C#:[2D 演示]聚类算法：Kmean & FCM

Posted 2021-08-11 十年一梦实验室

聚类分析是一种根据样本之间的距离或者说是相似性（亲疏性），把越相似、差异越小的样本聚成一类（簇），最后形成多个簇，使同一个簇内部的样本相似度高，不同簇之间差异性高。

算法演示主界面

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视频演示

Kmeans是聚类算法中较为经典的算法之一，由于其效率高，所以一般大规模的数据进行聚类的时候都会被广泛应用。

算法的目的是，先指定聚类的数目c，然后将输入的数据划分为c类，值簇内的数据之间具有较高的相似程度，而簇之间的相似程度较低。

K-means算法基本原理

k均值聚类算法（k-means clustering algorithm）是一种迭代求解的聚类分析算法。其实现过程如下：

第一步：从文件中读取数据，点用元组表示；确定聚类个数k。

第二步：初始化k个聚类中心。在所获得的的样本区间范围内随机产生k个值作为初始质心。

第三步：对每个数据点进行分类，选择相似度最高的质心所在的簇作为该样本的类别，形成k个簇。

第四步：计算每个簇中所有点的平均值，更新聚类中心。

第五步：迭代3~4步，直至聚类中心不再更改或达到最大迭代次数，算法结束。

 

基本步骤

(1)选择初始聚类中心Zi(0)
(2)计算初始隶属度矩阵U(0)
(3)求各类的新的聚类中心Zi(L)
(4)计算新的隶属度矩阵U(L+1)
(5) 回到第(3)步，重复至收敛
(6)类别调整:①合并②分解③删除

FCM算法流程图

源码：

using System;

using System.Collections.Generic;

using System.ComponentModel;

using System.Data;

using System.Drawing;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Threading;

using System.Threading.Tasks;

using System.Windows.Forms;

namespace KMeans

{

    publicpartialclassKmeans : Form

    {

        publicKmeans()

        {

            InitializeComponent();

        }

        //用作数据的点列表

        List<< span="">Point2D> points = newList<< span="">Point2D>();

        //保存集群（簇）数据的集群（簇）类列表

        List<< span="">Cluster> clusters = newList<< span="">Cluster>();

        Random random = newRandom();//初始化随机数生成器

        privateint IterationCount = 1000;//迭代次数

        privatedouble ErrorThreshold = 0.5;//迭代条件

        privateint ItemCount = 200;//点数

        privateint ClusterCount = 4;//簇数

        privatedouble FuzzyFactor = 1.8;//模糊因子

        // 收集 UI 上的数据并将其放在边框之间的函数

        // 簇数必须在 [2 10] -> 簇数之间

        // IterationCount 介于 [10 10000] -> 最多迭代多少次

        // ItemCount -> 随机调用时生成多少

        // ErrorThreshold -> 当中心位移低于这个值时停止迭代

        // FuzzyFactor -> FCM 公式中使用的模糊常数值

        void collectData()

        {

            if (int.TryParse(t_cluster.Text, out ClusterCount) == false) ClusterCount = 4;//簇数

            if (int.TryParse(t_iteration.Text, out IterationCount) == false) IterationCount = 1000;//迭代次数

            if (int.TryParse(t_item.Text, out ItemCount) == false) ItemCount = 200;//点数

            if (double.TryParse(t_err.Text, out ErrorThreshold) == false) ErrorThreshold = 0.5;//迭代终止条件阈值

            if (double.TryParse(t_fuzzy.Text, out FuzzyFactor) == false) FuzzyFactor = 1.8;//模糊常数

            ClusterCount = Math.Max(2, Math.Min(10, ClusterCount));//簇数 大于2  小于10

            IterationCount = Math.Max(10, Math.Min(10000, IterationCount));//迭代次数 介于[10,10000]

            ItemCount = Math.Max(20, Math.Min(1000, ItemCount));//坐标点数 [20,1000]

            ErrorThreshold = Math.Max(0.1, Math.Min(2, ErrorThreshold));//迭代终止条件  [0.1,2]

            FuzzyFactor = Math.Max(1.01, Math.Min(Double.MaxValue, FuzzyFactor));//大于1.01

        }

        void resetData() => points.Clear();//清空坐标点

        //在需要时重新绘制图片框

        privatevoid ReDraw() => pictureBox.Invalidate();

        //随机数据

        void randomData()

        {

            if (int.TryParse(t_item.Text, out ItemCount) == false) ItemCount = 200;

            ItemCount = Math.Max(20, Math.Min(1000, ItemCount));//重新获取坐标点数

            resetData();//清空数据列表

            for (int i = 0; i < ItemCount; i++)

            {   //将在窗口宽度和高度内生成随机数。

                points.Add(newPoint2D(pictureBox.Width, pictureBox.Height));

            }

            ReDraw();

        }

        //添加数据

        void addData(int x, int y)

        {

            //将在单击区域内与中心的“半径”距离之间产生“计数”点

            float radius = Math.Max(pictureBox.Width,pictureBox.Height) / 15f;//半径

            int count = ItemCount / 60;//单击图片框在点击半径范围内产生坐标点数量

            for (int i = 0; i < count; i++)

            {

                double r = random.NextDouble() * radius;//点到点击位置距离

                double ang = random.NextDouble() * Math.PI;//角度

                float _x = (float) (r * Math.Cos(ang)) + x;

                float _y = (float) (r * Math.Sin(ang)) + y;

                if (0 > _x || _x > pictureBox.Width) continue;

                if (0 > _y || _y > pictureBox.Height) continue;  //如果结果点不在窗口中，则不将其添加到列表中

                points.Add(newPoint2D(_x, _y));

            }

            ReDraw();

        }

        // 调用重组

        // 重新构建簇并调用其中一种聚类算法

        privatevoid resetall()

        {

            collectData();//获取UI参数设置

            clusters.Clear(); //清空簇     

            //如果之前没有手动输入点，则生成随机点

            if (points.Count == 0) randomData();

            //我们最多允许 10 个簇，我们选择了 10 种颜色。

            // 如果要增加簇数，增加颜色。

            var colours = new[]

            {

                Color.Red, Color.Blue, Color.Green, Color.Yellow, Color.Violet, Color.Chocolate, Color.DarkOrchid,

                Color.YellowGreen, Color.Teal, Color.Purple

            };//颜色数组

            for(int i=0;i<clustercount;i++)< span=""></clustercount;i++)<>

            { //在窗口内再次使用随机选择的中心点重新构造簇

                clusters.Add(newCluster(random,pictureBox.Width, pictureBox.Height, colours[i%colours.Length]));//colours[i%colours.Length]第i个簇的颜色

            }

            ReDraw();//重新绘制图片框

            AnimTimer.Enabled = animatecheck.Checked;//仿真定时器是否可用

        }

        //图片框绘制

        privatevoid pictureBox_Paint(object sender, PaintEventArgs e)

        {

            Graphics g = e.Graphics;

            //清晰的背景

            g.FillRectangle(Brushes.White, 0, 0, pictureBox.Width, pictureBox.Height);

            //画出所有的点

            foreach (var p in points) p.draw(g);

            //finalscene 如果为真，则显示所有簇中心。

            // 绘制它以便我们可以看到变化。

            bool finalscene = AnimTimer.Enabled == false;//定时器禁用时，finalscene=true

            finalscene = finalscene || animatecheck.Checked == false;//或者定时器未启用

            finalscene = finalscene && show_olds.Checked;//并且 勾选显示旧的簇原点

            //绘制所有簇

            foreach (var c in clusters) c.draw(g, finalscene);

        }

       

        double iterasyonFCM()

        {

            //计算所有聚类中心的所有点的隶属度

            foreach (var point in points) { point.CalculateMSV(clusters, FuzzyFactor); }

            //根据点的隶属度计算所有集合的新中心

            double err = clusters.Select((t, i) => t.calculateOrigin(i, points, FuzzyFactor)).Sum();

            //如果位移减小，则迭代结束。

            if (err < ErrorThreshold) AnimTimer.Enabled = false;

            return err;

        }

        double iterasyonKMEAN()

        {

            //清除所有簇的成员

            clusters.ForEach(c => c.members.Clear());

            //计算所有点到所有聚类中心的距离

            //将离簇中心最近的点添加到该簇中

            foreach (var p in points)//遍历所有点

            {

                float m = float.MaxValue;

                Cluster c = clusters[0];

                foreach(var cl in clusters)//遍历所有簇

                {

                    float dist = cl.origins.dist(p);//点p到簇cl距离平方

                    if (dist > m) continue;

                    m = dist;//寻找点p到所有簇中心 最小的距离平方

                    c = cl;//找到点p离哪个簇中心最近

                }

                c.add(p);//将p添加到最近的簇

            }

            //使其成员的所有簇的坐标的算术中点成为该簇的新中心

            double err = clusters.Sum(c => c.CheckOrigin());//计算新的簇中心并返回  每个簇新中心与旧的簇中心距离平方的和

            //如果所有簇中心位移平方和低于误差范围，则完成迭代。

            AnimTimer.Enabled = err > ErrorThreshold;

            return err;

        }

        privatebool kmeans = true;//默认使用kmean聚类算法

        privateint iterCount = 0;//迭代次数

        privatevoid AnimTimer_Tick(object sender, EventArgs e)//定时器触发

        {

            double err = kmeans ? iterasyonKMEAN() : iterasyonFCM();//迭代 kmean为true,执行iterasyonKMEAN函数

            if (++iterCount > IterationCount)//超过迭代次数

                AnimTimer.Enabled = false;//停止定时器

            Text = $@"Iterasyon : {iterCount} Error : {err:E2}";//窗体文本显示：迭代次数 & 所有簇中心位移平方和（两位小数）

            ReDraw();//重新绘制图片框

        }

        privatevoid Animate_CheckedChanged(object sender, EventArgs e)

        {

            AnimTimer.Enabled = animatecheck.Checked;//定时器启用状态

        }

        //单击 K-Means按钮

        privatevoid start_Click(object sender, EventArgs e)

        {

            kmeans = true;

            resetall();//生成随机点，构造簇。执行完毕，定时器tick事件才会有有效执行

        }

        //单击 FCM按钮

        privatevoid button1_Click(object sender, EventArgs e)

        {

            kmeans = false;

            resetall();

        }

        //单击图片框

        privatevoid pictureBox_MouseDown(object sender, MouseEventArgs e)

        {

            if (AnimTimer.Enabled) return;//定时器启用期间不可用

            addData(e.X, e.Y);//添加数据

        }

        //Random按钮  生成随机数据点，并绘制点

        privatevoid random_data_Click(object sender, EventArgs e)

        {

            randomData();

        }

        //清空数据

        privatevoid clear_data_Click(object sender, EventArgs e)

        {

            resetData();

            clusters.Clear();

            pictureBox.Invalidate();//图片框清空

        }

    }

}

using System;

using System.Collections.Generic;

using System.ComponentModel;

using System.Drawing;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Threading.Tasks;

namespace KMeans

{

    publicclassPoint2D//单个点

    {

        publicfloat x, y;//坐标

        public Color color;//颜色

        Pen pen = new Pen(Color.Red);//绘制直线或曲线的对象

        publicdouble[] MSV;//

        publicdouble[] distList;//到簇中心距离列表

        publicPoint2D(float x, float y)

        {

            this.x = x;

            this.y = y;

            this.color = Color.Black;

        }

        publicPoint2D(float a)

        {

            x = y = a;

            color = Color.Black;

        }

        static Random r = new Random();

        publicPoint2D(int w,int h)//在宽w和高h内随机生成坐标点

        {//坐标原点在图片框左上角

            x = (float)r.NextDouble() * w;

            y = (float)r.NextDouble() * h;

            color = Color.Black;//黑色

        }

        publicvoid CalculateMSV(List cls, double m)

        {

            // kmean 算法不需要 MSV 和 distList。

            // 所以当这个函数被调用时，如果需要，将创建数组

            if (MSV == null || MSV.Length != cls.Count)

            {

                MSV = newdouble [cls.Count];//簇数个MSV

                distList = newdouble[cls.Count];//簇数个距离列表

            }

            /*

                 m -> 模糊因子

                 dist(p,o) -> 计算权重的簇中心到点p的距离

                 dist(p,o(i)) -> i。聚类中心到点 p 的距离

                 C -> 集群

                 重量 =

                 { 1 /<TOTAL ( 1 到簇数 ) [ dist(p,o) / dist(p,o(i)) ] ^ [ 2 - (m-1) ]> }

               

                 MSV = 重量 ^ 米   

                它是用公式计算的.

            */

            double fizzm = 2.0 / (m - 1.0);  //由于顶部总是固定的，所以我没有计算很多次。

            for (int i = 0; i < cls.Count; i++)

                distList[i] = Math.Sqrt(dist(cls[i].origins));  //一旦我们找到了距离

            double best = 0;

            for (int i = 0; i < cls.Count; i++)

            {

                double mm = 0;

                for (int j = 0; j < cls.Count; j++)

                {

                    double ratio = i!=j ? distList[i] / distList[j] : 1.0;

                    double val = Math.Pow(ratio, fizzm);  // 距离比 ^ fizzm

                    mm += val;  //累加所有

                }

                MSV[i] = Math.Pow(1.0 / mm, m);     //找到 MSV 值.

                if (MSV[i] > best)

                {

                    best = MSV[i];

                    bestCluster = cls[i];           //将此点绘制为好像它属于具有最高权重的任何集群

                }  // 别忘了在 FCM 中，一个点在 度上属于一个簇

                   // 我在这里做的只是为了着色。否则，每个点都属于每个度<< span="">权重>的簇.

            }

        }

        public Cluster bestCluster;//最佳簇

        //计算距离平方

        publicfloat dist(Point2D p)

        {

            float xx = p.x - x;

            float yy = p.y - y;

            return xx * xx + yy * yy;

        }

        internalvoid draw(Graphics g, float s = 2f)//2s:点宽度

        {

            pen.Color = color;

            g.FillEllipse(pen.Brush, x - s, y - s, 2*s, 2*s);//绘制边框点

        }

    }

}

using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Drawing;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Threading.Tasks;

namespace KMeans

{

    publicclassCluster//单个簇

    {

        public List oldOrigins = new List (); //簇的中心列表

        public List members = new List (); //该簇的点集合

        public Point2D origins;//最终簇中心

        //构造函数：随机数生成器，宽度，高度，颜色。

        publicCluster(Random r, int width, int height, Color color)

        {

            origins = new Point2D((float) (width * r.NextDouble()), (float) (height * r.NextDouble())) {color = color};//随机生成簇中心

            pen = new Pen(color);//初始化pen颜色

        }

        private Pen pen;//笔

        //簇的绘制函数

        publicvoid draw(Graphics g,bool final = false)

        {

            if (final)

            {   //如果我们要显示以前的中心，让我们先绘制它们，以便它留在后面

                for (int i = 0; i < oldOrigins.Count; i++)

                {

                    oldOrigins[i].draw(g,8f + 0.05f * i);//第i簇 绘制簇中心， 越新簇中心越大

                }

            }

            // 绘制最后一个中心

            origins.draw(g, 10);

            // 从中心到该集合的元素画一条线。

            foreach (var p in members) { g.DrawLine(pen, origins.x, origins.y, p.x, p.y); }

        }

        //添加点p到簇

        publicvoid add(Point2D p)

        {

            members.Add(p);//将p点添加到簇

            p.color = origins.color;//点p的颜色与簇中心颜色一致

        }

        //kMeans 的中心计算

        publicdouble CheckOrigin()

        {

            double x = 0, y = 0;

            foreach (var p in members)//遍历簇的点集合

            {       //取中间的算术

                x += p.x;

                y += p.y;

            }

            x /= members.Count;//算数平均值

            y /= members.Count;

            //创建一个新点：计算的中心点坐标

            Point2D no = new Point2D((float) x, (float) y) {color = origins.color};

            //将旧中心（待绘制）添加到列表中

            oldOrigins.Add(origins);

            //使用两个中心之间的距离进行误差计算

            var err = no.dist(origins);//上一中心到新的中心距离

            

            origins = no;//更新 中心坐标

            return err;//返回两次中心坐标点间距离平方

        }

        //FCM 中心

        publicdouble calculateOrigin(int index,List points, double fuzzyFactor)

        {

            double x = 0, y = 0;

            double mem = 0;

            members.Clear();

            /*

                newCenterX = (w1 * p1.x + w2 * p2.x + ... + wn * pn.x) / (w1 + w2 + ... + wn)//加权平均

                newCenterY = (w1 * p1.y + w2 * p2.y + ... + wn * pn.y) / (w1 + w2 + ... + wn)

            */

            foreach (Point2D point in points)

            {

                double tmp = point.MSV[index];  //用这个集合的点权重

                mem += tmp;//权重累加

                x += tmp * point.x;     // 乘以点的坐标

                y += tmp * point.y;

                if(point.bestCluster == this) add(point);

            }

            x /= mem;

            y /= mem;   //除以总重量

            //之后与kmeans相同

            oldOrigins.Add(origins);

            var n = new Point2D((float) x, (float) y) {color = origins.color};

            var result = n.dist(origins);

            origins = n;

            return result;

        }

    }

}

参考：

FCM聚类与K-means聚类的分析比较_Grape_o的博客-CSDN博客_fcm与kmeans的区别

聚类分析：k-means和层次聚类 - 简书 (jianshu.com)

Python--Kmeans和FCM聚类效果对比（对图像与数据处理）_GlassySky的博客-CSDN博客