Python機(jī)器視覺編程常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與示例

本文總結(jié)了使用Python進(jìn)行機(jī)器視覺（圖像處理）編程時(shí)常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要包括以下內(nèi)容：

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

序列操作：索引(indexing)、分片(slicing)、加(adding)、乘(multipying)等

列表：創(chuàng)建、list函數(shù)、基本操作：賦值、刪除、分片賦值、插入、排序等

元組：創(chuàng)建、tuple函數(shù)、基本操作

NumPy數(shù)組：創(chuàng)建數(shù)組、創(chuàng)建圖像、獲取形狀、維度、元素個(gè)數(shù)、元素類型、訪問像素、通道分離、使用mask

1. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過某種方式（例如對(duì)元素進(jìn)行編號(hào)）組織在一起的數(shù)據(jù)元素的集合，這些數(shù)據(jù)元素可以是數(shù)字或者字符，甚至可以是其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在Python中最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是序列(sequence)。序列中每個(gè)元素被分配一個(gè)序號(hào)——即元素的位置，也稱為索引(index)，第一個(gè)元素的索引是0，第二個(gè)是1，以此類推。

python包含6種內(nèi)建序列，最常用的兩種類型是：列表和元組。列表和元組的主要區(qū)別在于列表可以修改，元組不可以修改。而用于處理圖像的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)組，由于Python標(biāo)準(zhǔn)庫中的內(nèi)建數(shù)組只能處理一維數(shù)組并且提供的功能較少，因此做編程時(shí)常使用NumPy模塊的array()數(shù)組表示圖像，并進(jìn)行各類處理。

2. 通用序列操作
所有序列都可以進(jìn)行某些特定操作，包括：索引(indexing)、分片(slicing)、加(adding)、乘(multipying)以及檢查某個(gè)元素是否屬于序列成員（成員資格），除此之外，python還有計(jì)算序列長度、找出最大元素和最小元素的內(nèi)建函數(shù)。

（1）索引
序列中所有元素的編號(hào)都是從0開始遞增。
>>>greeting = 'Hello'
>>>greeting[0]
'H'
>>>greeting[1]
'e'

所有序列都可以通過這種方式獲取元素。最后一個(gè)元素的編號(hào)是-1
>>>greeting[-1]
'o'

如果一個(gè)函數(shù)調(diào)用返回一個(gè)序列，則可以直接對(duì)返回序列進(jìn)行索引操作
>>>fourth = raw_input('Year: ')[3]
Year: 2016
>>>fourth
6

（2）分片
使用分片操作來方位一定范圍內(nèi)的元素。分片通過冒號(hào)隔開兩個(gè)索引來實(shí)現(xiàn)。
>>>tag='Python web site'
>>>tag[9:30]
'"http://www.python.org '
>>>numbers=[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]
>>>numbers[3:6]
[4,5,6]
>>>numbers[0:1]
[1]

注意索引邊界：第1個(gè)索引的元素包含在分片內(nèi)，第2個(gè)索引的元素不在分片內(nèi)，如果要索引最后一個(gè)元素
>>>numbers[-3:]
[8,9,10]
>>>print numbers[-1:]
[10]

這種方法同樣適用于序列開始的元素：
>>>numbers[:3]
[1,2,3]

如果需要復(fù)制整個(gè)序列，可以將兩個(gè)索引都置空：
>>>numbers[:]
[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]

我們還可以使用第三個(gè)參數(shù)設(shè)置分片的步長，下面代碼為從numbers序列中選出從0到10，步長為2的元素
>>>numbers[0:10:2]
[1,3,5,7,9]

如果要將每4個(gè)元素中的第1個(gè)提取出來可以這樣寫
>>>numbers[::4]
[1,5,9]

步長為負(fù)數(shù)將向左提取元素，當(dāng)使用負(fù)數(shù)作為步長時(shí)開始的點(diǎn)的索引必須大于結(jié)束點(diǎn)的索引
>>>number[8:3:-1]
[9,8,7,6,5]
>>>numbers[10:0:-2]
[10, 8, 6, 4, 2]

（3）序列相加
使用+運(yùn)算符可以進(jìn)行序列的連接操作：
>>>[1,2,3] + [4,5,6]
[1,2,3,4,5,6]
>>>'Hello, ' + 'world!'
'Hello, world!'

注意同種類型的序列才能連接到一起，列表和字符串是無法連接的。

（4）乘法
數(shù)字x乘以序列會(huì)生成新的序列。新序列中，原來的序列將被重復(fù)x次
>>>'pyhton' * 5
'pyhtonpyhtonpyhtonpyhtonpyhton'
>>>[42]*10
[42,42,42,42,42,42,42,42,42,42]

（5）None空列表和初始化
空列表可以通過兩個(gè)中括號(hào)中間什么都不寫表示[]

如果想創(chuàng)建一個(gè)占用 10個(gè)元素空間，卻不包括任何有用內(nèi)容的列表，可以用：
>>>[0]*10

None是一個(gè)Python的內(nèi)建值，它的確切含義是這里什么都沒有。
>>>[None]*10

（6）成員資格in
為了檢查一個(gè)值是否在列表中，可以使用in運(yùn)算符，返回布爾值真或假：
>>>permission = 'rw'
>>>'w' in permission
True
>>>'x' in permission
False

下面的例子，檢查用戶名和PIN碼：
database = [
['albert', '1234'],
['dilbert','4242'],
['smith', '7524'],
['jones', '9843']
]
username = raw_input('User name: ')
pin = raw_input('PIN code: ')
if [username,pin] in database:
print 'Access granted'

運(yùn)行結(jié)果：

User name: jones

PIN code: 9843

Access granted

（7）長度、最小值和最大值
內(nèi)建函數(shù)len,min,max
>>>numbers[100,34,678]
>>>len(numbers)
3
>>>max(numbers)
678
>>>min(numbers)
34
>>>max(2,3)
3
>>>min(2,3,4,5)
2

3. 列表

（1）list函數(shù)
因?yàn)樽址荒芟窳斜硪粯有薷?，所以有時(shí)候根據(jù)字符串創(chuàng)建列表很有用
>>>list('Hello')
['H','e','l','l','o']

list適用于所有類型的序列，而不只是列表。

（2）列表基本操作
元素賦值
>>>x=[1,1,1]
>>>x[1]=2
>>>x
[1,2,1]

刪除元素
>>>x=[1,2,3]
>>>del x[1]
>>>x
[1,3]

del也可刪除其他元素，甚至是變量。
分片賦值
>>>name=list('Perl')
>>>name
['P','e','r','l']
>>>name[2:]=list('ar')
>>>name
['P','e','a','r']

通過分片賦值插入元素和刪除元素
>>>numbers=[1,5]
>>>numbers[1:1]=[2,3,4]
>>>numbers
[1,2,3,4,5]
>>>numbers[1:4]=[]
>>>numbers
[1,5]

（3）列表方法
列表方法的使用：對(duì)象.方法（參數(shù)）

append 在列表末尾追加
>>>a = [1,2,3]
>>>a.append['4']
>>>a
[1,2,3,4]

count 統(tǒng)計(jì)某個(gè)元素在列表中出現(xiàn)的次數(shù)
>>>['to','go','will','be','to','not'].count('to')
2

extend 在列表末尾一次性追加另一個(gè)序列中的多個(gè)值
>>>a = [1,2,3]
>>>b = [4,5,6]
>>>a.extend(b)
>>>a
[1,2,3,4,5,6]
>>>c = [1,2,3]
>>>d = [4,5,6]
>>>c+d
[1,2,3,4,5,6]
>>>c
[1,2,3]

index 從列表中找出某個(gè)值第一個(gè)匹配項(xiàng)的索引位置
>>>slogen= ['we', 'are', 'the', 'champion']
>>>slogen.index('are')
1
>>> slogen[1]
'are'

insert 將對(duì)象插入到列表中
>>>numbers=[1,2,3,4,6]
>>>numbers.insert(4,'five')
>>>numbers
[1, 2, 3, 4, 'five', 6]

第1個(gè)參數(shù)為插入的位置，在此索引前插入；
第2個(gè)參數(shù)為插入的元素內(nèi)容

insert方法的操作也可用分片的方法實(shí)現(xiàn)元素插入
>>>numbers=[1,2,3,4,6]
>>>numbers[4:4]=['five']
>>>numbers
[1, 2, 3, 4, 'five', 6]

pop 移除列表中的一個(gè)元素
pop方法可實(shí)現(xiàn)一個(gè)常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——棧。棧的原理就像堆盤子，只能在頂部放一個(gè)盤子，同樣也只能從頂部拿走一個(gè)盤子。最后被放入堆棧的元素最先被移除。（此原則稱為后進(jìn)先出，LIFO）。

pop()方法默認(rèn)移除列表中的最后一個(gè)元素，并返回該元素的值
>>>numbers=[1,2,3,4,5]
>>>numbers.pop()
5
>>> numbers
[1, 2, 3, 4]

如果想要移除列表中的第一個(gè)元素，可以用pop(0)
>>>numbers=[1,2,3,4,5]
>>>numbers.pop(0)
1
>>> numbers
[2, 3, 4, 5]

Python沒有入棧操作，可以用append方法代替。

如果想要實(shí)現(xiàn)一個(gè)先進(jìn)先出（FIFO）隊(duì)列，可以使用insert(0,...)來替代append方法?；蛘咭部梢允褂胊ppend方法，但必須用pop(0)替代pop()。也可使用collection模塊中的deque對(duì)象。

remove 移除列表中的某個(gè)值的第一個(gè)匹配項(xiàng)
>>>x=['to','go','will','be','to','not']
>>>x.remove('to')
>>>x
['go','will','be','to','not']

reverse 將列表中的元素反向存放
>>>x=[1,2,3]
>>>x.reverse()
>>>x
[3,2,1]

sort 在原始位置對(duì)列表進(jìn)行排序
在原始位置排序?qū)⒏淖冊(cè)瓉淼牧斜?，從而讓其中的元素能按一定的順序重新排列，而不是簡單的返回一個(gè)排序的列表副本。
>>>x=[3,1,2,6,4,5,7,9,8]
>>>x.sort()
>>>x
[1,2,3,4,5,6,7,8,9]

注意：sort方法只改變?cè)剂斜淼呐判?，并沒有返回值。如果需要一個(gè)重新排序的列表副本，應(yīng)該如下操作：
>>>x=[3,1,2,6,4,5,7,9,8]
>>>y=x[:] #不能直接y=x
>>>y.sort()
>>>y
[1,2,3,4,5,6,7,8,9]
>>>x
[3,1,2,6,4,5,7,9,8]

注意：y=x只是讓y和x指向同一個(gè)列表，而y=x[:]是復(fù)制整個(gè)x列表給y。

sorted 獲取排序列表的副本
>>>x=[3,1,2,6,4,5,7,9,8]
>>>y=sorted(x)
>>>y
[1,2,3,4,5,6,7,8,9]
>>>x
[3,1,2,6,4,5,7,9,8]

sort方法的高級(jí)排序
希望列表元素能按照特定的方式排序（而不是sort函數(shù)默認(rèn)的方式，即根據(jù)Python默認(rèn)排序規(guī)則按升序排列元素），可以通過compare(x,y)的形式自定義比較函數(shù)。compare(x,y)函數(shù)會(huì)在xy時(shí)返回正數(shù)，如果x=y則返回0（根據(jù)自己定義）。定義好該函數(shù)后，可以提供給sort方法作為參數(shù)。內(nèi)建函數(shù)cmp提供了比較函數(shù)的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)方式：
>>>cmp(16,12)
1
>>>cmp(10,12)
-1
>>>cmp(10,10)
0
>>>numbers=[1,4,2,9]
>>>numbers.sort(cmp)
>>>numbers
[1,2,4,9]

sort方法還有另外兩個(gè)參數(shù)可選，可以通過某個(gè)名字來指定該參數(shù)（關(guān)鍵字參數(shù)）：

參數(shù)：key

提供一個(gè)在排序中使用的函數(shù)，該函數(shù)不是直接確定對(duì)象的大小，而是為每個(gè)元素創(chuàng)建一個(gè)鍵，然后所有元素根據(jù)鍵來排序。
>>>x=['nor','break','if','then','present']
>>>x.sort(key=len) # 按字符串長度排序
>>>x
['if', 'nor', 'then', 'break', 'present']