Python基于纹理背景和聚类算法实现图像分割详解
Eastmount 人气:0一.基于纹理背景的图像分割
该部分主要讲解基于图像纹理信息（颜色）、边界信息（反差）和背景信息的图像分割算法。在OpenCV中，GrabCut算法能够有效地利用纹理信息和边界信息分割背景，提取图像目标物体。该算法是微软研究院基于图像分割和抠图的课题，它能有效地将目标图像分割提取，如图1所示[1]。
GrabCut算法原型如下所示：
mask, bgdModel, fgdModel = grabCut(img, mask, rect, bgdModel, fgdModel, iterCount[, mode])
– image表示输入图像，为8位三通道图像
– mask表示蒙板图像，输入/输出的8位单通道掩码，确定前景区域、背景区域、不确定区域。当模式设置为GC_INIT_WITH_RECT时，该掩码由函数初始化
– rect表示前景对象的矩形坐标，其基本格式为(x, y, w, h)，分别为左上角坐标和宽度、高度
– bdgModel表示后台模型使用的数组，通常设置为大小为（1, 65）np.float64的数组
– fgdModel表示前台模型使用的数组，通常设置为大小为（1, 65）np.float64的数组
– iterCount表示算法运行的迭代次数
– mode是cv::GrabCutModes操作模式之一，cv2.GC_INIT_WITH_RECT 或 cv2.GC_INIT_WITH_MASK表示使用矩阵模式或蒙板模式
下面是Python的实现代码，通过调用np.zeros()函数创建掩码、fgbModel和bgModel，接着定义rect矩形范围，调用函数grabCut()实现图像分割。由于该方法会修改掩码，像素会被标记为不同的标志来指明它们是背景或前景。接着将所有的0像素和2像素点赋值为0（背景），而所有的1像素和3像素点赋值为1（前景），完整代码如下所示。
# -*- coding: utf-8 -*-
# By: Eastmount
import cv2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib
#读取图像
img = cv2.imread('nv.png')
#灰度化处理图像
grayImage = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
#设置掩码、fgbModel、bgModel
mask = np.zeros(img.shape[:2], np.uint8)
bgdModel = np.zeros((1,65), np.float64)
fgdModel = np.zeros((1,65), np.float64)
#矩形坐标
rect = (100, 100, 500, 800)
#图像分割
cv2.grabCut(img, mask, rect, bgdModel, fgdModel, 5,
cv2.GC_INIT_WITH_RECT)
#设置新掩码：0和2做背景
mask2 = np.where((mask==2)|(mask==0), 0, 1).astype('uint8')
#设置字体
matplotlib.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei']
#显示原图
img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)
plt.subplot(1,2,1)
plt.imshow(img)
plt.title('(a)原始图像')
plt.xticks([]), plt.yticks([])
#使用蒙板来获取前景区域
img = img*mask2[:, :, np.newaxis]
plt.subplot(1,2,2)
plt.imshow(img)
plt.title('(b)目标图像')
plt.colorbar()
plt.xticks([]), plt.yticks([])
plt.show()
输出图像如图2所示，图2(a)为原始图像，图2(b)为图像分割后提取的目标人物，但人物右部分的背景仍然存在。如何移除这些背景呢？这里需要使用自定义的掩码进行提取，读取一张灰色背景轮廓图，从而分离背景与前景，希望读者下来实现该功能。
二.基于K-Means聚类算法的区域分割
K-Means聚类是最常用的聚类算法，最初起源于信号处理，其目标是将数据点划分为K个类簇，找到每个簇的中心并使其度量最小化。该算法的最大优点是简单、便于理解，运算速度较快，缺点是只能应用于连续型数据，并且要在聚类前指定聚集的类簇数[2]。
下面是K-Means聚类算法的分析流程，步骤如下：
- 第一步，确定K值，即将数据集聚集成K个类簇或小组；
- 第二步，从数据集中随机选择K个数据点作为质心（Centroid）或数据中心；
- 第三步，分别计算每个点到每个质心之间的距离，并将每个点划分到离最近质心的小组，跟定了那个质心；
- 第四步，当每个质心都聚集了一些点后，重新定义算法选出新的质心；
- 第五步，比较新的质心和老的质心，如果新质心和老质心之间的距离小于某一个阈值，则表示重新计算的质心位置变化不大，收敛稳定，则认为聚类已经达到了期望的结果，算法终止；
- 第六步，如果新的质心和老的质心变化很大，即距离大于阈值，则继续迭代执行第三步到第五步，直到算法终止。
图29-3是对身高和体重进行聚类的算法，将数据集的人群聚集成三类。
在图像处理中，通过K-Means聚类算法可以实现图像分割、图像聚类、图像识别等操作，本小节主要用来进行图像颜色分割。假设存在一张100×100像素的灰度图像，它由10000个RGB灰度级组成，我们通过K-Means可以将这些像素点聚类成K个簇，然后使用每个簇内的质心点来替换簇内所有的像素点，这样就能实现在不改变分辨率的情况下量化压缩图像颜色，实现图像颜色层级分割。
在OpenCV中，Kmeans()函数原型如下所示：
retval, bestLabels, centers = kmeans(data, K, bestLabels, criteria, attempts, flags[, centers])
– data表示聚类数据，最好是np.flloat32类型的N维点集
– K表示聚类类簇数
– bestLabels表示输出的整数数组，用于存储每个样本的聚类标签索引
– criteria表示算法终止条件，即最大迭代次数或所需精度。在某些迭代中，一旦每个簇中心的移动小于criteria.epsilon，算法就会停止
– attempts表示重复试验kmeans算法的次数，算法返回产生最佳紧凑性的标签
– flags表示初始中心的选择，两种方法是cv2.KMEANS_PP_CENTERS ;和cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS
– centers表示集群中心的输出矩阵，每个集群中心为一行数据
下面使用该方法对灰度图像颜色进行分割处理，需要注意，在进行K-Means聚类操作之前，需要将RGB像素点转换为一维的数组，再将各形式的颜色聚集在一起，形成最终的颜色分割。
# -*- coding: utf-8 -*-
# By: Eastmount
import cv2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
#读取原始图像灰度颜色
img = cv2.imread('scenery.png', 0)
#获取图像高度、宽度
rows, cols = img.shape[:]
#图像二维像素转换为一维
data = img.reshape((rows * cols, 1))
data = np.float32(data)
#定义中心 (type,max_iter,epsilon)
criteria = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS +
cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 10, 1.0)
#设置标签
flags = cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS
#K-Means聚类 聚集成4类
compactness, labels, centers = cv2.kmeans(data, 4, None, criteria, 10, flags)
#生成最终图像
dst = labels.reshape((img.shape[0], img.shape[1]))
#用来正常显示中文标签
plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei']
#显示图像
titles = ['原始图像', '聚类图像']
images = [img, dst]
for i in range(2):
plt.subplot(1,2,i+1), plt.imshow(images[i], 'gray'),
plt.title(titles[i])
plt.xticks([]),plt.yticks([])
plt.show()
输出结果如图4所示，左边为灰度图像，右边为K-Means聚类后的图像，它将灰度级聚集成四个层级，相似的颜色或区域聚集在一起。
下面代码是对彩色的图像进行颜色分割处理，它将彩色的图像聚集成2类、4类和64类。
# -*- coding: utf-8 -*-
# By: Eastmount
import cv2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
#读取原始图像
img = cv2.imread('scenery.png')
#图像二维像素转换为一维
data = img.reshape((-1,3))
data = np.float32(data)
#定义中心 (type,max_iter,epsilon)
criteria = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS +
cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 10, 1.0)
#设置标签
flags = cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS
#K-Means聚类 聚集成2类
compactness, labels2, centers2 = cv2.kmeans(data, 2, None, criteria, 10, flags)
#K-Means聚类 聚集成4类
compactness, labels4, centers4 = cv2.kmeans(data, 4, None, criteria, 10, flags)
#K-Means聚类 聚集成8类
compactness, labels8, centers8 = cv2.kmeans(data, 8, None, criteria, 10, flags)
#K-Means聚类 聚集成16类
compactness, labels16, centers16 = cv2.kmeans(data, 16, None, criteria, 10, flags)
#K-Means聚类 聚集成64类
compactness, labels64, centers64 = cv2.kmeans(data, 64, None, criteria, 10, flags)
#图像转换回uint8二维类型
centers2 = np.uint8(centers2)
res = centers2[labels2.flatten()]
dst2 = res.reshape((img.shape))
centers4 = np.uint8(centers4)
res = centers4[labels4.flatten()]
dst4 = res.reshape((img.shape))
centers8 = np.uint8(centers8)
res = centers8[labels8.flatten()]
dst8 = res.reshape((img.shape))
centers16 = np.uint8(centers16)
res = centers16[labels16.flatten()]
dst16 = res.reshape((img.shape))
centers64 = np.uint8(centers64)
res = centers64[labels64.flatten()]
dst64 = res.reshape((img.shape))
#图像转换为RGB显示
img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)
dst2 = cv2.cvtColor(dst2, cv2.COLOR_BGR2RGB)
dst4 = cv2.cvtColor(dst4, cv2.COLOR_BGR2RGB)
dst8 = cv2.cvtColor(dst8, cv2.COLOR_BGR2RGB)
dst16 = cv2.cvtColor(dst16, cv2.COLOR_BGR2RGB)
dst64 = cv2.cvtColor(dst64, cv2.COLOR_BGR2RGB)
#用来正常显示中文标签
plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei']
#显示图像
titles = ['原始图像', '聚类图像 K=2', '聚类图像 K=4',
'聚类图像 K=8', '聚类图像 K=16', '聚类图像 K=64']
images = [img, dst2, dst4, dst8, dst16, dst64]
for i in range(6):
plt.subplot(2,3,i+1), plt.imshow(images[i], 'gray'),
plt.title(titles[i])
plt.xticks([]),plt.yticks([])
plt.show()
输出结果如图5所示，它对比了原始图像和各K-Means聚类处理后的图像。当K=2时，聚集成2种颜色；当K=4时，聚集成4种颜色；当K=8时，聚集成8种颜色；当K=16时，聚集成16种颜色；当K=64时，聚集成64种颜色。
同样，如果是人物图像显示如图6所示，比如小珞珞。
三.总结
本文主要讲解了常用的图像分割方法，包括基于纹理背景和聚类算法的图像分割方法。希望读者能结合本文知识点，围绕自己的研究领域或工程项目进行深入的学习，实现所需的图像处理。
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