Python机器视觉编程常用数据结构与示例

本文总结了使用Python进行机器视觉（图像处理）编程时常用的数据结构，主要包括以下内容：

数据结构

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

列表：创建、list函数、基本操作：赋值、删除、分片赋值、插入、排序等

元组：创建、tuple函数、基本操作

NumPy数组：创建数组、创建图像、获取形状、维度、元素个数、元素类型、访问像素、通道分离、使用mask

1. 数据结构 数据结构是通过某种方式（例如对元素进行编号）组织在一起的数据元素的集合，这些数据元素可以是数字或者字符，甚至可以是其他数据结构。在Python中最基本的数据结构是序列(sequence)。序列中每个元素被分配一个序号——即元素的位置，也称为索引(index)，第一个元素的索引是0，第二个是1，以此类推。

python包含6种內建序列，最常用的两种类型是：列表和元组。列表和元组的主要区别在于列表可以修改，元组不可以修改。而用于处理图像的基本数据结构是数组，由于Python标准库中的內建数组只能处理一维数组并且提供的功能较少，因此做编程时常使用NumPy模块的array()数组表示图像，并进行各类处理。

2. 通用序列操作 所有序列都可以进行某些特定操作，包括：索引(indexing)、分片(slicing)、加(adding)、乘(multipying)以及检查某个元素是否属于序列成员（成员资格），除此之外，python还有计算序列长度、找出最大元素和最小元素的內建函数。

（1）索引

序列中所有元素的编号都是从0开始递增。

>>>greeting = Hello

>>>greeting[0]

H

>>>greeting[1]

e

所有序列都可以通过这种方式获取元素。最后一个元素的编号是-1

>>>greeting[-1]

o

如果一个函数调用返回一个序列，则可以直接对返回序列进行索引操作

>>>fourth = raw_input(Year: )[3]

Year: 2016

>>>fourth

6

（2）分片

使用分片操作来方位一定范围内的元素。分片通过冒号隔开两个索引来实现。

>>>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]

注意索引边界：第1个索引的元素包含在分片内，第2个索引的元素不在分片内，如果要索引最后一个元素

>>>numbers[-3:]

[8,9,10]

>>>print numbers[-1:]

[10]

这种方法同样适用于序列开始的元素：

>>>numbers[:3]

[1,2,3]

如果需要复制整个序列，可以将两个索引都置空：

>>>numbers[:]

[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]

我们还可以使用第三个参数设置分片的步长，下面代码为从numbers序列中选出从0到10，步长为2的元素

>>>numbers[0:10:2]

[1,3,5,7,9]

如果要将每4个元素中的第1个提取出来可以这样写

>>>numbers[::4]

[1,5,9]

步长为负数将向左提取元素，当使用负数作为步长时开始的点的索引必须大于结束点的索引

>>>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+运算符可以进行序列的连接操作：

>>>[1,2,3] + [4,5,6]

[1,2,3,4,5,6]

>>>Hello, + world!

Hello, world!

注意同种类型的序列才能连接到一起，列表和字符串是无法连接的。

（4）乘法

数字x乘以序列会生成新的序列。新序列中，原来的序列将被重复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

空列表可以通过两个中括号中间什么都不写表示[]

如果想创建一个占用 10个元素空间，却不包括任何有用内容的列表，可以用：

>>>[0]*10

None是一个Python的內建值，它的确切含义是这里什么都没有。

>>>[None]*10

（6）成员资格in

为了检查一个值是否在列表中，可以使用in运算符，返回布尔值真或假：

>>>permission = rw

>>>w in permission

True

>>>x in permission

False

下面的例子，检查用户名和PIN码：

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

运行结果：

User name: jones

PIN code: 9843

Access granted

（7）长度、最小值和最大值

內建函数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函数

因为字符串不能像列表一样修改，所以有时候根据字符串创建列表很有用

>>>list(Hello)

[H,e,l,l,o]

list适用于所有类型的序列，而不只是列表。

（2）列表基本操作

元素赋值

>>>x=[1,1,1]

>>>x[1]=2

>>>x

[1,2,1]

删除元素

>>>x=[1,2,3]

>>>del x[1]

>>>x

[1,3]

del也可删除其他元素，甚至是变量。

分片赋值

>>>name=list(Perl)

>>>name

[P,e,r,l]

>>>name[2:]=list(ar)

>>>name

[P,e,a,r]

通过分片赋值插入元素和删除元素

>>>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：对象.方法（参数）

append 在列表末尾追加

>>>a = [1,2,3]

>>>a.append[4]

>>>a

[1,2,3,4]

count 统计某个元素在列表中出现的次数

>>>[to,go,will,be,to,not].count(to)

2

extend 在列表末尾一次性追加另一个序列中的多个值

>>>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 从列表中找出某个值第一个匹配项的索引位置

>>>slogen= [we, are, the, champion]

>>>slogen.index(are)

1

>>> slogen[1]

are

insert 将对象插入到列表中

>>>numbers=[1,2,3,4,6]

>>>numbers.insert(4,five)

>>>numbers

[1, 2, 3, 4, five, 6]

第1个参数为插入的位置，在此索引前插入；

第2个参数为插入的元素内容

insert方法的操作也可用分片的方法实现元素插入

>>>numbers=[1,2,3,4,6]

>>>numbers[4:4]=[five]

>>>numbers

[1, 2, 3, 4, five, 6]

pop 移除列表中的一个元素

pop方法可实现一个常见的数据结构——栈。栈的原理就像堆盘子，只能在顶部放一个盘子，同样也只能从顶部拿走一个盘子。最后被放入堆栈的元素最先被移除。（此原则称为后进先出，LIFO）。

pop()方法默认移除列表中的最后一个元素，并返回该元素的值

>>>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个元素，可以用pop(0)

>>>numbers=[1,2,3,4,5]

>>>numbers.pop(0)

1

>>> numbers

[2, 3, 4, 5]

Python没有入栈操作，可以用append方法代替。

如果想要实现一个先进先出（FIFO）队列，可以使用insert(0,...)来替代append方法。或者也可以使用append方法，但必须用pop(0)替代pop()。也可使用collection模块中的deque对象。

remove 移除列表中的某个值的第一个匹配项

>>>x=[to,go,will,be,to,not]

>>>x.remove(to)

>>>x

[go,will,be,to,not]

reverse 将列表中的元素反向存放

>>>x=[1,2,3]

>>>x.reverse()

>>>x

[3,2,1]

sort 在原始位置对列表进行排序

在原始位置排序将改变原来的列表，从而让其中的元素能按一定的顺序重新排列，而不是简单的返回一个排序的列表副本。

>>>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方法只改变原始列表的排序，并没有返回值。如果需要一个重新排序的列表副本，应该如下操作：

>>>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只是让y和x指向同一个列表，而y=x[:]是复制整个x列表给y。

sorted 获取排序列表的副本

>>>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方法的高级排序

希望列表元素能按照特定的方式排序（而不是sort函数默认的方式，即根据Python默认排序规则按升序排列元素），可以通过compare(x,y)的形式自定义比较函数。compare(x,y)函数会在xy时返回正数，如果x=y则返回0（根据自己定义）。定义好该函数后，可以提供给sort方法作为参数。內建函数cmp提供了比较函数的默认实现方式：

>>>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方法还有另外两个参数可选，可以通过某个名字来指定该参数（关键字参数）：

参数：key

提供一个在排序中使用的函数，该函数不是直接确定对象的大小，而是为每个元素创建一个键，然后所有元素根据键来排序。

>>>x=[nor,break,if,then,present]

>>>x.sort(key=len) # 按字符串长度排序

>>>x

[if, nor, then, break, present]