Python基于纹理背景和聚类算法实现图像分割详解
作者：Eastmount
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。
到此这篇关于Python基于纹理背景和聚类算法实现图像分割详解的文章就介绍到这了,更多相关Python图像分割内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！