python实现匈牙利匹配

简介: 现在针对某个项目,利用python实现DBSCAN和Kmeans算法。项目简介:利用某传感器可以采集场景中的点云,每一帧都可以采集数量不等的点(x,y,z)。想要利用DBSCAN和Kmeans对点云进行无监督式的聚类,并利用匈牙利匹配对不同帧的点云簇进行匹配,从而实现跟踪效果。项目备注:这是别人拜托我来写的,我花了一点点时间。从我的角度,这种方法解决该项目,简直是胡扯。。。不过,项目和人不靠谱,并不影响代码的有效性,权当一种消遣。#数据格式点云数据用csv格式文件存储,格式如下:第1行 Frame # | X | Y | Z第2行 1 -0.4 1.04 0.11第100行 1 15.4 7.

现在针对某个项目,利用python实现DBSCAN和Kmeans算法。项目简介:利用某传感器可以采集场景中的点云,每一帧都可以采集数量不等的点(x,y,z)。想要利用DBSCAN和Kmeans对点云进行无监督式的聚类,并利用匈牙利匹配对不同帧的点云簇进行匹配,从而实现跟踪效果。项目备注:这是别人拜托我来写的,我花了一点点时间。从我的角度,这种方法解决该项目,简直是胡扯。。。不过,项目和人不靠谱,并不影响代码的有效性,权当一种消遣。#数据格式点云数据用csv格式文件存储,格式如下:第1行 Frame # | X | Y | Z第2行 1 -0.4 1.04 0.11第100行 1 15.4 7.45 0.16第101行 2 89.3 4.78 3.65第114行 2 34.4 6.04 0.56.........这里不贴出数据,有关数据部分的代码,可以调整为你自己所需的格式。

#DBSCAN算法代码

  • 实现功能:对点云进行DBSCAN聚类,并得到每一次聚类的点云簇的个数

加载所需的库

import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.cluster import DBSCAN  
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

从数据中不断按帧数来读取数据,从frame_start读,最多不能超过frame_end,直到读取点的数量达到num_threshold后停止。可以理解为,自适应地读取一定数量的点云,从而使得点云总数拓充到一个可以聚类的程度。

def adaption_frame(data, frame_start, frame_end, num_threshold=1000): 
    data_x = []
    data_y = []
    data_z = []
    for i in range(frame_start, frame_end):
        target_frame = i  # 替换为你想要读取的Frame值
        
        # 筛选出指定Frame值的点云数据
        table_data = data[data['Frame #'] == target_frame]
        x_arr = table_data['X'].values
        data_x = np.concatenate((data_x, x_arr), axis=0)
        y_arr = table_data['Y'].values
        data_y = np.concatenate((data_y, y_arr), axis=0)  
        z_arr = table_data['Z'].values
        data_z = np.concatenate((data_z, z_arr), axis=0)  
        
        if data_x.shape[0] > num_threshold:
            break
    return data_x, data_y, data_z

利用坐标值,简单的对点云进行去噪

def valid_data(data_x, data_y, data_z):
    # 创建一个布尔数组,检查每个元素是否在 -2 到 2 之间  
    # 使用 & 操作符来确保 A、B、C 的对应元素都满足条件  
    condition = (data_x >= -5) & (data_x <= 5) & (data_y>= -5) & (data_y <= 5) & (data_z >= -5) & (data_z <= 5)  
    # 使用布尔数组来索引 A、B、C,过滤出满足条件的元素  
    data_x_valid = data_x[condition]  
    data_y_valid = data_y[condition]  
    data_z_valid = data_z[condition]  
    # 输出新的数组大小  
#     print("x valid shape:", data_x_valid.shape)  
#     print("y valid  shape:", data_y_valid.shape)  
#     print("z valid  shape:", data_z_valid.shape)
    
    return data_x_valid, data_y_valid, data_z_valid

用于点云的绘图

def draw_data_origin(data_x, data_y, data_z):
    # 创建3D绘图
    fig = plt.figure()
    ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')
    # 绘制点云
    ax.scatter(data_x, data_y, data_z, s=0.1)  # s控制点的大小
    
    # 设置轴标签
    ax.set_xlabel('X')
    ax.set_ylabel('Y')
    ax.set_zlabel('Z')
    ax.set_title(f'Point Cloud at Frame {1}')
    # 显示图形
    plt.show()

DBSCAN代码

def dbscan(data_x, data_y, data_z):
    # 将 X, Y, Z 合并成一个二维数组  
    data_input = np.column_stack((data_x, data_y, data_z))  
    # 标准化数据(对于许多聚类算法来说,标准化是一个好习惯)  
    scaler = StandardScaler()  
    data_scaled = scaler.fit_transform(data_input)  
    # 初始化 DBSCAN,这里 eps 和 min_samples 是两个重要的参数,需要根据数据特性进行调整  
    # eps 是邻域的半径大小,min_samples 是成为核心对象所需的最小邻居数  
    dbscan = DBSCAN(eps=0.3, min_samples=5)  
    # 进行聚类  
    labels = dbscan.fit_predict(data_scaled)  
    # 计算不同标签的数量,即点簇的个数  
    num_clusters = len(set(labels)) - (1 if -1 in labels else 0)  
    return num_clusters, labels,

对每一次的聚类结果,按照点数大小降序排列。例如:某次聚类结果分为了3类,label为2的点云簇点云数为100,label为2的点云簇点云数为30,label为3的点云簇点云数为50。结果就是对他们进行降序排列。

def order_cluster(clusters_num, labels):    
    unique_labels, inverse_indices = np.unique(labels, return_inverse=True)  
    print(unique_labels.shape)
    print(inverse_indices.shape)
    # 使用 numpy.bincount 统计每个标签出现的次数  
    
    counts = np.bincount(inverse_indices) 
    # 按照出现次数降序排列  
    sorted_indices = np.argsort(counts)[::-1]  # 获取降序排列的索引  
    sorted_labels = unique_labels[sorted_indices]  # 根据索引重新排列标签  
    sorted_counts = counts[sorted_indices]  # 根据索引重新排列计数  
    # 打印结果  
    for label, count in zip(sorted_labels, sorted_counts):  
        print(f"类别 {label}: {count} 次")
    
    A = []
    for i in range(unique_labels.shape[0]):
        # 首先找到个数最多的标签  
        most_common_label = sorted_labels[i]  
        # 然后找到这个标签在原始 labels 数组中的位置  
        positions_most_common = np.where(labels == most_common_label)[0]  
        
        A.append(positions_most_common)
    return A

第一次的聚类结果,需要进行特殊的处理。认为点云数量超过human_size,才可以成为一个有效簇。用这种方式得到第一次聚类结果,存在多少个有效簇,并返回最小簇的点云数。

def getFirstJudge(clusters_num, labels_order, human_size):
    num = 0
    for i in range(clusters_num):
        size = labels_order[i].shape[0]
        if size > human_size:
            num = num + 1
            points_num_min = size
    return num, points_num_min

每一次的聚类结果进行处理。如果这一次的聚类结果,有某一次的点云簇点云数大于上一次的最小点数,认为簇的个数可以增加;否则更新最新的最小簇代表的点云个数。

def adaption_cluster(clusters_num, labels_order, num_last, points_num_min, human_size):
    print("上一帧个数:" + str(num_last)+ " 最小的点簇:"+str(points_num_min))
    for i in range(clusters_num):
        shape = labels_order[i].shape
        if i <= num_last-1:
            if labels_order[i].shape[0] < human_size:
                num_last = i + 1
                break
            else:
                points_num_min = labels_order[i].shape
        else:
            if labels_order[i].shape[0] > human_size:
                num_last = num_last + 1
                points_num_min = labels_order[i].shape
            else:
                break;
    return num_last, points_num_min

主函数的实现流程:1.读取数据2.积累一定帧数的点云,随后聚类3.对每一次的聚类结果,进行处理

if __name__ == "__main__":
    # 参数
    human_size = 100
    csv_file = 'data/1.csv'  # 替换为你的CSV文件名
    
    data = pd.read_csv(csv_file)
    frame_start = data['Frame #'][0]
    frame_end = data['Frame #'][data['Frame #'].shape[0]-1]
    
    for i in range(100000):
        frame_start = data['Frame #'][i]
        if frame_start < frame_end:
            break
    print(frame_start)
    print(frame_end)
#     frame_start = 0
#     frame_end = 120
    
    num_last = 0       # 上一帧的人数
    points_num_min = 0 # 满足此个数才是一个人
    
    flag = 0
    
    for i in range(frame_start, frame_end):
        data_x, data_y, data_z = adaption_frame(data, frame_start, frame_end, num_threshold=1000)
        data_x, data_y, data_z = valid_data(data_x, data_y, data_z)
        clusters_num, labels = dbscan(data_x, data_y, data_z)
        # draw_data_origin(data_x, data_y, data_z)
        # 使用 numpy.unique 获取唯一标签和它们在原始数组中的索引  
        
        labels_order = order_cluster(clusters_num, labels)
        print(labels_order[0].shape)
        print(labels_order[1].shape)
        
        if flag == 0:
            num_last, points_num_min = getFirstJudge(clusters_num, labels_order, human_size)
            flag = 1
        else:
            num_last, points_num_min = adaption_cluster(clusters_num, labels_order, num_last, points_num_min, human_size)
        print("第 "+str(frame_start) + " 帧有 :" + str(num_last)+" 个人")
        if frame_start + 10 > frame_end:
            break
        else:
            frame_start = frame_start + 1

#Kmeans算法代码实现功能:设定K值,对点云进行Kmeans聚类,

加载所需的包

import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.cluster import DBSCAN  
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.cluster import KMeans  
from scipy.optimize import linear_sum_assignment  
from scipy.spatial.distance import cdist

以下代码同之前的DBSCAN一样,在这里不赘述

def adaption_frame(data, frame_start, frame_end, num_threshold=1000): 
def valid_data(data_x, data_y, data_z):
def draw_data_origin(data_x, data_y, data_z):
def dbscan(data_x, data_y, data_z):
def order_cluster(clusters_num, labels):
def getFirstJudge(clusters_num, labels_order, human_size):
def adaption_cluster(clusters_num, labels_order, num_last, points_num_min, human_size):

Kmeans进行聚类

def cluster_kmeans(value, data_x, data_y, data_z):
    data_x = data_x.reshape(-1, 1)
    data_y = data_y.reshape(-1, 1)
    data_z = data_z.reshape(-1, 1)
    # 将三个数组组合成一个(n, 3)的点云数组  
    points = np.hstack((data_x, data_y, data_z))  
    kmeans = KMeans(n_clusters=value, random_state=0).fit(points)  
    
    return kmeans

从聚类结果中,提取一些特征,用做之后的匈牙利匹配。这里,提取了三个特征:点云簇的均值、点云数、以及点云排序id

def extract_feature(K, labels_order, data_x, data_y, data_z):
    features = []
    
    for i in range(K):
        one_feature = []
        data_x_k = data_x[labels_order[i]]
        data_y_k = data_y[labels_order[i]]   
        data_z_k = data_z[labels_order[i]]   
#         print(data_x_k.shape)
#         print(data_y_k.shape)
#         print(data_z_k.shape)
        
        x_mean = np.mean(data_x_k, axis=0)
        y_mean = np.mean(data_y_k, axis=0)
        z_mean = np.mean(data_z_k, axis=0)
        cluster_mean = np.hstack((x_mean, y_mean, z_mean))
        
        cluster_points_size = labels_order[i].shape
        
        one_feature.append(cluster_mean)
        one_feature.append(cluster_points_size)
        one_feature.append(i)
        features.append(one_feature)
        
    return features

用提取的特征进行匈牙利匹配

def hungarian_match(features_last, features_now):
    # 提取点云中心和点云数  
    centers_last = np.array([a[0] for a in features_last])  
    counts_last = np.array([a[1][0] for a in features_last])  
    centers_now = np.array([b[0] for b in features_now])  
    counts_now = np.array([b[1][0] for b in features_now])  
    
    # 计算点云中心之间的欧氏距离  
    distance_matrix = cdist(centers_last, centers_now)  
    # 定义基于点云数和距离的成本函数  
    # 这里我们简单地使用距离的倒数和点云数差异的绝对值作为成本  
    # 你可能需要根据你的具体需求来调整这个成本函数  
#     cost_matrix = 1.0 / distance_matrix + np.abs(counts_last[:, np.newaxis] - counts_now)  
    cost_matrix = np.abs(counts_last[:, np.newaxis] - counts_now) + distance_matrix * 10
    
    # 应用匈牙利算法找到最小成本匹配
    row_ind, col_ind = linear_sum_assignment(cost_matrix)  
    
    # 打印匹配结果  
    matches = [(features_last[row_ind[i]], features_now[col_ind[i]]) for i in range(len(row_ind))]  
    for match in matches:  
        print(f"Match: last={match[0][0]} (count={match[0][1][0]}), (label={match[0][2]}), now={match[1][0]} (count={match[1][1][0]}), (label={match[1][2]})")
                             
    return matches

主函数

if __name__ == "__main__":
    csv_file = 'data/2.csv'  # 替换为你的CSV文件名
    K = 2
    # 参数
    human_size = 100
    
    data = pd.read_csv(csv_file)
    frame_start = data['Frame #'][0]
    frame_end = data['Frame #'][data['Frame #'].shape[0]-1]
    
    for i in range(100000):
        frame_start = data['Frame #'][i]
        if frame_start < frame_end:
            break
    frame_start = 0
    frame_end = 120
    
    num_last = 0       # 上一帧的人数
    points_num_min = 0 # 满足此个数才是一个人
    
    flag = 0    
    features_last = []
    data_x_all= [[] for _ in range(K)]
    data_y_all = [[] for _ in range(K)]
    data_z_all = [[] for _ in range(K)]
    for i in range(frame_start, frame_end):
        data_x, data_y, data_z = adaption_frame(data, frame_start, frame_end, num_threshold=1000)
        data_x, data_y, data_z = valid_data(data_x, data_y, data_z)
        
        result_kmeans = cluster_kmeans(K, data_x, data_y, data_z)
        
        # 输出每个点的label  
        labels = result_kmeans.labels_
        
        labels_order = order_cluster(K, labels)
        
        features = extract_feature(K, labels_order, data_x, data_y, data_z)
        print(features)
        
        frame_start = frame_start + 1
        
        if flag == 0:
            features_last = features
            flag = 1
            
            continue
        else:
            
            matches = hungarian_match(features_last, features)
            
            for k in range(K):
                # 第一维代表匹配对数,第二维0代表features_last,1代表features
                # 第三维代表特征维度,第四维每个特征的参数
                data_x_all[k].extend(data_x[labels_order[matches[k][0][2]]])
                data_y_all[k].extend(data_y[labels_order[matches[k][0][2]]])
                data_z_all[k].extend(data_z[labels_order[matches[k][0][2]]])
#                 print(len(data_x_all[k]))
    
            features_last = features
    
    # 创建颜色列表,这里使用RGB颜色  
    colors = ['r', 'g', 'b']  # 红色、绿色、蓝色  
    # 创建一个3D图形  
    fig = plt.figure()  
    ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')  
    # 遍历每组数据并绘制  
    for k in range(K):  
        x = data_x_all[k]  
        y = data_y_all[k]  
        z = data_z_all[k]  
        color = colors[k % len(colors)]  # 使用循环颜色,以防K大于颜色数量  
        ax.scatter(x, y, z, c=color, label=f'Group {k+1}')  
    # 添加图例  
    ax.legend()  
    # 设置坐标轴标签  
    ax.set_xlabel('X')  
    ax.set_ylabel('Y')  
    ax.set_zlabel('Z')  
    # 显示图形  
    plt.show()

结果

以下就是匈牙利匹配后的结果。红色和绿色分别代表,经过匈牙利匹配后的点云簇,统一了时间维度画在一张图上的结果。如果需要,可以按照时间序列一步步来画,这样可以看到红色和绿色沿着各自的动线前进

相关文章
|
存储 JavaScript 前端开发
[oeasy]python0070_动态类型_静态类型_编译_运行_匈牙利命名法
[oeasy]python0070_动态类型_静态类型_编译_运行_匈牙利命名法
87 0
|
10天前
|
设计模式 开发者 Python
Python编程中的设计模式:工厂方法模式###
本文深入浅出地探讨了Python编程中的一种重要设计模式——工厂方法模式。通过具体案例和代码示例,我们将了解工厂方法模式的定义、应用场景、实现步骤以及其优势与潜在缺点。无论你是Python新手还是有经验的开发者,都能从本文中获得关于如何在实际项目中有效应用工厂方法模式的启发。 ###
|
1天前
|
Python
不容错过!Python中图的精妙表示与高效遍历策略,提升你的编程艺术感
本文介绍了Python中图的表示方法及遍历策略。图可通过邻接表或邻接矩阵表示,前者节省空间适合稀疏图,后者便于检查连接但占用更多空间。文章详细展示了邻接表和邻接矩阵的实现,并讲解了深度优先搜索(DFS)和广度优先搜索(BFS)的遍历方法,帮助读者掌握图的基本操作和应用技巧。
13 4
|
1天前
|
设计模式 程序员 数据处理
编程之旅:探索Python中的装饰器
【10月更文挑战第34天】在编程的海洋中,Python这艘航船以其简洁优雅著称。其中,装饰器作为一项高级特性,如同船上的风帆,让代码更加灵活和强大。本文将带你领略装饰器的奥秘,从基础概念到实际应用,一起感受编程之美。
|
3天前
|
存储 人工智能 数据挖掘
从零起步,揭秘Python编程如何带你从新手村迈向高手殿堂
【10月更文挑战第32天】Python,诞生于1991年的高级编程语言,以其简洁明了的语法成为众多程序员的入门首选。从基础的变量类型、控制流到列表、字典等数据结构,再到函数定义与调用及面向对象编程,Python提供了丰富的功能和强大的库支持,适用于Web开发、数据分析、人工智能等多个领域。学习Python不仅是掌握一门语言,更是加入一个充满活力的技术社区,开启探索未知世界的旅程。
13 5
|
1天前
|
机器学习/深度学习 JSON API
Python编程实战:构建一个简单的天气预报应用
Python编程实战:构建一个简单的天气预报应用
10 1
|
1天前
|
算法 Python
在Python编程中,分治法、贪心算法和动态规划是三种重要的算法。分治法通过将大问题分解为小问题,递归解决后合并结果
在Python编程中,分治法、贪心算法和动态规划是三种重要的算法。分治法通过将大问题分解为小问题,递归解决后合并结果;贪心算法在每一步选择局部最优解,追求全局最优;动态规划通过保存子问题的解,避免重复计算,确保全局最优。这三种算法各具特色,适用于不同类型的问题,合理选择能显著提升编程效率。
15 2
|
3天前
|
人工智能 数据挖掘 开发者
探索Python编程:从基础到进阶
【10月更文挑战第32天】本文旨在通过浅显易懂的语言,带领读者从零开始学习Python编程。我们将一起探索Python的基础语法,了解如何编写简单的程序,并逐步深入到更复杂的编程概念。文章将通过实际的代码示例,帮助读者加深理解,并在结尾处提供练习题以巩固所学知识。无论你是编程新手还是希望提升编程技能的开发者,这篇文章都将为你的学习之旅提供宝贵的指导和启发。
|
8天前
|
数据处理 Python
从零到英雄:Python编程的奇幻旅程###
想象你正站在数字世界的门槛上,手中握着一把名为“Python”的魔法钥匙。别小看这把钥匙,它能开启无限可能的大门,引领你穿梭于现实与虚拟之间,创造属于自己的奇迹。本文将带你踏上一场从零基础到编程英雄的奇妙之旅,通过生动有趣的比喻和实际案例,让你领略Python编程的魅力,激发内心深处对技术的渴望与热爱。 ###
|
11天前
|
数据采集 机器学习/深度学习 人工智能
Python编程入门:从基础到实战
【10月更文挑战第24天】本文将带你进入Python的世界,从最基础的语法开始,逐步深入到实际的项目应用。我们将一起探索Python的强大功能和灵活性,无论你是编程新手还是有经验的开发者,都能在这篇文章中找到有价值的内容。让我们一起开启Python的奇妙之旅吧!