从零开始学cv-16：超像素图像分割

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文章目录

前言
一、超像素图像分割简介
二：SLIC超像素图像分割
三：Seed超像素分割算法
四：LSC超像素分割

前言

在数字图像处理和计算机视觉领域，图像分割技术扮演着至关重要的角色。它将复杂的图像分解为若干具有相似特性的区域，为后续的图像理解、分析和应用奠定了基础，本博客将介绍图像分割领域中的一个分支：超像素图像分割。

一、超像素图像分割简介

超像素图像分割是计算机视觉领域的一项重要技术，它将图像细分为一系列具有相似特征的像素集合，这些集合被称为超像素。该方法旨在减少图像处理中的基本单元数量，同时保留关键的结构和纹理信息，从而提升图像处理和分析的效率和精确度。超像素的特点包括紧凑性、同质性和良好的边界保持能力，这使得图像分割过程更加高效和自然。
在具体实现上，流行的超像素分割算法包括SLIC、SEEDS和LSC等。SLIC算法结合颜色和空间信息，通过简单的线性迭代聚类过程，生成大小均匀的超像素。SEEDS算法采用能量驱动采样，通过迭代优化超像素边界，以适应图像的颜色和纹理变化。LSC算法则利用谱聚类技术，更加注重保持图像的细节和边缘信息。在

二：SLIC超像素图像分割

SLIC（Simple Linear Iterative Clustering）是一种用于图像分割的超像素生成算法。它通过简单的线性迭代聚类方法，将图像分割成具有相似特征的像素集合，即超像素。SLIC算法以其效率高、分割质量好、易于实现等特点，在计算机视觉领域得到了广泛应用。
SLIC算法的核心思想是将图像空间划分为多个小的区域，每个区域内的像素在颜色、亮度、纹理等方面具有相似性。以下是SLIC算法的基本步骤：

初始化聚类中心：在图像中均匀地选择初始聚类中心，通常根据期望的超像素数量来确定。
距离度量：对于每个聚类中心，算法在它的邻域内搜索像素，并计算像素与聚类中心之间的距离。这个距离是一个综合距离，包括颜色空间的距离和空间距离。
迭代优化：通过迭代优化过程，不断更新聚类中心和像素的归属，直到满足一定的收敛条件。
生成超像素：最终，每个聚类中心及其归属的像素形成了一个超像素。

在opencv中存在其实现api：cv2.ximgproc.createSuperpixelSLIC，参数说明：

image: 输入图像，应该是一个 3 通道的彩色图像（通常是 BGR 格式）。
region_size: 超像素区域的大小，即每个超像素的平均大小。这个值越大，生成的超像素数量越少，每个超像素覆盖的面积也越大。
ruler: 空间权重因子，用于平衡颜色相似性和空间接近性。这个值越大，超像素的形状越接近正方形。

一旦创建了 SuperpixelSLIC 对象，就可以使用以下方法来执行超像素分割和获取结果：

slic.iterate(num_iterations)
labels = slic.getLabels()
num_superpixels = slic.getNumberOfSuperpixels()
mask = slic.getLabelContourMask()
其中：iterate: 执行超像素分割的迭代过程，getLabels: 获取每个像素的超像素标签，getNumberOfSuperpixels: 获取生成的超像素的总数，getLabelContourMask: 获取超像素边界的掩码，可以用来在原图上绘制超像素边界。

示例代码：

import cv2
import numpy as np

# 读取图像
img = cv2.imread(r"D:\AI_tool\GFPGAN-master\1.jpg")
img = cv2.resize(img,(0,0),fx=0.5,fy=0.5)
# 初始化SLIC，设置超像素平均尺寸和平滑因子
slic = cv2.ximgproc.createSuperpixelSLIC(img, region_size=20, ruler=20.0)

# 迭代次数，越大效果越好
slic.iterate(10)

# 获取超像素标签和数量
labels = slic.getLabels()
number_of_superpixels = slic.getNumberOfSuperpixels()

# 获取超像素边缘Mask并绘制
mask = slic.getLabelContourMask()
img_slic = cv2.bitwise_and(img, img, mask=mask)
cv2.imshow("img_slic",img_slic)
cv2.waitKey(0)

效果：
在这里插入图片描述

三：Seed超像素分割算法

Seed超像素图像分割算法是一种基于图论的超像素生成方法，它通过在图像中播种（seed）并生长（grow）超像素来达到分割的目的。Seed超像素算法的核心思想是利用像素之间的相似性，将相似的像素聚集成一个超像素。
算法步骤：

种子点初始化：在图像中随机或均匀地选择一些像素作为种子点（seed points）。每个种子点代表一个潜在的超像素中心。
相似性度量：计算每个种子点与其邻域像素之间的相似性，通常使用颜色、亮度、纹理等特征。相似性度量可以基于欧几里得距离或其他距离度量。
种子点生长：根据相似性度量，将每个种子点与其最相似的邻域像素合并，形成超像素。
生长过程中，需要确保每个超像素的大小在一定范围内，并且形状尽可能规则。
迭代优化：重复相似性度量和种子点生长步骤，直到满足一定的停止条件，如达到预设的超像素数量或大小。
后处理：对生成的超像素进行后处理，如合并过小的超像素，或者调整超像素边界以优化分割结果。

在opencv中提供了Seed的api，cv2.ximgproc.createSuperpixelSEEDS( image_width, image_height, image_channels, num_superpixels, num_levels, prior, num_histogram_bins)
参数说明：

image_width: 输入图像的宽度。
image_height: 输入图像的高度。
image_channels: 输入图像的通道数（例如，对于彩色图像通常是 3）。
num_superpixels: 指定生成的超像素的数量。这个参数对最终的分割结果有直接影响。
num_levels: 指定金字塔的层数。这个参数影响算法的迭代次数和超像素的最终大小。
prior: 指定超像素形状的先验知识。较高的值会产生更规则的超像素形状。
num_histogram_bins: 直方图分箱的数量。用于计算像素之间的相似度，较高的值可以提高算法对图像中颜色变化的敏感度。

使用代码：

import cv2
import numpy as np

# 读取图像
img = cv2.imread(r"D:\AI_tool\GFPGAN-master\1.jpg")
img = cv2.resize(img,(0,0),fx=0.5,fy=0.5)
# 初始化SLIC，设置超像素平均尺寸和平滑因子
seeds = cv2.ximgproc.createSuperpixelSEEDS(img.shape[1], img.shape[0], img.shape[2], 300, 5)

# 应用超像素分割
seeds.iterate(img, 10)  # 迭代次数，可以根据需要调整

# 获取超像素标签
labels = seeds.getLabels()

# 获取超像素数量
num_superpixels = seeds.getNumberOfSuperpixels()

# 在原图上绘制超像素边界
mask = seeds.getLabelContourMask()
img_out = cv2.bitwise_and(img, img, mask=mask)

# 显示结果
cv2.imshow('Superpixels', img_out)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

效果：
在这里插入图片描述

四：LSC超像素分割

LSC超像素分割算法的核心思想是将图像像素看作图中的节点，像素之间的相似性通过边的权重来表示。然后，算法在图上执行谱聚类（Spectral Clustering）来形成超像素。

主要步骤：

构建图：将图像像素映射为图中的节点。计算像素之间的相似性度量（如颜色、亮度、纹理等），这些度量作为图中边的权重。
定义权重矩阵：根据像素间的相似性，构建一个权重矩阵W，其中W[i, j]表示像素i和像素j之间的权重。
构造拉普拉斯矩阵：使用权重矩阵W构造图的标准拉普拉斯矩阵L = D - W，其中D是对角矩阵，D[i, i]是W中第i行的权重之和。
特征分解：对拉普拉斯矩阵L进行特征分解，找到最小的几个特征值对应的特征向量。
聚类：将这些特征向量组成的矩阵进行k-means聚类，其中k是预定的超像素数量
聚类结果将图像像素划分为k个超像素。
优化边界：为了得到更紧凑的超像素，LSC算法可能会包含一个优化步骤，通过最小化边界像素的权重和来调整超像素的边界。

在opencv中提供了其使用api：superpixel = cv2.ximgproc.createSuperpixelLSC(image, region_size, ratio)
参数说明：

image: 输入图像，它应该是一个8位的3通道图像（通常是彩色图像）。
region_size: 指定超像素区域的大小。这个参数决定了超像素的粗细程度，值越大，生成的超像素数量越少，每个超像素的大小也越大。
ratio: 控制超像素紧凑性的参数。这个参数通常是一个大于0且小于1的值，它影响了超像素之间的边界平滑程度。值越大，超像素越紧凑。

使用代码：

import cv2
import numpy as np

# 读取图像
img = cv2.imread(r"D:\AI_tool\GFPGAN-master\1.jpg")
img = cv2.resize(img,(0,0),fx=0.5,fy=0.5)
# 初始化SLIC，设置超像素平均尺寸和平滑因子
# 创建 LSC 分割器
region_size = 50  # 超像素区域大小
min_element_size = 200  # 最小元素大小


# 创建 LSC 超像素分割器
lsc = cv2.ximgproc.createSuperpixelLSC(img, region_size)

# 运行超像素分割
lsc.iterate(10)  # 迭代次数

# 获取分割结果
num_superpixels = lsc.getNumberOfSuperpixels()
labels = lsc.getLabels()

# 可视化分割结果
labels = np.uint8(labels)
segmented_image = cv2.cvtColor(labels, cv2.COLOR_GRAY2BGR)
segmented_image = cv2.applyColorMap(segmented_image, cv2.COLORMAP_JET)

# 将超像素边界绘制在原始图像上
mask = lsc.getLabelContourMask()
img_lsc = cv2.bitwise_and(img, img, mask=mask)

cv2.imshow('LSC Superpixel Segmentation', img_lsc)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()