opencv::基於距離變換與分水嶺的圖像分割


 

什么是圖像分割
    圖像分割(Image Segmentation)是圖像處理最重要的處理手段之一
    圖像分割的目標是將圖像中像素根據一定的規則分為若干(N)個cluster集合,每個集合包含一類像素。
    根據算法分為監督學習方法和無監督學習方法,圖像分割的算法多數都是無監督學習方法 - KMeans


距離變換常見算法有兩種
    - 不斷膨脹/腐蝕得到
    - 基於倒角距離

分水嶺變換常見的算法
    - 基於浸泡理論實現 

 

cv::distanceTransform(
    InputArray  src, 
    OutputArray dst,  
    OutputArray  labels,  //離散維諾圖輸出
    int  distanceType,    // DIST_L1/DIST_L2,
    int maskSize,            // 3x3,最新的支持5x5,推薦3x3、
    int labelType=DIST_LABEL_CCOMP //dst輸出8位或者32位的浮點數,單一通道,大小與輸入圖像一致
)

cv::watershed(
    InputArray image, 
    InputOutputArray  markers
)

 

處理流程
    1. 將白色背景變成黑色-目的是為后面的變換做准備
    2. 使用filter2D與拉普拉斯算子實現圖像對比度提高,sharp
    3. 轉為二值圖像通過threshold
    4. 距離變換
    5. 對距離變換結果進行歸一化到[0~1]之間
    6. 使用閾值,再次二值化,得到標記
    7. 腐蝕得到每個Peak - erode
    8. 發現輪廓 – findContours
    9. 繪制輪廓- drawContours
    10. 分水嶺變換 watershed
    11. 對每個分割區域着色輸出結果

 

int main(int argc, char** argv) {
    char input_win[] = "input image";
    char watershed_win[] = "watershed segmentation demo";
    Mat src = imread(STRPAHT2);
    if (src.empty()) {
        printf("could not load image...\n");
        return -1;
    }
    namedWindow(input_win, CV_WINDOW_AUTOSIZE);
    imshow(input_win, src);

    
    // 將白色背景變成黑色-為后面的變換做准備
    for (int row = 0; row < src.rows; row++) {
        for (int col = 0; col < src.cols; col++) {
            if (src.at<Vec3b>(row, col) == Vec3b(255, 255, 255)) {
                src.at<Vec3b>(row, col)[0] = 0;
                src.at<Vec3b>(row, col)[1] = 0;
                src.at<Vec3b>(row, col)[2] = 0;
            }
        }
    }
    //namedWindow("black background", CV_WINDOW_AUTOSIZE);
    //imshow("black background", src);
    
    
    // sharpen
    Mat kernel = (Mat_<float>(3, 3) << 1, 1, 1, 1, -8, 1, 1, 1, 1);
    Mat imgLaplance;
    Mat sharpenImg = src;
    //使用filter2D與拉普拉斯算子實現圖像對比度提高,sharp
    filter2D(src, imgLaplance, CV_32F, kernel, Point(-1, -1), 0, BORDER_DEFAULT);
    src.convertTo(sharpenImg, CV_32F);
    Mat resultImg = sharpenImg - imgLaplance;

    resultImg.convertTo(resultImg, CV_8UC3);
    imgLaplance.convertTo(imgLaplance, CV_8UC3);
    imshow("sharpen image", resultImg);

    
    // convert to binary
    Mat binaryImg;
    cvtColor(src, resultImg, CV_BGR2GRAY);
    // 轉為二值圖像通過threshold
    threshold(resultImg, binaryImg, 40, 255, THRESH_BINARY | THRESH_OTSU);
    imshow("binary image", binaryImg);

    
    Mat distImg;
    // 每一個非零點距離離自己最近的零點的距離
    distanceTransform(binaryImg, distImg, DIST_L1, CV_DIST_C, 5);

    // 歸一化
    normalize(distImg, distImg, 0, 1, NORM_MINMAX);
    imshow("distance result", distImg);

    // 使用閾值,再次二值化,得到標記
    threshold(distImg, distImg, .4, 1, THRESH_BINARY);
    Mat k1 = Mat::ones(13, 13, CV_8UC1);
    // 膨脹/腐蝕
    erode(distImg, distImg, k1, Point(-1, -1));
    imshow("distance binary image", distImg);

    // markers 
    Mat dist_8u;
    distImg.convertTo(dist_8u, CV_8U);
    vector<vector<Point>> contours;
    // 發現輪廓
    findContours(dist_8u, contours, RETR_EXTERNAL, CHAIN_APPROX_SIMPLE, Point(0, 0));

    // 繪制輪廓
    Mat markers = Mat::zeros(src.size(), CV_32SC1);
    for (size_t i = 0; i < contours.size(); i++) {
        drawContours(markers, contours, static_cast<int>(i), Scalar::all(static_cast<int>(i) + 1), -1);
    }
    circle(markers, Point(5, 5), 3, Scalar(255, 255, 255), -1);
    imshow("my markers", markers * 1000);

    
    // 分水嶺變換
    watershed(src, markers);
    Mat mark = Mat::zeros(markers.size(), CV_8UC1);
    markers.convertTo(mark, CV_8UC1);
    bitwise_not(mark, mark, Mat());
    imshow("watershed image", mark);

    // 對每個分割區域着色輸出結果
    vector<Vec3b> colors;
    for (size_t i = 0; i < contours.size(); i++) {
        int r = theRNG().uniform(0, 255);
        int g = theRNG().uniform(0, 255);
        int b = theRNG().uniform(0, 255);
        colors.push_back(Vec3b((uchar)b, (uchar)g, (uchar)r));
    }

    Mat dst = Mat::zeros(markers.size(), CV_8UC3);
    for (int row = 0; row < markers.rows; row++) {
        for (int col = 0; col < markers.cols; col++) {
            int index = markers.at<int>(row, col);
            if (index > 0 && index <= static_cast<int>(contours.size())) {
                dst.at<Vec3b>(row, col) = colors[index - 1];
            }
            else {
                dst.at<Vec3b>(row, col) = Vec3b(0, 0, 0);
            }
        }
    }
    imshow("Final Result", dst);
    
    waitKey(0);
    return 0;
}

 


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