = {"image_0.png","image_10.png","image_20.png","image_30.png","image_40.png",};
void predictimgs()
{
	//load svm model
	// cv::Ptr<cv::ml::SVM> svm = cv::ml::StatModel::load<cv::ml::SVM>("mnist_svm.xml");
    //load DTrees model
    // cv::Ptr<cv::ml::DTrees> dtree = cv::ml::StatModel::load<cv::ml::DTrees>("mnist_svm.xml");
	// cv::Ptr<cv::ml::RTrees> rf = cv::ml::StatModel::load<cv::ml::RTrees>("mnist_svm.xml");
	cv::Ptr<cv::ml::KNearest> kkn = cv::ml::StatModel::load<cv::ml::KNearest>("mnist_svm.xml");
	for (size_t i = 0; i < 5; i++)
	{
		prediction(imgDir+ImgFiles[i],kkn);
	}
}

int main()  
{  
	train_SVM();
	predictimgs();	
    return 0;  
}

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mac nvm install node<version> error 404

mac m2芯片遇到的问题&#xff0c;估计m系列的应该也有这个问题&#xff0c;在这里记录一下 解决方案&#xff1a; ## 需要先处理一下兼容就OK了arch -x86_64 zsh nvm install returns curl: (22) The requested URL returned error: 404 Issue #2667 nvm-sh/nvm GitHub

关于YOLO8学习(五)安卓部署ncnn模型--视频检测

前文 关于YOLO8学习(一)环境搭建,官方检测模型部署到手机 关于YOLO8学习(二)数据集收集,处理 关于YOLO8学习(三)训练自定义的数据集 关于YOLO8学习(四)模型转换为ncnn 简介 本文将会讲解: (1)使用前文生成的ncnn模型,部署到安卓端,并且实现视频中,人脸的检测…

FileBird Pro插件下载:革新您的WordPress媒体库管理

WordPress媒体库是您网站的重要组成部分&#xff0c;它存储了所有的图片、视频、文档等文件。但随着网站的扩展&#xff0c;媒体库的管理变得越来越复杂。FileBird Pro插件&#xff0c;作为一款专为WordPress用户设计的媒体库管理工具&#xff0c;以其直观的界面和强大的功能&a…

【PowerJob】从源码编译到k8s部署

前言 虽然PowerJob官方说支持JPA各种数据源&#xff0c;但在PG数据库的兼容性上&#xff0c;确实存在小问题&#xff0c;issue也有相关原理描述&#xff0c;官方采用的优雅方式并未真正解决问题&#xff0c;因为只解决了从Lob字段读取的时候&#xff0c;自动建表的时候还是会生…

去哪儿网机票服务请求头pre逆向

作者声明&#xff1a;文章仅供学习交流与参考&#xff01;严禁用于任何商业与非法用途&#xff01;否则由此产生的一切后果均与作者无关&#xff01;如有侵权&#xff0c;请联系作者本人进行删除&#xff01; url&#xff1a;aHR0cHM6Ly9tLmZsaWdodC5xdW5hci5jb20v 一、加密位…

噪声嵌入提升语言模型微调性能

在自然语言处理&#xff08;NLP&#xff09;的快速发展中&#xff0c;大模型&#xff08;LLMs&#xff09;的微调技术一直是研究的热点。最近&#xff0c;一篇名为《NEFTUNE: NOISY EMBEDDINGS IMPROVE INSTRUCTION FINETUNING》的论文提出了一种新颖的方法&#xff0c;通过在训…

网络基础-网络设备介绍

本系列文章主要介绍思科、华为、华三三大厂商的网络设备 网络设备 网络设备是指用于构建和管理计算机网络的各种硬件设备和设备组件。以下是常见的网络设备类型&#xff1a; 路由器&#xff08;Router&#xff09;&#xff1a;用于连接不同网络并在它们之间转发数据包的设备…

Unity 编辑器工具 - 资源引用查找器

在Unity项目开发过程中&#xff0c;管理和维护资源之间的引用关系是至关重要的。当然我们项目也是需要这个功能 毕竟项目大了之后查找资源引用还是交给 资源引用查找器 比较好。 功能概述 资源引用查找器允许开发者选择一个目标资源&#xff0c;并在整个项目中查找引用了该资…
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