模糊聚类法在图像分割中的应用

模糊聚类法在图像分割中的应用

摘要：模糊聚类算法是模糊理论中的一个重要的分支,是现今模糊理论中应用最广泛的领域之一,并取得了丰富的成果。由于图像所具有的模糊性,近年来一些学者将模糊理论引入到图像处理中,应用模糊理论进行图像分割,图像增强以及边缘检测。本文在研究模糊理论的基础上,对模糊聚类算法在图像分割中的应用进行了一定的探讨。

关键词：模糊理论，图像分割，模糊聚类

0.引言：

随着计算机技术的飞速发展，数字图像分割技术触及工业检测、环境监测、军事和宇宙探索等多诸多学科领域。从统计学的观点上看，图像分割可以分为基于概率统计的硬分割和基于模糊数学的软分割。在实际应用中，图像分割结果受到图像许多方面特征的制约，例如：图像的灰度、纹理或颜色等硬分割方法在综合考虑这些因素时往往顾此失彼，因而分割结果并不理想但若将上述因素用模糊集合来表示，利用隶属度综合考虑各因素对图像分割结果的影响，则能准确反映图像的特征。因此，基于模糊数学的模式分类在图像分割中得到了广泛应用基于模糊聚类的软分割具有以下几个鲜明的特点：1）模糊聚类分割算法不使用训练样本，这使得非监督图像分割成为可能。2) 在进行模糊聚类分割算法构建时，只需建立模糊优化函数，仅有隶属度聚类中心和核

函数带宽这个未知参数传统的图像聚类分割方法是一种硬划分，将每个像素划分到某一类中，在现实中，像素的归属伴随着不确定性，而隶属度是描述不确定性的强有力工具。随着模式识别、人工智能和逼近理论的不断发展，特别是非参数密度估计方法的发展，为模糊聚类核函数的选取提供理论依据，从而将图像分割问题转化为确定最优超平面的分类函数。3) 采用进化算法，如遗传算法、免疫算法和模拟退火等，优化目标函数获得对数据的最佳分类。

1.图像分割技术简介及聚类分析法

图像分割是一种关键的图像分析技术，是从图像处理进行到图像分析的关键步骤，也是进一步图像理解的基础。图像分割按照不同的特性，如灰度、颜色、纹理等，将图像分成若干个各具相似特性的区域，以便能提取出所需要的目标。在图像分割前，对图像的加工主要处于图像处理的层次，图像分割后，对图像的分析才成为可能。图像分割在实际中也已得到广泛的应用，例如在工业自动化，在线产品检验，以及军事、体育、农业工程等方面。概括来说，在各种图像应用中，只要需对图像目标进行提取，测量等都离不开图像分割。每当有新的数学工具或方法提出来，人们就试着将其用于图像分割，基于聚类分析的图像分割方法是图像分割领域中一类极其重要和应用相当广泛的算法，其在应用领域取得的巨大成功引起了广大关注。

2.聚类分析算法的分类

2.1划分方法

任意给定一个包含n 个对象的数据集，划分方法将数据集划分为k 个子集。其中每个子集均代表一个聚类(K<=n)。给定需要划分的个数k，一个划分方法创建一个初始划分，然后利用循环再定位技术，即通过移动不同划分中的对象来改变划分内容。一个好的划分衡量标准通常就是同一个组中的对象彼此相近或相关，而不同组中的对象较远或差距较大。主要的划分方法有：K-means 聚类法和K-medoid 聚类法。K-means 聚类法在处理海量数据库方面较有效，特别是对数值属性处理，它对异常数据很敏感。

2.2层次方法

层次方法即就是分解所给定的数据对象集来创建一个层次。根据层次分解形成的方式，可以将层次方法分为自下而上(也称凝聚方式)和自上而下(也称分割方式)两种类型。自下而上的层次方法从每个对象均为一个单独的组开始,逐步将这些组进行合并，直到组合并到了层次顶端或满足终止条件为止。自上而下层次方法从所有对象均属于一个组开始，每一次循环将其分解为更小的组，直到每个对象构成一组或满足终止条件为止。

2.3基于密度方法

基于密度的聚类方法就是不断增长所获得的聚类直到邻近密度小于一定阈值为止。这种方法可以用于消除数据中的噪声(异常数据)。DBSCAN 就是一个典型的基于密度的方法，该方法根据密度阈值不断增长聚类。

3.C-均值算法的应用

在我们实际科研应用过程中应用最为广泛的模糊聚类方法是模糊C-均值算法(Fuzzy C-Means)，简称FCM，本文中的模糊聚类算法也特指模糊C 均值算法。FCM算法最先由Dunn提出，后经Bezdek改进，并给出了FuzzyC-MeansClustering 的基于最小二乘法原理的迭代优化算法，Bezdek又在文献中证明了它的收敛性，证明了该算法收敛于一个极值。FCM算法采用迭代法优化目标函数来获得对数据集的模糊分类，算法具有很好的收敛性。采用模糊C-均值聚类的方法进行图像分割的优点是避免了设定阈值的问题，并且能解决阈值化分割难以解决的多个分支的分割问题。但是利用FCM算法进行图像分割也有以下难点和问题：

(1)聚类类别数C的确定

在聚类进行之前必需给定类的数目，否则聚类无法进行。在实际应用中，尤其是自动化的系统中，这是不太现实的。均值聚类方法中最困难的是图像分割的类别数的确定。

(2)初始类中心、初始隶属度矩阵的确定

模糊聚类分割方法必须给出初始聚类中心和确定初始隶属度矩阵。根据数学分析理论，任何一个迭代并且最后收敛的序列，如果迭代的初始值比较接近于最后的收敛结果的话，收敛的速度会明显提高，迭代次数也会较大幅度地减小。同时，也因为接近最后结果，陷入其它局部最优的可能性减小。所以FCM 算法对初始值相当敏感。在没有任何先验知识也没有任何辅助手段的情况

下，系统可以采用随机选取类中心的办法。

(3)空间信息的使用

模糊均值聚类方法分割的另一个问题是它只考虑到了灰度特征或彩色图像的颜色特征，忽略了图像中固有的丰富的空间信息，从而导致它对噪声比较敏感，而且使得分割出的区域往往不连续，导致本属于同类的象素没有连在一起，不能形成有意义的子图。如何有效地利用空间信息，提高分割质量，同时又不至于大幅增加计算量是一个很有意义的研究课题。

参考文献：

[1]于剑.论模糊C均值算法的模糊指标.计算机学报，2003,26(8):968-973

[2]马军，邵陆.模糊聚类计算的最住算法.软件学报，2001,12(4):578-581

[3] 朱明.数据挖掘.中国科学技术大学出版社.

[4] 赵荣椿等. 数字图像处理导论.西安：西北工业大学出版社.2000

[5]高新波.模糊聚类分析及其应用，西安:西安电子科技大学出版社，2004

[6](加)Jiawei Han MichelineKamber 著, 范明，孟小峰等译. 《数据挖掘概念与技术》, 机械工业出版社, P223-262.

作者简介

郑丽鸽（1989.02-），女，河南许昌县人，硕士，五邑大学，研究方向：图像分割，联系地址：广东省江门市蓬江区东城村22号五邑大学，邮编529000

基于模糊聚类和支持向量机的损伤识别方法

基于模糊聚类和支持向量机的损伤识别方法Ξ 冉志红1,李　乔2 (1.云南大学城市建设与管理学院,云南昆明650091;2.西南交通大学土木工程学院,四川成都610031) 摘要:将结构分区域进行分步损伤识别是目前解决复杂结构损伤识别问题的有效途径,对结构进行适当的区域划分后,就可以先找出损伤发生的可能区域,然后减小搜索范围,进行损伤的定位和损伤程度的识别。用频率和坐标模态保证准则这两种基本的动力指标,采用模糊聚类的方法划分出相似区域,然后用统计模式识别中的支持向量机进行分类。通过数值算例表明,损伤识别三步法能够在存在观测噪声的条件下对结构损伤进行定位。 关键词:桥梁工程;损伤识别;模糊聚类;支持向量机 中图分类号:U448127文献标识码:A文章编号:100424523(2007)0620618205 引　言 随着交通流量的迅速增大,现有桥梁在超负荷交通流量情况下产生老化和损坏,使其成为交通的瓶颈[1]。因此,对在役桥梁的评估、养护和维修,对旧桥、危桥进行加固后重新使用已成为当前摆在交通和工程结构工作者面前的迫切问题。而结构损伤识别是进行结构可靠性评价的基础性工作,因此,损伤识别成为目前国内外研究的热点问题。损伤识别领域有两大研究方向:一是通过反演的方法,即建立系统与输入、输出的映射关系,按果索因,这类方法的优点是概念清晰,物理意义明确,但实际求解过程中的强非线性、非适定性导致其求解异常困难;另一个研究方向是模式识别[2],其基本思想是建立每一种损伤情况下结构响应的变化,然后按实际测量结果进行模式匹配,找出最接近的那一组模式从而确定结构的损伤情况。 由于土木工程结构的损伤模式比机械结构繁杂得多,因此模式识别方法一开始没有受到足够的重视。而近年来在模式识别方面又有了新的认识,一方面人们针对具体结构进行危险性分析,将损伤的可能模式进行大量的缩减;另一方是面对模式识别方法本身的深入研究,认为模式识别不仅具有高抗噪能力、强非线性能力、处理数据不完备的能力等诸多优点,而且可以进行自组织、自适应、无反馈式的学习,促使模式识别方法在损伤识别中的应用迅速发展起来。 对于大型复杂结构,直接识别结构的损伤非常困难,许多学者采用多步法进行损伤识别[3,4]。本文针对连续梁桥结构,提出用模糊聚类进行损伤区域的划分,用支持向量机进行分类的损伤识别三步法。传统多步法的损伤区域划分都是针对结构的具体形式,按受力特点、空间关系、构件形式等对区域进行划分,这种分区方式带有设计者的主观意志,往往使识别结果的可靠性不高。本文采用模糊聚类计算各模式的“相近”程度,从而有依据地进行区域的划分,可以大大提高损伤识别的精度。近年来,人们将支持向量机用于结构的损伤识别,取得了较好的效果[5,6]。但已有的研究都是直接用支持向量机对结构进行损伤识别,本文利用支持向量机良好的分类性能,对损伤区域和损伤单元进行分步识别。 本文用模式识别的方式研究连续梁桥损伤识别,以频率和坐标模态保证准则为特征向量,构建了基于模糊聚类和支持向量机的损伤识别三步法。最后以一个三跨连续梁作为研究对象,数值计算表明,本文所提出的三步法损伤识别策略具有良好的抗噪性能。 1　特征向量的选取 结构的损伤(主要是指刚度的退化)会引起结构模态参数的变化,比如频率的降低,振型的改变。本文选取频率和坐标模态保证准则(COM A C)这两种指标作为损伤的输入变量。频率可以直接测量得到,只是在输入时采用相对变化率[7,8] 第20卷第6期2007年12月 振　动　工　程　学　报 Jou rnal of V ib rati on Engineering V o l.20N o.6 D ec.2007 　 Ξ收稿日期:2006211215;修订日期:2007204227

基于谱聚类的图像分割

本科生毕业设计 姓名：学号： 学院：计算机科学与技术学院 专业：计算机科学与技术 设计题目：基于谱聚类的图像分割 专题：图像分割的设计与实现 指导教师：职称：副教授

大学毕业设计任务书 学院计算机专业年级学生姓名 任务下达日期： 毕业设计日期： 毕业设计题目： 毕业设计专题题目 毕业设计主要内容和要求： 院长签章：指导教师签字：

中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书 指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）： 成绩：指导教师签字： 年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）： 成绩：评阅教师签字： 年月日

中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩

需求分析 一、利用前台，得到一张原始JPG图片； 二、把这张图片传到后台，JAVA通过JRI调用R； 三、利用R调用K-Means的改进算法，实现对这张图片的处理，由于一张图片的 像素值是一个矩阵，可以得到一组关于像素值的数据； 四、把这组像素值进行分类，对各类赋予不同的颜色进行标记，从而区分出需要的 图片信息； 五、把得到的新图片传到前台； 六、前台对进行处理后的图片进行显示，从图像中得到需要的信息，从而实现图像 的分割。

模糊聚类分析方法

模糊聚类分析方法 对所研究的事物按一定标准进行分类的数学方法称为聚类分析，它是多元统计“物以类聚”的一种分类方法。载科学技术、经济管理中常常要按一定的标准（相似程度或亲疏关系）进行分类。例如，根据生物的某些性状可对生物分类，根据土壤的性质可对土壤分类等。由于科学技术、经济管理中的分类界限往往不分明，因此采用模糊聚类方法通常比较符合实际。 一、模糊聚类分析的一般步骤 1、第一步：数据标准化[9] （1） 数据矩阵 设论域12{,,,}n U x x x =为被分类对象， 每个对象又有m 个指标表示其性状，即 12{,, ,}i i i im x x x x = (1,2,,) i n =， 于是，得到原始数据矩阵为 1112 1 21222 12 m m n n nm x x x x x x x x x ?? ? ? ? ??? 。 其中nm x 表示第n 个分类对象的第m 个指标的原始数据。 （2） 数据标准化 在实际问题中，不同的数据一般有不同的量纲，为了使不同的量纲也能进行比较，通常需要对数据做适当的变换。但是，即使这样，得到的数据也不一定在区间[0,1]上。因此，这里说的数据标准化，就是要根据模糊矩阵的要求，将数据压缩到区间[0,1]上。通常有以下几种变换： ① 平移·标准差变换

i k k ik k x x x s -'= (1,2,,;1,2,i n k m == 其中 11n k i k i x x n ==∑， k s =。 经过变换后，每个变量的均值为0，标准差为1，且消除了量纲的影响。但 是，再用得到的ik x '还不一定在区间[0,1]上。 ② 平移·极差变换 111m i n { }m a x {}m i n {}i k i k i n ik ik ik i n i n x x x x x ≤≤≤≤≤≤''-''=''- ，(1,2, ,)k m = 显然有01ik x ''≤≤，而且也消除了量纲的影响。 ③ 对数变换 lg ik ik x x '= (1,2,,;1,2,i n k m == 取对数以缩小变量间的数量级。 2、第二步：标定（建立模糊相似矩阵） 设论域12{,, ,}n U x x x =，12{,,,}i i i im x x x x =，依照传统聚类方法确定相似 系数，建立模糊相似矩阵，i x 与j x 的相似程度(,)ij i j r R x x =。确定(,)ij i j r R x x =的方法主要借用传统聚类的相似系数法、距离法以及其他方法。具体用什么方法，可根据问题的性质，选取下列公式之一计算。 （1） 相似系数法 ① 夹角余弦法 2 2m ik jk ij m ik jk x x r x = ∑∑ ② 最大最小法 11() () m ik jk k ij m ik jk k x x r x x ==∧= ∨∑∑。 ③ 算术平均最小法

基于空间模糊聚类的图像分割优化算法讲解

深圳大学研究生课程论文 题目基于空间模糊聚类的图像分割优化算法 成绩 专业信息与通信工程课程名称、代码模糊数学理论年级研一 姓名梁运恺同组人叶韩 学号2150130406 2150130407 时间2015/1/6 任课教师李良群

基于空间模糊聚类的图像分割优化算法 【摘要】针对传统模糊C－均值(FCM)算法抗噪性能差的问题，提出一种新的基于空间模糊聚类的图像分割优化算法。该算法通过在传统FCM算法基础上加入图像特征项中像素间的空间位置信息，解决了传统FCM对噪声敏感的问题，增强了算法的鲁棒性。实验结果表明，该算法可实现有效分割，分割效果显著优于传统FCM 算法。 【关键词】图像分割；模糊聚类；ＦＣＭ算法；空间位置信息； The Spatial Fuzzy Clustering Optimization Algorithm for Image Segmentation Abstract: For the poor anti-noise performance limitations of the traditional fuzzy C-means (FCM) algorithm. We proposed a new spatial fuzzy clustering optimization algorithm for image segmentation .we added a wealth of spatial information between pixels in the image feature items, so that the traditional FCM sensitive to noise was solved. And the robustness of the algorithm was enhanced. Experimental results show that our algorithm can achieve the effective segmentation the noise images. And the results are significantly better than those by traditional FCM image segmentation algorithm. Keywords: image segmentation; fuzzy clustering; FCM algorithm; spatial information 1.引言 图像分割是图像处理到图像分析的关键步骤，是进一步理解图像的基础。图像分割本质上是基于某种相似性准则对像素进行分类，在期望的分割结果中，属于同类的像素特征不仅在数值上相似，其空间位置信息也有紧密联系。数据聚类方法对图像进行分割具有直观和易于实现的特点，其中最有效的是模糊C－均值（Fuzzy C-means ,FCM）聚类算法。但传统的FCM算法未考虑图像的空间信息，在处理受噪声污染的图像时常会得到不理想的分割结果，因此，本文提出一种改进的FCM算法。针对传统FCM算法在分割过程中只考虑本地信息的问题，本文算法加入有影响力的特征因子，即空间位置信息。实验结果表明，本文算法可显著

模糊聚类分析方法汇总

模糊聚类分析方法 对所研究的事物按一定标准进行分类的数学方法称为聚类分析，它是多元统计“物以类聚”的一种分类方法。载科学技术、经济管理中常常要按一定的标准（相似程度或亲疏关系）进行分类。例如，根据生物的某些性状可对生物分类，根据土壤的性质可对土壤分类等。由于科学技术、经济管理中的分类界限往往不分明，因此采用模糊聚类方法通常比较符合实际。 一、模糊聚类分析的一般步骤 1、第一步：数据标准化[9] （1） 数据矩阵 设论域12{,,,}n U x x x =为被分类对象，每个对象又有m 个指标表示其性状， 即 12{,, ,}i i i im x x x x = (1,2, ,)i n =， 于是，得到原始数据矩阵为 11 121212221 2 m m n n nm x x x x x x x x x ?? ? ? ? ??? 。 其中nm x 表示第n 个分类对象的第m 个指标的原始数据。 （2） 数据标准化 在实际问题中，不同的数据一般有不同的量纲，为了使不同的量纲也能进行比较，通常需要对数据做适当的变换。但是，即使这样，得到的数据也不一定在区间[0,1]上。因此，这里说的数据标准化，就是要根据模糊矩阵的要求，将数据压缩到区间[0,1]上。通常有以下几种变换： ① 平移·标准差变换

ik k ik k x x x s -'= (1,2,,;1,2,,)i n k m == 其中 11n k ik i x x n ==∑， k s = 经过变换后，每个变量的均值为0，标准差为1，且消除了量纲的影响。但 是，再用得到的ik x '还不一定在区间[0,1]上。 ② 平移·极差变换 111min{}max{}min{}ik ik i n ik ik ik i n i n x x x x x ≤≤≤≤≤≤''-''=''-，(1,2,,)k m = 显然有01ik x ''≤≤，而且也消除了量纲的影响。 ③ 对数变换 lg ik ik x x '= (1,2,,;1,2,,)i n k m == 取对数以缩小变量间的数量级。 2、第二步：标定（建立模糊相似矩阵） 设论域12{,, ,}n U x x x =，12{,, ,}i i i im x x x x =，依照传统聚类方法确定相似 系数，建立模糊相似矩阵，i x 与j x 的相似程度(,)ij i j r R x x =。确定(,)ij i j r R x x =的方法主要借用传统聚类的相似系数法、距离法以及其他方法。具体用什么方法，可根据问题的性质，选取下列公式之一计算。 （1） 相似系数法 ① 夹角余弦法 21 m ik jk ij m ik jk k x x r x == ∑∑。 ② 最大最小法 11() () m ik jk k ij m ik jk k x x r x x ==∧= ∨∑∑。 ③ 算术平均最小法

kmeans聚类图像分割 matlab

function [mu,mask]=kmeans(ima,k) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%% % % kmeans image segmentation % % Input: % ima: grey color image % k: Number of classes % Output: % mu: vector of class means % mask: clasification image mask % % Author: Jose Vicente Manjon Herrera % Email: jmanjon@fis.upv.es % Date: 27-08-2005 % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%% % check image ima=double(ima); copy=ima; % make a copy ima=ima(:); % vectorize ima mi=min(ima); % deal with negative ima=ima-mi+1; % and zero values s=length(ima); % create image histogram m=max(ima)+1; h=zeros(1,m); hc=zeros(1,m); for i=1:s if(ima(i)>0) h(ima(i))=h(ima(i))+1;end; end ind=find(h); hl=length(ind); % initiate centroids mu=(1:k)*m/(k+1);

Matlab学习系列23. 模糊聚类分析原理及实现

23. 模糊聚类分析原理及实现 聚类分析，就是用数学方法研究和处理所给定对象，按照事物间的相似性进行区分和分类的过程。 传统的聚类分析是一种硬划分，它把每个待识别的对象严格地划分到某个类中，具有非此即彼的性质，这种分类的类别界限是分明的。 随着模糊理论的建立，人们开始用模糊的方法来处理聚类问题，称为模糊聚类分析。由于模糊聚类得到了样本数与各个类别的不确定性程度，表达了样本类属的中介性，即建立起了样本对于类别的不确定性的描述，能更客观地反映现实世界。 本篇先介绍传统的两种（适合数据量较小情形，及理解模糊聚类原理）：基于择近原则、模糊等价关系的模糊聚类方法。 （一）预备知识 一、模糊等价矩阵 定义1 设R=(r ij )n ×n 为模糊矩阵，I 为n 阶单位矩阵，若R 满足 i) 自反性：I ≤R （等价于r ii =1）； ii) 对称性：R T =R; 则称R 为模糊相似矩阵，若再满足 iii) 传递性：R 2 ≤R （等价于1 ()n ik kj ij k r r r =∨∧≤） 则称R 为模糊等价矩阵。 定理1 设R 为n 阶模糊相似矩阵，则存在一个最小的自然数k

（k

FAUT—模糊聚类分析工具

FUAT——模糊聚类分析工具 摘要： 众所周知,模糊聚类是一种软聚类方法并且主要以通过计算每个集群的隶属度的分段数据为基础。然而在调查不同集群之间的关系方面,当前的大多数模糊聚类模块打包在开放资源和商业产品中，都缺乏使用户能够更加深入和直观地探索模糊集群的能力。此外,在没有决策者或专家的情况下,在模糊聚类研究中确定集群的数量也非常困难。因此在这项研究中，一个被称为FUAT的桌面软件得到发展，它能够分析、探索并将从模糊c聚类算法(FCM)中分离出来模糊群集可视化。此外，为了获得并告知可能的自然集群数量，FUAT还配备了期望的最大化算法。 1、介绍 聚类是一种无人监督的，划分多元数据点集合成有意义的组织的分类方法,同组中的所有成员代表类似的特征而在不同群体之间的数据点彼此不同。有许多基于模糊概率和可能的方法和聚类算法,如k 均值聚类、c均值聚类、层次聚类。模糊c聚类算法(FCM)是使用最普遍的聚类算法之一。FCM结合c均值聚类方法与存在的模糊性数据处理，这种结合使它更强大,因为数据的模糊性在创建脆分区以一种不利的方式影响结果。一般来说,软聚类技术旨在消除这种情况,FCM是一种基于模糊集理论的软聚类方法(Zadeh,1965)。在聚类算法的实际应用中,必须解决的几个问题,包括确定集群的数量和评价分区的质量。 在这项研究中,工具-FUAT(模糊聚类分析工具)提出了探索与FCM聚类创建的集群。FUAT发展的原因来自FCM的报道困难。首先,FCM要求集群数量作为输入参数,但对实际的决策者来说知道这个数字是很困难的。因为,预测数据点的分布,从现实世界中可以获得,在空间中很难完成,有时甚至是不可能的。在FUAT,关于可能的集群号码，自然聚类给用户提出了一个建议。其次,初始集群对导致集群有很大的影响。然而,无论获得了集群的质心、演示数据与集群的数字还是隶属度都足以评估集群性能。因此，集群的大小和密度、饱和度和频率隶属度、集群之间的亲密度、集群之间的密度要求在集群参数、集群性能的评估上执行详细的分析。

模糊聚类法

模糊聚类分析法及其应用 （汽车学院钟锐 2011122071） 摘要模糊聚类分析方法是一种多元统计分析方法, 它通过多个指标将样本划分为若干类, 这种分类方法能很好地应用于交通规划、交通流分析、安全评价等多个方面。文章以交通调查的选择为例说明了模糊聚类分析在规划过程中的具体应用, 并分析了模糊聚类分析在交通规划其他方面的应用。在交通调查中, 可利用模糊聚类分析将交通分区按工业、居住、公建、道路绿化广场等各项用途来进行分类。可相应减少同类交通分区的相似调查工作量。 关键词模糊聚类分析; 交通规划; 交通调查 1 问题的提出 交通规划旨在确定公路和城市道路交通建设的发展目标, 设计达到这些目 标的策略、过程与方案。交通规划包括目标确定、组织工作、数据调查、相关基本模型分析、分析预测、方案设计、方案评价、方案实施过程中的信息反馈和修改等工作阶段。在交通规划的很多阶段, 需要进行分类。例如可将众多的交通小区划分成几大类, 将具有相似特性的交通小区归于一类, 可以减少调查的工作量; 对线路网络进行分析评价时, 也需要进行分类。单一的指标往往不能全面反映交通分区之间的关系, 需要用多个指标来进行。在分类方法中,聚类分析是一种应用很广泛的方法, 它在交通规划领域应用较多。 2 聚类分析方法 聚类分析取意于“人以群分, 物以类聚”的俗语, 即将一组事物根据其性质上亲疏远近的程度进行分类, 把性质相近的个体归为一类, 使得同一类中的个体具有高度的同质性, 不同类之间的个体具有高度的异质性。为使分类合理, 必须描述个体之间的亲疏程度。对此, 通常有距离法、相关系数法等方法。距离法是将每个样本看成m( m 为统计指标的个数) 维空间的一个点, 在m 维空间中定义点与点之间的某种距离; 相关系数法是用某种相似系数来描述样本之间的关系, 如相关系数。聚类的方法有很多, 如系统聚类法、模糊聚类法、分裂法、

Matlab笔记-模糊聚类分析原理及实现

23. 模糊聚类分析原理及实现 聚类分析，就是用数学方法研究和处理所给定对象，按照事物间的相似性进行区分和分类的过程。 传统的聚类分析是一种硬划分，它把每个待识别的对象严格地划分到某个类中，具有非此即彼的性质，这种分类的类别界限是分明的。 随着模糊理论的建立，人们开始用模糊的方法来处理聚类问题，称为模糊聚类分析。由于模糊聚类得到了样本数与各个类别的不确定性程度，表达了样本类属的中介性，即建立起了样本对于类别的不确定性的描述，能更客观地反映现实世界。 本篇先介绍传统的两种（适合数据量较小情形，及理解模糊聚类原理）：基于择近原则、模糊等价关系的模糊聚类方法。 （一）预备知识 一、模糊等价矩阵 定义1设R=(r ij )n ×n 为模糊矩阵，I 为n 阶单位矩阵，若R 满足 i) 自反性：I ≤R （等价于r ii =1）； ii) 对称性：R T =R; 则称R 为模糊相似矩阵，若再满足 iii) 传递性：R 2 ≤R （等价于1 ()n ik kj ij k r r r =∨∧≤） 则称R 为模糊等价矩阵。

定理1设R 为n 阶模糊相似矩阵，则存在一个最小的自然数k （k

模糊聚类分析方法

第二节 模糊聚类分析方法 在科学技术、经济管理中常常要按一定的标准（相似程度或亲疏关系）进行分类。例如，根据生物的某些性状可对生物分类，根据土壤的性质可对土壤分类等。对所研究的事物按一定标准进行分类的数学方法称为聚类分析，它是多元统计“物以类聚”的一种分类方法。由于科学技术、经济管理中的分类界限往往不分明，因此采用模糊聚类方法通常比较符合实际。 一、模糊聚类分析的一般步骤 1、第一步：数据标准化[9] （1） 数据矩阵 设论域12{,,,}n U x x x = 为被分类对象，每个对象又有m 个指标表示其性状，即 12{,,,}i i i im x x x x = (1,2,,i n = ， 于是，得到原始数据矩阵为 11 121 2122 2 1 2 m m n n nm x x x x x x x x x ?? ? ? ? ??? 。 其中nm x 表示第n 个分类对象的第m 个指标的原始数据。 （2） 数据标准化 在实际问题中，不同的数据一般有不同的量纲，为了使不同的量纲也能进行比较，通常需要对数据做适当的变换。但是，即使这样，得到的数据也不一定在区间[0,1]上。因此，这里说的数据标准化，就是要根据模糊矩阵的要求，将数据压缩到区间[0,1]上。通常有以下几种变换： ① 平移·标准差变换

i k k ik k x x x s -'= (1,2,,; 1,2,i n k m == 其中 1 1n k i k i x x n == ∑ ， k s = 经过变换后，每个变量的均值为0，标准差为1，且消除了量纲的影响。但 是，再用得到的ik x '还不一定在区间[0,1]上。 ② 平移·极差变换 111m i n { } m a x {}m i n {} i k i k i n ik ik ik i n i n x x x x x ≤≤≤≤≤≤''-''=''-，(1,2,,)k m = 显然有01ik x ''≤≤，而且也消除了量纲的影响。 ③ 对数变换 lg ik ik x x '= (1,2,,; 1,2,i n k m == 取对数以缩小变量间的数量级。 2、第二步：标定（建立模糊相似矩阵） 设论域12{,,,}n U x x x = ，12{,,,}i i i im x x x x = ，依照传统聚类方法确定相似系数，建立模糊相似矩阵，i x 与j x 的相似程度(,)ij i j r R x x =。确定(,)ij i j r R x x =的方法主要借用传统聚类的相似系数法、距离法以及其他方法。具体用什么方法，可根据问题的性质，选取下列公式之一计算。 （1） 相似系数法 ① 夹角余弦法 m ik jk ij x x r = ∑ ② 最大最小法 11 () () m ik jk k ij m ik jk k x x r x x ==∧= ∨∑∑。 ③ 算术平均最小法

图像分割中模糊聚类数目的确定

１６４计算机技术与发展第１７卷 一定的规则把模糊聚类划分转化为确定性的分类。 ４实验结果及分析 实验是在ＷｉｎＸｐ＋Ｍａｔｌａｂ６．５的平台上进行的。ＣＰＵ：ｐ４Ｉ８Ｇ＋内存：７６８Ｍ。 实验对图２进行加均值为０，方差为Ｏ．００５的高斯噪声，显示如图３所示。再针对２幅图做实验。 图２实验原图图３加噪后的图 实验一：对图２进行分 析，从图上可以很容易地分 辨出该图应该被分为３类， 图４（ａ）就是对图２的灰度 直方图处理。由于受到边 缘信息和各类问的互相重 叠，不可区分。在灰度４０ 到１２０的波峰和波谷很难 区别。而运用梯度和灰度 的二维直方图就除了灰度 信息更添加了梯度信息，图 ４（ｂ）只显示了梯度小于３０ 的点。其实就是把原来的 灰度直方图的像素点的出 现频率沿梯度做分摊，越处 于边缘处相关度越小，被分 的越厉害，更加显现是波 谷。处于目标内部相关度 越高，被分的越小，更加显 现是波峰。如图４（ｃ）所示， 波谷与波峰的差更明显。 峰值，并进行聚类方法的图像分割。聚类结果如表１所示。对没有处理的直方图，它的聚类数月会受噪声和边界的均匀过渡的影响，使类数或多或或少。这将直接影响后面的图像分割。 表１原图和加噪后图像的聚类数目和各类的类峰 毒熬燮峰值 隅像娄数ｃ 蹦４（ａ）：直接直方日１２２ 图４（ｅ）：投影后直古圉４０ 图５（ａ）：加噪匿的直方图 图５（ｃ）：加噪图的直方图５３１１５ ５结论 图像分割是计算机视觉研究的重要方面，但图像分割一直是一个难题。文中运用模糊聚类，而聚类数 图４原始图像的处理过程与比较 ３橼龋吨亟直翼篷 ０１０。２００ ３栅｛后一罐蠹专瞄 图５加噪后的处理过程与比较 已经不再有灰度在４０到１２０之间峰谷很难分的情况。 实验二：对图３滤波去噪再求出其直方图，如图５（ａ）所示。此时只是明显地显示单峰了。再用同样的方法求出梯度和灰度的二维直方图，如图５（ｂ）所示，再投影得到如图５（ｃ）所示的直方图，从图中可以明显地看出经过这样处理后的直方图显现的是３峰。 实验三：分别对直接的直方图和处理后直方图运用该文的聚类数目的自动确定方法进行出聚类数和类 目是完全自动确定的，使模糊聚类完全实现了无监督化。通过一维商方图，用高斯模板对一维直方图进行卷积，去除噪声。再用峰值的数日作为ＦＣＭ的聚类数目，但简单的卷积去噪，不能去除局部的最大值，效果也不是很好，很容易分割过细，机器叉十分耗时，而且无法辨认。而文中就添加了一个梯度信息，增加了背景与目标问的空白区域，使波峰和波谷的区分度更高。同时在梯度和灰度的二维直方图抛弃掉梯度比较大的 （下转第１８０页） 热 ！盆 帕 ５ ｏ

模糊C均值聚类算法在图像分割中的应用

模糊C均值聚类算法在图像分割中的应用 【摘要】由于在大多数图像分割场合，不可能清楚知道图像中的各个物体位置，因此在一定意义上图像分割可以作为一个聚类问题来解决。并且由于图像具有的模糊和不均匀性，因而模糊C均值聚类技术在图像分割中得到成功的应用。本文对标准模糊C均值聚类分割算法进行了简单的介绍，采用了一种结合空间信息的快速模糊C均值聚类分割算法。 关键词：图像分割，模糊聚类算法，模糊C均值聚类算法 1、模糊聚类算法 传统的聚类方法在划分对象时是硬性的，对象归属哪一类是明确的，不能同时属于两个或者多个类别。换句话说，每一个对象与最终的类别是一一对应的，不会出现一个元素分属多个类的情况，类与类之间有着严格的界限。自然世界中的事物都存在模糊性，没有“非此即彼”的严格界限，一个事物与多个类别都相关的情况是十分正常的。因此，要精确地表示这种复杂的关系就需要对这种“亦此亦彼”的性质进行描述。与硬性的聚类划分相比，模糊聚类将模糊集合理论引入到聚类算法中，利用模糊数学对处理事物之间模糊关系的精确描述，能更好地解决了现实世界中的实际问题。 模糊聚类算法用数学的方法描述了对象与不同类别之间的隶属关系，打破了严格的类别界限，建立起样本对于类别的不确

定性的描述，实现了聚类问题的软划分。隶属度是样本类属模糊性的度量，隶属度的大小用来区分对象隶属于不同类别的差异程度。使用模糊聚类算法来对数据对象集合进行划分需要构造模糊分类矩阵。 模糊聚类算法多种多样，随着对模糊聚类的研究，模糊聚类算法不断发展和改进。其中，基于模糊关系和目标函数是最常见的两类，前者出现较早，对对象集合的大小有局限性，后者以其简便、通用性高、容易实现等优势逐渐成为各个领域最流行的模糊聚类方法。神经网络的发展也为模糊聚类分析注入了新的活力，尤其是提高了方法的效率，因此这类方法受到了各国研究者的重视。 2.模糊C均值聚类算法在图像分割中的应用 模糊C 均值聚类算法(Fuzzy C-means，FCM)是一种经典的模糊聚类算法，它是从硬C 均值聚类算法(Hard C-means，HCM)改进优化而来的。模糊集合理论出后，1969 年RusPini在自己的文章中阐述了模糊划分这一概念，并给出了硬聚类算法的原理，Dunn 提出了模糊聚类算法，此后各国的研究者利用这一概念，通过对目标函数进行优化提出了多种聚类方法。Bezdek通过改进模糊聚类算法提出了模糊C 均值聚类理论。模糊C 均值聚类算法属于基于目标函数的模糊聚类算法的范畴，即基于目标函数的非线性迭代最优化方法，依据最小二乘原理，通过计算目标函数的均方差，得出每个数据点对类中心的隶属程度和目标函数的最

聚类分析原理及步骤

1、什么是聚类分析 聚类分析也称群分析或点群分析，它是研究多要素事物分类问题的数量方法，是一种新兴的多元统计方法，是当代分类学与多元分析的结合。其基本原理是，根据样本自身的属性，用数学方法按照某种相似性或差异性指标，定量地确定样本之间的亲疏关系，并按这种亲疏关系程度对样本进行聚类。 聚类分析是将分类对象置于一个多维空问中，按照它们空问关系的亲疏程度进行分类。 通俗的讲，聚类分析就是根据事物彼此不同的属性进行辨认，将具有相似属性的事物聚为一类，使得同一类的事物具有高度的相似性。 聚类分析方法，是定量地研究地理事物分类问题和地理分区问题的重要方法，常见的聚类分析方法有系统聚类法、动态聚类法和模糊聚类法等。 2、聚类分析方法的特征 （1）、聚类分析简单、直观。 （2）、聚类分析主要应用于探索性的研究，其分析的结果可以提供多个可能的解，选择最终的解需要研究者的主观判断和后续的分析。 （3）、不管实际数据中是否真正存在不同的类别，利用聚类分析都能得到分成若干类别的解。 （4）、聚类分析的解完全依赖于研究者所选择的聚类变量，增加或删除一些变量对最终的解都可能产生实质性的影响。 （5）、研究者在使用聚类分析时应特别注意可能影响结果的各个因素。 （6）、异常值和特殊的变量对聚类有较大影响，当分类变量的测量尺度不一致时，需要事先做标准化处理。 3、聚类分析的发展历程 在过去的几年中聚类分析发展方向有两个：加强现有的聚类算法和发明新的聚类算法。现在已经有一些加强的算法用来处理大型数据库和高维度数据，例如小波变换使用多分辨率算法，网格从粗糙到密集从而提高聚类簇的质量。 然而，对于数据量大、维度高并且包含许多噪声的集合，要找到一个“全能”的聚类算法是非常困难的。某些算法只能解决其中的两个问题，同时能很好解决三个问题的算法还没有，现在最大的困难是高维度(同时包含大量噪声)数据的处理。 算法的可伸缩性是一个重要的指标，通过采用各种技术，一些算法具有很好的伸缩

基于聚类的图像分割方法综述

信息疼术2018年第6期文章编号=1009 -2552 (2018)06 -0092 -03 DOI：10.13274/https://www.wendangku.net/doc/fb8610742.html,ki.hdzj.2018. 06.019 基于聚类的图像分割方法综述 赵祥宇\陈沫涵2 (1.上海理工大学光电信息与计算机学院，上海200093; 2.上海西南位育中学，上海200093) 摘要：图像分割是图像识别和机器视觉领域中关键的预处理操作。分割理论算法众多，文中 具体介绍基于聚类的分割算法的思想和原理，并将包含的典型算法的优缺点进行介绍和分析。经过比较后，归纳了在具体应用中如何对图像分割算法的抉择问题。近年来传统分割算法不断 被科研工作者优化和组合，相信会有更多的分割新算法井喷而出。 关键词：聚类算法；图像分割；分类 中图分类号：TP391.41 文献标识码：A A survey of image segmentation based on clustering ZHAO Xiang-yu1，CHEN Mo-han2 (1.School of Optical Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China；2.Shanghai Southwest Weiyu Middle School，Shanghai200093，China) Abstract:Image segmentation is a key preprocessing operation in image recognition and machine vision. There are many existing theoretical methods,and this paper introduces the working principle ol image segmentation algorithm based on clustering.Firstly,the advantages and disadvantages ol several typical algorithms are introduced and analyzed.Alter comparison,the paper summarizes the problem ol the selection ol image segmentation algorithm in practical work.In recent years,the traditional segmentation algorithms were improved and combined by the researchers,it believes that more new algorithms are blown out. Key words:clustering algorithm；image segmentation；classilication 0引百 近年来科学技术的不断发展，计算机视觉和图像 识别发挥着至关重要的作用。在实际应用和科学研 究中图像处理必不可少,进行图像处理必然用到图像 分割方法,根据检测图像中像素不重叠子区域，将感 兴趣目标区域分离出来。传统的图像分割方法:阈值 法[1]、区域法[2]、边缘法[3]等。近年来传统分割算法 不断被研究人员改进和结合，出现了基于超像素的分 割方法[4]，本文主要介绍超像素方法中基于聚类的经 典方法，如Mean Shift算法、K-m eans 算法、Fuzzy C-mean算法、Medoidshilt算法、Turbopixels算法和 SLIC 算法。简要分析各算法的基本思想和分割效果。 1聚类算法 1.1 Mean Shil't算法 1975年,Fukunaga[5]提出一种快速统计迭代算法，即Mean Shilt算法（均值漂移算法）。直到1995 年,Cheng[6]对其进行改进，定义了核函数和权值系 数，在全局优化和聚类等方面的应用，扩大了 Mean shil't算法适用范围。1997至2003年间，Co-maniciu[7-9]提出了基于核密度梯度估计的迭代式 搜索算法,并将该方法应用在图像平滑、分割和视频 跟踪等领域。均值漂移算法的基本思想是通过反复 迭代计算当前点的偏移均值，并挪动被计算点，经过 反复迭代计算和多次挪动，循环判断是否满足条件, 达到后则终止迭代过程[10]。Mean shil't的基本形 式为： 收稿日期：2017-06 -13 基金项目：国家自然科学基金资助项目（81101116) 作者简介：赵祥宇（1992-)，男，硕士研究生，研究方向为数字图像处理。 —92 —

几种聚类算法在图像分割中的应用研究

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/fb8610742.html, 几种聚类算法在图像分割中的应用研究 作者：苗欣雨 来源：《科教导刊·电子版》2015年第19期 摘要本文具体介绍了图像分割中几种聚类算法的工作原理。通过对比，分析了几种算法的优缺点，总结了在实际工作中对算法的选择问题。 关键词聚类算法图像分割均值漂移 K均值聚类 中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 通常在分析以及使用图像时，人们需要的不是整幅图像而仅仅是其中的某些目标。图像分割就是把需要的部分分割出来，再进一步分析处理图像。每个图像都有它独有的特点，对图像进行分割时要想达到预期的结果就必须选择合适的算法，由此可见对算法的研究是很关键也很必要的。目前常用的几种分割方法有k均值聚类算法、模糊c均值算法、均值漂移算法等。 1聚类算法 1.1均值漂移算法 均值漂移（Mean Shift）算法是一种有效的统计迭代算法。均值漂移的算法原理是，在样本中随机选择一圆心为o，半径为h的区域，得出这个区域中所有样本点的平均值，圆心处的样本密度必然比均值处的样本密度小或者相等，将均值定为新的圆心重复以上步骤，直到收敛到密度极大值点。 1.2 K均值聚类算法 k均值聚类由于其原理简单而使用很广泛。该算法的工作原理是，首先将n个样本分为k 个组，在每组中随机选择一个元素当作聚类中心。然后得到其他采样点到这个中心的欧氏距离，把采样点归类到与之欧氏距离最小的聚类中心所在的类中。计算新形成的聚类中采样点的平均值，得到新的聚类中心。重复上述过程，直到每个样本都分类正确为止。 1.3模糊C均值聚类算法 模糊C均值是为解决实际应用问题对K均值进行改进得来的。在实际应用中图像目标在类别属性方面没有那么严格的区分。所以想出利用隶属度来判断每个目标样本的所属，来更好的划分。模糊C均值聚类的具体工作原理是，算法将n个样本分为c个组，得到各个组的聚类中心，最终让非相似性指标的目标函数达到最小。算法给各个样本点赋予0～1之间的隶属度，通过隶属度的值来判断样本归属于各个分类的程度。同时有规定一个样本的隶属度加和后值为一。

模糊聚类分析

四 模糊聚类分析方法 模糊聚类分析，是从模糊集的观点来探讨事物的数量分类的一类方法。这里将主要介绍基于模糊等价关系与基于最大模糊支撑树的模糊聚类分析方法。 一、基于模糊等价关系的模糊聚类分析方法 基于模糊等价关系的模糊聚类分析方法的基本思想是：由于模糊等价关系~R 是论域集U 与自己的直积U U ?上的一个模糊子集，因此可以对~ R 进行分解，当用λ-水平对~R 作截集时，截得的U U ?的普通子集~ R λ就是U 上的一个普通等价关系，也就得到了关于U 中被分类对象元素的一种分类。当λ由1下降到0时，所得的分类由细变粗，逐渐归并，从而形成一个动态聚类谱系图。由此可见，分类对象集U 上的模糊等价关系~ R 的建立是这种聚类分析方法中的一个关键性的环节。(一)建立模糊等价关系 为了建立分类对象集合U 上的模糊等价关系R *，通常需要首先计算各个 分类对象之间的相似性统计量，建立分类对象集合U 上的模糊相似关系~R 。1.模糊相似关系的建立关于各分类对象之间相似性统计量r ij 的计算，除了 采用夹角余弦公式和相似系数计算公式以外，还可以采用如下几个计算公式。(1)数量积法： 在(1)式中，M 是一个适当选择之正数，一般而言，它应满足： (2)绝对值差数法： 在(2)式中，c 为适当选择之正数，使0≤r ij ＜1(i≠j)。 (3)最大最小值法： (4)算术平均最小法： (5)绝对值指数法：

(6)指数相似系数法： 在(6)式中，s k 是第k 个指标的方差，即 2 将模糊相似关系~R 改造为迷糊等价关系~R *。由于模糊相似关系~ R 满足自反性和对称性，但一般而言，它并不满足传递性，也就是说它并不是模糊等价关系。因此，为了聚类，我们必须采用传递闭合的性质将这种模糊相似关系~ R 改造为模糊等价关系~R *。改造的办法是将~ R 自乘，即这样下去，就必然会存在一个自然数K ，使得： 这时，~~ k R R *=便是一个模糊等价关系了。 (二)在不同的截集水平下进行聚类 用上述模糊等价关系~ R *，在不同的截集水平下聚类，可以得到不同的聚类结果： 二、基于最大模糊支撑树的模糊聚类分析方法 除了依据模糊等价关系进行聚类分析外，还可以应用最大模糊支撑树进行聚类分析。基于最大模糊支撑树的聚类分析过程，可按如下步骤进行。第一步：建立分类对象集上的模糊相似关系，构造模糊图。这一步骤的工作可按如下作法进行： 计算各个分类对象之间的相似性统计量r ij (i ，j=1，2，…，m)，建 立分类对象集U 上的模糊相似关系~ ()ij m n R r ?=。将~ R 表示成一个由m 个结点所构成的模糊图G=(V,E),使G 中的任意两个结点V i 与V j 之间都有一条边相连结，且赋该边的权值为r ij 。假若，对于某五个地理区域所构成的分类对象集合V=｛v 1，v 2，v 3，v 4，v 5｝， 经过选择聚类要素并对其原始数据进行标准化处理后，计算各分类对象之间的相似性统计量，得到如下的模糊相似关系