【OpenCV学习笔记 023】两种图像分割方法比较

图像标准分割Berkeley图像库:http://www.eecs.berkeley.edu/Research/Projects/CS/vision/bsds/

此次研究两种图像分割法，分别是基于形态学的分水岭算法和基于图割理论的GrabCut算法。OpenCV均提供了两张算法或其变种。鉴于研究所需，记录一些知识点，开发平台为OpenCV2.4.9+Qt5.3.2。

一、使用分水岭算法进行图像分割

分水岭变换是一种常用的图像处理算法，在网上很容易搜到详细的原理分析。简单来说，这是一种基于拓扑理论的数学形态学的图像分割方法，其基本思想是把图像看作是测地学上的拓扑地貌，图像中每一点像素的灰度值表示该点的海拔高度，每一个局部极小值及其影响区域称为集水盆，而集水盆的边界则形成分水岭。分水岭的概念和形成可以通过模拟浸入过程来说明。在每一个局部极小值表面，刺穿一个小孔，然后把整个模型慢慢浸入水中，随着浸入的加深，每一个局部极小值的影响域慢慢向外扩展，在两个集水盆汇合处构筑大坝，即形成分水岭。

分水岭算法简单，因此存在一些缺陷，如容易导致图像的过度分割。分水岭算法对微弱边缘具有良好的响应，图像中的噪声、物体表面细微的灰度变化，都会产生过度分割的现象。

为消除分水岭算法产生的过度分割，有两种常规的处理方法，一是利用先验知识去除无关边缘信息。二是修改梯度函数使得集水盆只响应想要探测的目标。

OpenCV提供了该算法的改进版本，使用预定义的一组标记来引导对图像的分割，该算法是通过cv::watershed函数来实现的。

要实现分水岭算法，首先新建一个类WaterShedSegmentation，在watershedsegmentation.h中添加：

#ifndef WATERSHEDSEGMENTATION_H
#define WATERSHEDSEGMENTATION_H
#include <opencv2/core/core.hpp>
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>
#include <opencv2/imgproc/imgproc.hpp>

class WaterShedSegmentation
{
public:

    void setMarkers(const cv::Mat &markerImage); // 将原图像转换为整数图像
    cv::Mat process(const cv::Mat &image); // // 分水岭算法实现
    // 以下是两种简化结果的特殊方法
    cv::Mat getSegmentation();
    cv::Mat getWatersheds();

private:
    cv::Mat markers; // 用于非零像素点的标记
};

#endif // WATERSHEDSEGMENTATION_H

接着，在watershedsegmentation.cpp中添加：

#include "watershedsegmentation.h"
#include <opencv2/core/core.hpp>
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>
#include <opencv2/imgproc/imgproc.hpp>

void WaterShedSegmentation::setMarkers(const cv::Mat &markerImage) // 该函数将原图像转换为整数图像
{
    markerImage.convertTo(markers,CV_32S);
}

cv::Mat WaterShedSegmentation::process(const cv::Mat &image)
{
  // 使用分水岭算法
  cv::watershed(image,markers);
  return markers;
}

// 以下是两种简化结果的特殊方法
// 以图像的形式返回分水岭结果
cv::Mat WaterShedSegmentation::getSegmentation()
{
  cv::Mat tmp;
  // 所有像素值高于255的标签分割均赋值为255
  markers.convertTo(tmp,CV_8U);
  return tmp;
}

cv::Mat WaterShedSegmentation::getWatersheds()
{
  cv::Mat tmp;
  markers.convertTo(tmp,CV_8U,255,255);
  return tmp;
}

main函数修改如下：

#include <QCoreApplication>
#include "watershedsegmentation.h"
#include <opencv2/core/core.hpp>
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>
#include <opencv2/imgproc/imgproc.hpp>

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    // 输入待处理的图像
    cv::Mat image= cv::imread("c:/Fig4.41(a).jpg");
    if (!image.data)
        return 0;

    cv::namedWindow("Original Image");
    cv::imshow("Original Image",image);

    // 输入图像，将其转化为二值图像
    cv::Mat binary;
    binary= cv::imread("c:/Fig4.41(a).jpg",0);

    // 显示二值图像
    cv::namedWindow("Binary Image");
    cv::imshow("Binary Image",binary);

    // 移除噪点
    cv::Mat fg;
    cv::erode(binary,fg,cv::Mat(),cv::Point(-1,-1),6);

    // 显示前景图像
    cv::namedWindow("Foreground Image");
    cv::imshow("Foreground Image", fg);

    // 识别背景图像，生成的黑色像素对应背景像素
    cv::Mat bg;
    cv::dilate(binary,bg,cv::Mat(),cv::Point(-1,-1),6);
    cv::threshold(bg, bg, 1, 128, cv::THRESH_BINARY_INV);

    // 显示背景图像
    cv::namedWindow("Background Image");
    cv::imshow("Background Image", bg);

    // 显示标记图像
    cv::Mat markers(binary.size(), CV_8U,cv::Scalar(0));
    markers= fg + bg;
    cv::namedWindow("Markers");
    cv::imshow("Markers", markers);

    // 以下进行分水岭算法
    WaterShedSegmentation segmenter;

    segmenter.setMarkers(markers);
    segmenter.process(image);

    // 以下是两种处理结果，显示分割结果
    cv::namedWindow("Segmentation");
    cv::imshow("Segmentation", segmenter.getSegmentation());

    cv::namedWindow("Watersheds");
    cv::imshow("Watersheds",segmenter.getWatersheds());

    return a.exec();
}

效果1：算法识别出属于前景和背景的像素（有误差）。

这里写图片描述

效果2：组合前景和背景图，形成标记图形，这是分水岭的输入参数。

这里写图片描述

效果3：分割结果中，标记图像得到更新。

这里写图片描述

效果4：显示边界图像。

这里写图片描述

可以看出，分水岭算法对微弱边缘具有良好的响应，是得到封闭连续边缘的保证的。但对于不同质量的图像其分割效果不尽相同，但总的来说效果仍需要改进。

二、使用GrabCut算法分割图像

GrabCut是另一种同样较为流行的图像分割算法。GrabCut是在GraphCut基础上改进的一种图像分割算法，它并非基于图像形态学，而是基于图割理论（参考：http://www.cnblogs.com/tornadomeet/archive/2012/11/06/2757585.html）。在使用GrabCut时，需要人工给定一定区域的目标或者背景，然后算法根据设定的参数来进行分割。GrabCut在计算时比分水岭算法更加复杂，尤其适合从静态图像中提取前景照片的应用。
OpenCV中提供了cv::grabcut函数，因此只需提供图像并标记背景像素和前景像素，基于局部的标记，算法即可将图像中的像素进行分割。在这里使用的局部标记方法是定义一个矩形。cv::grabcut的函数定义如下：

    cv::grabCut(image,    // 输入图像
                result,   // 分割输出结果
                rectangle,// 包含前景物体的矩形
                bgModel,fgModel, // 模型
                1,        // 迭代次数
                cv::GC_INIT_WITH_RECT); // 使用矩形进行初始化

在main函数添加：

    // GrabCut算法
    cv::Mat image= cv::imread("c:/Fig8.04(a).jpg");

    // 设定矩形
    cv::Rect rectangle(50,70,image.cols-150,image.rows-180);

    cv::Mat result; // 分割结果 (4种可能取值)
    cv::Mat bgModel,fgModel; // 模型(内部使用)
    // 进行GrabCut分割
    cv::grabCut(image, result, rectangle, bgModel, fgModel, 1, cv::GC_INIT_WITH_RECT); 
    // 得到可能为前景的像素
    cv::compare(result, cv::GC_PR_FGD, result,cv::CMP_EQ);
    // 生成输出图像
    cv::Mat foreground(image.size(), CV_8UC3, cv::Scalar(255,255,255));
    image.copyTo(foreground, result); // 不复制背景数据

    // 包含矩形的原始图像
    cv::rectangle(image, rectangle, cv::Scalar(255,255,255),1);
    cv::namedWindow("Orginal Image");
    cv::imshow("Orginal Image", image);

    // 输出前景图像结果
    cv::namedWindow("Foreground Of Segmented Image");
    cv::imshow("Foreground Of Segmented Image", foreground);

效果：
这里写图片描述

在函数cv::grabCut中，最后一个参数表示我们使用的是包围盒模式，而该算法支持的输入/输出分割图像可以有四种数值，如函数cv::compare函数中的参数：
cv::GC_BGD：确定属于背景的像素；
cv::GC_FGD：确定属于前景的元素；
cv::GC_PR_BGD：可能属于背景的元素；
cv::GC_PR_FGD：可能属于前景的元素。

在上图中，GrabCut算法通过指定方框区域来提取前景物体。同时，也可将数值cv::GC_BGD和cv::GC_FGD赋予分割图像的某些特定像素，并且把这类分割图像作为cv::grabcut函数的第二个参数（此时需要指定GC_INIT_WITH_MASK作为输入模式）。

基于这些信息，GrabCut通过以下主要步骤创建分割：

前景标签(cv::GC_PR_FGD)被临时赋予所有为标记的像素。基于当前的分类，算法将像素归类为颜色或灰度值相似的聚类。
通过引入背景与前景像素的边界进行分割。这个优化的过程尝试将标签相似的像素相连接，这里利用了在强度相对已知的区域之间对边界像素的（惩罚？）。这个最优化问题通过GraphCut算法得到高效解决。
对获取的分割结果产生新的像素标签，重复聚类过程，找到新的最优解。根据场景的复杂度，得到最佳结果，对于简单的场景，有时只需要一次迭代。

关于GrabCut算法，还需要进一步研究GraphCut才能深刻理解。

【OpenCV学习笔记 023】两种图像分割方法比较

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