如何创建 4 或 8 连接的邻接矩阵

Question

我一直在寻找一个 python 实现，给定一个数组，它返回 4 或 8 连接的邻接矩阵。我感到惊讶的是 cv2 或 networkx 不包含此功能。我遇到了这个很棒的 Matlab实现，并决定用 python 做一些类似的东西。

问题：我正在寻找一种可以改进运行时/空间中链接的 Matlab 解决方案或其他有趣方法的实现。

免责声明：

我在这里提交我自己的实现，因为我认为我不可能是唯一需要为图像处理或其他应用程序创建（4 / 8 连接）邻接矩阵的人。我希望能够提供改进或更好的实施。

Answer 1

使用对角结构，如有关“在 MATLAB 中构造邻接矩阵”的答案中详细介绍的，我仅创建上对角线，并使用scipy.sparse.diags将它们添加到稀疏对角矩阵的适当位置。该稀疏矩阵与其转置相加，得到邻接矩阵。

在处理图像时，通常需要将图像分解为不重叠的矩形子图像或块。patch_size 参数是一个元组 (rows, cols)，描述大小为“rows x cols”的矩形块。

import numpy as np
import scipy.sparse as s

def connected_adjacency(image, connect, patch_size=(1, 1)):
    """
    Creates an adjacency matrix from an image where nodes are considered adjacent 
    based on 4-connected or 8-connected pixel neighborhoods.

    :param image: 2 or 3 dim array
    :param connect: string, either '4' or '8'
    :param patch_size: tuple (n,m) used if the image will be decomposed into 
                   contiguous, non-overlapping patches of size n x m. The 
                   adjacency matrix will be formed from the smaller sized array
                   e.g. original image size = 256 x 256, patch_size=(8, 8), 
                   then the image under consideration is of size 32 x 32 and 
                   the adjacency matrix will be of size 
                   32**2 x 32**2 = 1024 x 1024
    :return: adjacency matrix as a sparse matrix (type=scipy.sparse.csr.csr_matrix)
    """

    r, c = image.shape[:2]

    r = r / patch_size[0]
    c = c / patch_size[1]

    if connect == '4':
        # constructed from 2 diagonals above the main diagonal
        d1 = np.tile(np.append(np.ones(c-1), [0]), r)[:-1]
        d2 = np.ones(c*(r-1))
        upper_diags = s.diags([d1, d2], [1, c])
        return upper_diags + upper_diags.T

    elif connect == '8':
        # constructed from 4 diagonals above the main diagonal
        d1 = np.tile(np.append(np.ones(c-1), [0]), r)[:-1]
        d2 = np.append([0], d1[:c*(r-1)])
        d3 = np.ones(c*(r-1))
        d4 = d2[1:-1]
        upper_diags = s.diags([d1, d2, d3, d4], [1, c-1, c, c+1])
        return upper_diags + upper_diags.T
    else:
        raise ValueError('Invalid parameter \'connect\'={connect}, must be "4" or "8".'
                     .format(connect=repr(connect)))

一个简单的例子：

a = np.arange(9).reshape((3, 3))
adj = connected_adjacency(a, '4').toarray()
print a

[[0 1 2]
 [3 4 5]
 [6 7 8]]

print adj

[[ 0.  1.  0.  1.  0.  0.  0.  0.  0.]
 [ 1.  0.  1.  0.  1.  0.  0.  0.  0.]
 [ 0.  1.  0.  0.  0.  1.  0.  0.  0.]
 [ 1.  0.  0.  0.  1.  0.  1.  0.  0.]
 [ 0.  1.  0.  1.  0.  1.  0.  1.  0.]
 [ 0.  0.  1.  0.  1.  0.  0.  0.  1.]
 [ 0.  0.  0.  1.  0.  0.  0.  1.  0.]
 [ 0.  0.  0.  0.  1.  0.  1.  0.  1.]
 [ 0.  0.  0.  0.  0.  1.  0.  1.  0.]]

使用networkx + matplotlib 将邻接矩阵绘制为图形：