快乐学AI系列——计算机视觉（4）图像分割

本系列是由“MATRIX.矩阵之芯”精炼的AI快速入门系列，特色是内容简洁，学习快速。

相关要求：学员需要掌握Python编程基础，另外还需要有一定的线性代数、概率论基础。

图像分割

基于边缘和区域的分割方法

• 基于边缘的分割方法

基于边缘的分割方法是通过检测图像中的边缘来进行分割的。边缘通常表示图像中不同区域之间的分界线。在图像中，边缘通常是指图像灰度值变化的位置，如物体边缘、纹理等。

常见的基于边缘的分割方法包括Canny算法、Sobel算法、Prewitt算法等。其中，Canny算法是最常用的边缘检测算法之一，它可以有效地检测图像中的边缘，并将其连接成一个连续的边缘线。

Canny算法的基本思路是首先对图像进行高斯滤波，以平滑噪声，然后计算图像的梯度，以找到图像中的边缘。最后，通过非极大值抑制和双阈值处理来提取真正的边缘。

• 基于区域的分割方法

基于区域的分割方法是将图像分割为不同的区域，每个区域内的像素具有相似的特征。常见的基于区域的分割方法包括K-means聚类算法、区域生长算法、分水岭算法等。

其中，K-means聚类算法是一种经典的聚类算法，它将像素根据它们的特征进行分组。在图像分割中，通常将每个像素的颜色和空间信息作为特征，然后将它们分成不同的聚类，每个聚类即为一个区域。

看个小案例：

粗糙的简单的选中了59改

import cv2
import numpy as np

# 读取图像
img = cv2.imread('59g.jpg')
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

# 对图像进行平滑处理
blur = cv2.GaussianBlur(gray, (5,5), 0)

# 计算图像的梯度
grad_x = cv2.Sobel(blur, cv2.CV_32F, 1, 0, ksize=3)
grad_y = cv2.Sobel(blur, cv2.CV_32F, 0, 1, ksize=3)
grad = cv2.subtract(grad_x, grad_y)
grad = cv2.convertScaleAbs(grad)

# 对梯度图像进行二值化处理
_, thresh = cv2.threshold(grad, 0, 255, cv2.THRESH_BINARY | cv2.THRESH_OTSU)

# 使用形态学操作进行前景背景分离
kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_ELLIPSE, (3, 3))
morph = cv2.morphologyEx(thresh, cv2.MORPH_OPEN, kernel, iterations=2)
morph = cv2.morphologyEx(morph, cv2.MORPH_CLOSE, kernel, iterations=2)

# 使用分水岭算法进行分割
dist_transform = cv2.distanceTransform(morph, cv2.DIST_L2, 5)
_, sure_fg = cv2.threshold(dist_transform, 0.7 * dist_transform.max(), 255, 0)
sure_fg = np.uint8(sure_fg)
unknown = cv2.subtract(morph, sure_fg)
_, markers = cv2.connectedComponents(sure_fg)
markers += 1
markers[unknown==255] = 0
markers = cv2.watershed(img, markers)

# 对分割结果进行可视化
img[markers == -1] = [255,0,0]
cv2.imshow('Segmentation Result', img)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

区域生长算法是一种逐步生长的方法，它从某个种子像素开始，逐步添加具有相似特征的像素，形成一个区域。该算法通常需要设置生长的阈值，以控制生长的速度和分割的粒度。

分水岭算法是一种基于图像形态学的分割方法，常用于对数字图像进行分割，将图像分成不同的区域，以便进行进一步的分析和处理。它的主要思想是将图像看成一个地形图，通过计算梯度来确定图像中的高地和低地，然后将高地和低地通过水流分割成不同的区域。

分水岭算法基于图像形态学的基本概念，如腐蚀、膨胀、开运算和闭运算等。具体而言，分水岭算法将图像看作一个灰度图像，并在图像中提取梯度信息。然后，将梯度信息转换为一个梯度图像，其中高梯度值对应高地，低梯度值对应低地。接下来，将高地和低地之间的分割线看作一条水平线，用水从这条线开始，将图像分割成不同的区域。

分水岭算法的主要优点是可以有效地分割图像中的物体和背景，并且可以对图像中的不同物体进行分割。但是，分水岭算法对图像的预处理要求比较高，需要进行灰度化、二值化、边缘检测和形态学处理等操作。此外，分水岭算法容易出现过分割或欠分割的情况，需要进一步的优化和改进。

近年来，随着深度学习技术的发展，基于深度学习的图像分割方法已经取得了很大的进展，并且在图像分割领域取得了很大的应用。

基于图论的分割方法

基于图论的分割方法是一种将图像分割问题转化为图论问题求解的方法。它将图像分割看作是在一个无向图中找到一个切割，使得切割后的两个部分内部的相似度最大，两个部分之间的相似度最小。

具体来说，这种方法将图像中的像素看作是图中的节点，将相邻的像素之间的连接看作是图中的边。然后，根据像素之间的相似度计算每条边的权重，构建一个带权无向图。接着，利用图论中的最小割算法，将这个图分成两个部分，从而达到图像分割的目的。

其中，最小割算法是一种用来寻找网络流中最小割的算法。最小割算法的基本思想是将网络分成两部分，称之为割，然后计算割的代价，即割的总权重。这个代价的最小值就是最小割。

在图像分割中，最小割算法的具体流程如下：

1. 构建图：将图像中的像素看作是图中的节点，将相邻的像素之间的连接看作是图中的边。然后，根据像素之间的相似度计算每条边的权重，构建一个带权无向图。
2. 计算最小割：利用最小割算法，在图中找到一个割，使得割的代价最小。这个割将图分成两部分，一部分被割掉，另一部分保留。
3. 分割图像：根据最小割得到的割将图像分成两部分，分别对应于原图中被割掉和保留的像素。

基于图论的分割方法的优点是可以处理复杂的图像背景和前景之间的交叉情况，但是需要构建一个带权无向图，这个过程比较耗时。常见的基于图论的分割方法有GrabCut算法和Felzenszwalb算法。

基于聚类的分割方法

其中比较常用的聚类算法有K-means聚类和Mean Shift聚类。

K-means聚类是一种基于距离度量的聚类方法，它的基本思想是把数据点分为k个簇，使得同一个簇内的点距离尽可能接近，不同簇之间的距离尽可能远。在图像分割中，将每个像素点看成一个数据点，然后将这些像素点分为k个类别，每个类别对应一个簇，最后对每个簇内的像素点赋予相同的灰度值，即可完成分割。K-means聚类的优点是速度快，缺点是需要提前设定簇的个数k，且对初始点的选取比较敏感。

import cv2
import numpy as np
from sklearn.cluster import KMeans

# 读取图片
img = cv2.imread('wjd.jpg')
height, width = img.shape[:2]
new_height = int(height / width * 500)
img = cv2.resize(img, (500, new_height))

cv2.imshow("image",img)

# 将图像转换为二维数组
data = img.reshape((-1, 3))

# 设置聚类个数为2
k = 2

# 运行K-means聚类算法
kmeans = KMeans(n_clusters=k, random_state=0).fit(data)

# 将每个像素点赋予相应的标签值
labels = kmeans.labels_

# 将每个像素点赋予相应的灰度值
gray_labels = labels.reshape((img.shape[0], img.shape[1]))

# 将标签值为0的像素点赋予黑色，标签值为1的像素点赋予白色
segmented_img = np.zeros_like(img)
segmented_img[gray_labels == 0] = [0, 0, 0]
segmented_img[gray_labels == 1] = [255, 255, 255]

# 显示分割结果
cv2.imshow('Segmentation', segmented_img)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

Mean Shift聚类是一种基于密度的聚类方法，它的基本思想是将每个数据点看作一个概率密度函数的峰值，然后从任意一个点出发，通过不断地向密度函数峰值的方向移动，最终到达密度函数峰值所在的位置。在图像分割中，将每个像素点看作一个概率密度函数的峰值，然后从任意一个像素点出发，通过不断地向密度函数峰值的方向移动，最终到达密度函数峰值所在的位置。在到达峰值位置后，可以认为该像素点属于同一个类别。Mean Shift聚类的优点是可以自适应地确定簇的个数，对初始点的选取不敏感，但缺点是运行速度较慢。

基于深度学习的分割方法

基于深度学习的分割方法指的是使用深度学习模型对图像进行分割，常用的模型包括U-Net、FCN、SegNet等。这些模型一般基于卷积神经网络（CNN）进行设计，可以实现端到端的图像分割任务。

• U-Net是一种常用的用于图像分割的深度学习模型，其名称来自于其U字形的网络结构。该模型由编码器和解码器两部分组成，编码器部分通过卷积操作逐渐减少图像的分辨率和通道数，将图像抽象为较高层次的特征表示，而解码器部分则通过上采样和反卷积操作逐渐还原图像的分辨率和通道数，最终得到分割结果。U-Net模型的特点是具有较少的参数和较快的训练速度，常用于医学图像分割等领域。
• FCN是全卷积神经网络的简称，是一种将传统的卷积神经网络转化为全卷积结构的方法。传统的卷积神经网络通常采用池化操作逐渐降低图像的分辨率，而全卷积神经网络则通过去掉池化操作和添加上采样操作，保留了图像的所有分辨率信息，从而适合于图像分割任务。
• SegNet是一种基于FCN的图像分割模型，其特点在于采用了与U-Net类似的编码器-解码器结构，但解码器部分使用了反卷积操作和池化操作的逆过程，从而使得解码器能够还原编码器部分所丢失的空间信息。

基于深度学习的分割方法在图像分割领域取得了不错的效果，在医学图像分割、自然图像分割等领域得到了广泛应用。