[發明專利]一種權重自動選擇的圖像分割方法

有效

• 申請號: 201310238264.6
• 申請日: 2013-06-17
• 公開（公告）號: CN103310452A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 馬偉;劉倞;段立娟
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

1.一種權重自動選擇的圖像分割方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟一，添加前、背景線索；

讀入圖像后，采用鼠標、觸摸屏或者手寫筆等輸入設備，通過在圖像上勾畫不同顏色的線條指定部分前、背景像素；后續步驟對于該步驟中所用的前背景像素指定方式并無限制，亦可使用其它方式，例如，采用圓點指定部分前景，用方塊指定部分背景；

步驟二，定義前、背景顏色模型；

用F表示指定的前景像素集合，B表示指定的背景像素集合；采用K-means聚類方法，對F與B中的像素或超像素顏色值分別進行聚類，得到前、背景的顏色統計模型；前景模型表示為N個前景類簇背景模型表示為M個背景類簇建議N=M=64；

步驟三，定義能量函數；

圖像可以表示成一個無向圖G＝<ν,ε>，ν為圖G中的節點集合，ε為邊的集合；圖G中的每個頂點i∈ν，對應圖像的一個像素或過分割后的超像素；圖像中除集合F和集合B中的像素外，其余像素設定屬于集合U；圖像分割可視為一個二元標記問題，即為集合U中的每個節點分配一個唯一的標記x_i，x_i∈{0,1}；x_i＝0表示節點i屬于背景，x_i＝1表示節點i屬于前景；求解上述二元標記問題，可視為求解使得以下能量函數最小化的標記集合：

E(X)=Σi∈{F,B}E0(xi)+ωΣi∈UE1(xi)+Σ(i,j)∈ϵ,xi≠xjE2(xi,xj)---(1)]]>

式中，E₀(x_i)為強制約束項，E₁(x_i)為顏色約束項，E₂(x_i,x_j)為梯度約束項，ω表示權重；

E₀(x_i)用于強制限制已被交互式標定的像素，即屬于F和B的像素不在分割過程中被重標記，其定義為：

E0(xi=1)=0E0(xi=0)=∞∀i∈FE0(xi=1)=∞E0(xi=0)=0∀i∈B]]>

E₁(x_i)表示x_i＝0和x_i＝1時的代價；E₂(x_i,x_j)用于表示相鄰像素分別取不同標記時的代價；由于E₀(x_i)作為強制約束項不隨其它能量項的強弱而變化，因此不受權重的影響；ω僅用于調節E₁(x_i)與E₂(x_i,x_j)；ω越大，表示對顏色項E₁(x_i)的依賴越大；反之，則對梯度項E₂(x_i,x_j)的依賴大；

(1)定義顏色約束項

顏色約束項E₁(x_i)定義為：

E1(xi=1)=diFdiF+diBE1(xi=0)=diBdiF+diB∀i∈U]]>

式中，與分別表示節點i到前、背景分布之間的距離；用C_i表示節點i的顏色值，則diF=mink=1,..,64||Ci-KkF||,diB=mink=1,..,64||Ci-KkB||;]]>

(2)定義梯度約束項

梯度約束項E₂(x_i,x_j)的定義為：

E2(xi,xj)=|xi-xj|λ1+||Ci-Cj||2]]>

式中，C_i、C_j分別表示節點i和節點j的顏色值，i、j為圖上的相鄰節點；λ是調節E₁與E₂值域的常數；分母中的1是為了避免零分母而設定；|x_i-x_j|表示E₂(x_i,x_j)僅在x_i與x_j取值不同時有值；梯度反映的是相鄰像素間顏色的差異；梯度越大，相鄰像素顏色的差異越大，此相鄰像素處在待分割對象邊界上的可能性越大；反之，可能性越小；

(3)自動選擇權值

通過分析圖G中每個節點與前、背景顏色分布的距離，實現權重自動選擇；對于節點i，ω的定義為：

ω=1|diF-diB|≥ηω=0|diF-diB|<η]]>

式中，η為與的差值限定范圍閾值；

通過計算與的差值，判斷像素顏色與前、背景顏色分布的差異，若差值在限定范圍之內，ω＝0；若在限定范圍之外，ω＝1；當ω＝0時，顏色約束項不起作用，只考慮梯度約束；當ω＝1時，顏色約束項恢復作用，像素在顏色約束和梯度約束的共同作用下進行前背景劃分；

步驟四，求解能量函數最小值；

采用圖割算法，通過最優化能量函數（1），得到最優的標記結果，即分割結果；若對分割結果不滿意，可返回步驟一，繼續添加前、背景線索；每添加一筆，將觸發一次分割過程。