综述：计算机视觉中的图像分割

一、说明

这篇文章是关于图像分割的探索，这是解决计算机视觉问题（如对象检测、对象识别、图像编辑、医学图像分析、自动驾驶汽车等）的重要步骤之一。让我们从介绍开始。

二、图像分割介绍

图像分割是计算机视觉中的一项基本任务，涉及将图像划分为多个片段或区域，每个片段或区域对应于一个有意义的对象或图像的一部分。图像分割的目标是将图像划分为同质区域，其中每个区域共享相似的视觉特征，例如颜色、纹理或强度，同时与相邻区域不同。

简单来说，图像分割旨在分离图像中的不同对象或感兴趣区域，使计算机能够在更精细的层面上理解和分析图像的内容。

三、用于图像分割的常用方法

阈值：设置固定阈值，根据像素强度或颜色将图像划分为二进制区域。
基于区域的分割：使用区域增长或区域合并等技术将具有相似特征的像素分组到区域中。
基于边缘的分割：检测图像中的边缘或边界，并根据这些边缘分离不同的对象。
聚类：使用 k 均值或均值偏移等聚类算法将具有相似特征的像素分组到线段中。
流域分割：将影像视为地形景观，并从标记中淹没影像以创建不同的区域。
基于深度学习的分割：利用卷积神经网络（CNN）和深度学习技术来学习分割任务的复杂表示。流行的架构包括U-Net，SegNet和DeepLab。
马尔可夫随机场（MRF）和条件随机场（CRF）：MRF 和 CRF 是图像分割中使用的概率图形模型，用于对像素之间的空间关系进行建模。它们有助于将上下文信息和平滑度约束纳入分割过程。

四、使用阈值法进行图像分割的示例

在此示例中，我们将仅使用两个不同区域分割图像：背景和前景。假设我们有一个由像素值矩阵表示的灰度图像。每个像素值代表该点的光强度。为简单起见，让我们考虑一个小的 5x5 图像：

图像 = [
[100， 150， 200， 100， 50]， [50， 150， 200， 100， 150]， [200， 200， 150， 150， 50]， [50， 100， 100， 50， 50]， [50， 50， 50， 50，100] ]

我们的目标是将图像分为两个区域：背景（低强度）和前景（高强度）。

步骤1：阈值阈值是根据阈值将灰度图像转换为二进制图像的过程。强度值大于或等于阈值的像素分配给前景，强度值低于阈值的像素分配给背景。

让我们将阈值设置为 100：

阈值 = 100

现在我们将阈值应用于每个像素：

二值图像 = [ [0， 1， 1， 0， 0]， [0， 1， 1， 0， 1]， [1， 1， 1， 1， 0]， [0， 0， 0， 0， 0， 0]，[0， 0， 0， 0， <>，<>] ]

在此二进制图像中，0 表示背景（低于阈值的强度），1 表示前景（强度等于或高于阈值）。

后处理（可选）： 在许多情况下，您可能希望应用其他后处理来改进分割结果，例如降噪、形态学操作（膨胀、侵蚀）或连接组件分析以合并或拆分区域。

五、为什么要在计算机视觉中进行图像分割？

图像分割至关重要，原因如下：

语义理解：分割提供了对图像中内容的更详细和结构化的理解。通过用特定的类或类别标记每个区域，计算机视觉系统可以更好地掌握场景的语义和上下文。
物体识别和检测： 图像分割可以识别和定位图像中的对象。一旦将图像分成多个部分，就可以单独提取和分析单个对象，从而更容易识别和检测复杂场景中的对象。
实例分段：除了对对象进行分类外，图像分割还可以区分同一对象的多个实例。在图像中存在多个相同类型的对象（例如计数或跟踪对象）的情况下，此粒度级别至关重要。
对象跟踪：分割有助于跨视频帧跟踪对象。通过一致地分割每帧中的对象，可以随着时间的推移分析它们的轨迹和运动。
场景理解： 对于自动驾驶等任务，场景理解至关重要。图像分割可以帮助识别道路边界、车道标记、行人和其他车辆，从而开发更安全、更可靠的自主系统。
图像编辑和操作：分割允许有选择地修改图像中的特定区域。例如，它可用于删除不需要的对象、更改背景或仅将特定滤镜或效果应用于特定区域。
医学成像： 在医疗应用中，图像分割用于各种目的，例如肿瘤检测、器官分割和细胞分析，有助于疾病诊断和治疗计划。
图像压缩： 分割可以帮助优化图像压缩技术，因为它更多地关注保留重要片段，同时降低不太关键区域的复杂性。

六、一些常见图像分割方法的 Python 实现示例

以下是一些常见图像分割方法的 Python 实现：

阈值化（简单图像分割）：阈值是一种基本的分割方法，它根据阈值将图像分成两个区域。

导入简历2

def threshold_segmentation（image， threshold_value）：
_， binary_image = cv2.threshold（image， threshold_value， 255， cv2.THRESH_BINARY）
返回binary_image

2. K 均值聚类：K 均值聚类是一种无监督方法，可根据像素值将图像中的像素分组为 K 个聚类。

导入 CV2
导入 NUMPY 作为 NP

def kmeans_segmentation（image， num_clusters）：
# 将图像重塑为像素的 2D 数组像素 = image.reshape（（-1， 3）） # 将数据类型转换为 float32 像素 = np.float32（
像素
） # 定义条件（K 均值算法的停止条件）

标准 = （cv2.TERM_CRITERIA_EPS + CV2。TERM_CRITERIA_MAX_ITER， 100， 0.2）

# 执行 K-Means 聚类
_，标签，中心 = cv2.kmeans（pixels， num_clusters， None， criteria， 10， cv2.KMEANS_RANDOM_CENTERS） # 转换回 8 位值 center = np.uint8（center） # 将像素值映射到它们各自的中心
segmented_image = centers[labels.flatten（）]

# 将分割后的图像重塑为原始形状
segmented_image = segmented_image.reshape（image.shape）

返回segmented_image

3. 抓取剪切：抓取切割是一种交互式图像分割技术，要求用户指定前景和背景区域。

导入 CV2
导入 NUMPY 作为 NP

def grabcut_segmentation（image， rect）：
mask = np.zeros（image.shape[：2]， np.uint8） bgd_model = np.zeros（（1， 65）， np.float64） fgd_model = np.zeros（（1， 65）， np.float64）

cv2.grabCut（image， mask， rect， bgd_model， fgd_model， 5， cv2.GC_INIT_WITH_RECT） mask2 = np.where（（mask == 2）
|（mask == 0）， 0， 1）.astype（'uint8'）
segmented_image = image * mask2[：，：， np.newaxis]

返回segmented_image

4.均值偏移：均值偏移是一种基于聚类的方法，可将数据点迭代地移向数据分布模式。

导入简历2

def mean_shift_segmentation（image， spatial_radius， color_radius， min_density）：
shifted_image = cv2.pyrMeanShiftFiltering（image， spatial_radius， color_radius， min_density）
return shifted_image

注意：请记住 在运行这些功能之前安装所需的库。cv2numpy