專利名稱：一種漸進式圖像分割方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機視覺、計算機圖形學和圖像處理交叉領(lǐng)域，涉及一種基于形狀先驗的漸進式圖像分割方法。給定一張圖像，用戶可通過所設(shè)計的用戶界面提供形狀約束信息，結(jié)合形狀約束以及圖像本身的梯度信息，采用圖割方法計算分割結(jié)果。
背景技術(shù)：
圖像分割是將感興趣的對象物從圖像中分割出來的過程。圖像分割對于以目標物為基本元素的研究領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，例如，二維到三維圖像的轉(zhuǎn)換，從二維圖像中制作動畫，以及醫(yī)學圖像分析與建模等。在圖像分割問題的最優(yōu)化求解算法中，圖割算法(graph cut)由于能夠計算得到全局最優(yōu)解而得到廣泛使用。圖割算法將賦予圖像中每個像素一個唯一的標記，即前景或背景，從而實現(xiàn)分割。采用圖割算法進行圖像分割的關(guān)鍵是如何建立目標函數(shù)，目標函數(shù)的定義關(guān)系到分割效果的好壞。當前，基于圖割算法的多數(shù)圖像分割方法，是通過用戶交互指定部分前、背景，然后根據(jù)指定的部分分析并建立前、背景的顏色模型。對于未知部分的像素，根據(jù)其在顏色空間中與前、背景模型的距離來衡量其作為前景或是背景的可能性。該類方法在邊界清晰的情況下能夠得到良好的結(jié)果。然而，現(xiàn)實中的大部分圖像并不滿足這樣的條件。有些古畫經(jīng)過時間的磨礪，畫面噪點嚴重且邊界模糊。即便是在相機拍攝的照片中，由于不同目標物常常顏色相似，也會造成部分邊界不分明。如何從這類圖像中方便地提取感興趣對象物成為一個亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前圖像 分割方法存在的難以分割邊界模糊圖像等問題，本發(fā)明提出一種基于形狀先驗的漸進式圖像分割方法，可以便捷地從圖像中分割目標物，在處理不清晰邊界時亦能夠得到滿意的分割結(jié)果。本發(fā)明的技術(shù)方案為:采用交互簡單、形式自由的線條作為輸入形式，用戶可通過觸摸屏、數(shù)位板甚至鼠標沿目標物邊界勾勒。將每條新加入的線稱為生曲線，即未經(jīng)過任何處理的曲線。將曲線記錄為一系列連續(xù)的節(jié)點。然后，將其在考慮噪聲情況下，融合到已經(jīng)成型的形狀曲線部分。如果是第一條生曲線，則直接作為形狀曲線。形狀曲線也由一系列節(jié)點組成，每個節(jié)點同時記錄曲線在此處的寬度，即組成此節(jié)點的生曲線的數(shù)目。接著，將更新過的形狀曲線形式化為形狀約束項，將節(jié)點寬度作為節(jié)點處的形狀先驗的權(quán)重，結(jié)合圖像梯度信息，構(gòu)造能量函數(shù)。最后，采用圖割算法求解函數(shù)最小值，得到分割結(jié)果。用戶每添加一條生曲線都會執(zhí)行上述步驟，用戶通過觀察實時反饋的結(jié)果，添加新的生曲線來更新形狀曲線，以實現(xiàn)分割結(jié)果優(yōu)化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于:(I)提出基于形狀先驗的漸進式分割方法，每步操作能夠有實時的結(jié)果反饋，能夠保證得到用戶想要的分割結(jié)果；(2)提出以形式自由的線條作為輸入，通過擬合形成形狀先驗的便捷策略；(3)所構(gòu)造的能量函數(shù)，在不同時間、空間位置處，用于調(diào)節(jié)形狀先驗與梯度約束的權(quán)重，都可以通過用戶控制而改變。本發(fā)明可以應(yīng)對不同位置邊界清晰度不同的情況，同時可在通過添加生曲線，改變局部權(quán)重并激發(fā)一個新的迭代計算，優(yōu)化分割結(jié)果。


圖1為本發(fā)明所述方法的流程圖；圖2為本發(fā)明應(yīng)用實例的實驗結(jié)果:(a)為輸入的圖像以及生曲線，(b)為分割結(jié)
果O
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明是一個迭代的、漸進式的方法，用戶每添加一條生曲線，將會觸發(fā)一次基于形狀先驗的優(yōu)化過程，每次優(yōu)化都會實時反饋分割結(jié)果。每次迭代的方法流程圖如圖1所示，具體包括以下步驟:步驟一，更新形狀曲線。本發(fā)明采用擬合生曲線的方式形成形狀曲線。鑒于勾勒短曲線遠比勾勒長曲線容易，本發(fā)明建議短曲線作為用戶輸入，但并不限制輸入曲線的長短。融合生成形狀曲線的另外一個優(yōu)勢是可以通過在局部位置處添加新曲線來調(diào)整形狀曲線。具體包括以下內(nèi)容:(I)勾勒生曲線在用戶界面中讀入圖像 ，用戶用觸摸屏、數(shù)位板或者鼠標沿感興趣的對象物的邊緣勾勒生曲線。所有生曲線與形狀曲線的起止順序須一致，例如，都遵循逆時針或順時針順序。此順序是步驟二中前、背景的方位假定的依據(jù)。(2)擬合曲線如果當前迭代屬于第一個回合，則生曲線本身就是形狀曲線；如果非第一回合，即已經(jīng)存在部分形狀曲線，則通過擬合生曲線與現(xiàn)有形狀曲線的方式更新形狀曲線。兩類曲線均由一系列節(jié)點組成。用S表示新增生曲線，用(T1 ={(4'表示
前一次迭代，即t-ι時刻形成的形狀曲線，η = 1，2，...，N，N為節(jié)點的數(shù)目；Pt表示第η
個節(jié)點在t-Ι時刻在圖像上的位置；表示此節(jié)點處曲線的寬度，即形成此節(jié)點所用的
生曲線的數(shù)目；假定CT1的第η個節(jié)點在S上的對應(yīng)點表示為qn，qn即CT1在K1處的法線與曲線S的交點；則當前迭代，即t時刻的形狀曲線Ct的第η個節(jié)點在圖像上的位置P和該節(jié)點處的曲線寬度< 分別為:Pn =0.5^+0.5 wX 十 I考慮到自由輸入的生曲線往往較為雜亂，規(guī)定:如果9 與/7的距離大于一定閾值(建議為0.5 δ個像素，δ是以像素為單位的常數(shù)),對應(yīng)點不作為融合點考慮,則:
P' = P':'Wrll = Wt;1(3)添加富余量如果S與CT1具備疊合部分且有富余量，則將富余量對應(yīng)的節(jié)點添加到Ct中，并在Ct中對作為富余量添加的部分與擬合生成的部分的交接處進行局部光滑處理。對于清晰的待分割的對象物的邊界，形狀曲線不必完全貼合邊界，梯度信息會在分割邊界的確定上起到?jīng)Q定性的作用；對于不清晰的邊界，用戶需要通過多添加生曲線的方式，較為準確地指定形狀曲線，并提高形狀先驗的權(quán)重。步驟二，構(gòu)造并求解能量函數(shù)。將當前迭代過程中，更新的以及作為富余量添加的部分形狀曲線表示為C’。僅僅在C’的周圍執(zhí)行分割，即對距離C’小于δ的像素進行前、背景分類。δ的取值關(guān)系到計算復雜度，同時也關(guān)系到真正的分割邊界的搜尋范圍，為了平衡二者，建議δ取20個像素。具體包括以下內(nèi)容:(I)定義能量函數(shù)將所涉及的像素表示為圖G =〈V，ε >，其中V表示所有像素集合，ε表示相鄰像素之間的邊。目標是將這些像素分為前景和背景，以找到穿過這些像素的真正的邊界。即用Xi標注每個像素。Xi e {1，0}，分別表示前景和背景。定義能量函數(shù)如下:
權(quán)利要求
1.一種漸進式圖像分割方法，其特征在于所述方法是一個迭代的、漸進式的方法，用戶每添加一條生曲線，將會觸發(fā)一次基于形狀先驗的優(yōu)化過程，每次優(yōu)化都會實時反饋分割結(jié)果；每次迭代包括以下步驟: 步驟一，更新形狀曲線，具體包括以下內(nèi)容: (1)勾勒生曲線 在用戶界面中讀入圖像，用戶用觸摸屏、數(shù)位板或者鼠標沿感興趣的對象物的邊緣勾勒生曲線；所有生曲線與形狀曲線的起止順序須一致，都遵循逆時針或順時針順序；此順序為步驟二中前、背景的方位假定的依據(jù)。
(2)擬合曲線 如果當前迭代屬于第一回合，則生曲線本身就是形狀曲線；如果非第一回合，即已經(jīng)存在部分形狀曲線，則通過擬合生曲線與現(xiàn)有形狀曲線的方式更新形狀曲線； 兩類曲線均由一系列節(jié)點組成；用S表示新增生曲線，用Cm表示前一次迭代，即t-Ι時刻形成的形狀曲線，η= 1，2，...，N，N為節(jié)點的數(shù)目P 1表示第η個節(jié)點在t-Ι時刻在圖像上的位置；《C1表示此節(jié)點處曲線的寬度，即形成此節(jié)點所用的生曲線的數(shù)目；假定CT1的第η個節(jié)點P;;1在S上的對應(yīng)點表示為qn，qn即CT1在Pt 1處的法線與曲線S的交點；則當前迭代，即t時刻的形狀曲線Ct的第η個節(jié)點在圖像上的位置g和該節(jié)點處的曲線寬度<分別為:
全文摘要
本發(fā)明屬于計算機視覺、計算機圖形學和圖像處理交叉領(lǐng)域，公開了一種基于形狀先驗的漸進式圖像分割方法。本發(fā)明是一個迭代的、漸進式的方法，用戶每添加一條生曲線，將會觸發(fā)一次基于形狀先驗的優(yōu)化過程，每次優(yōu)化都會實時反饋分割結(jié)果。每次迭代的方法包括勾勒生曲線，擬合曲線，添加富余量，定義能量函數(shù)，定義數(shù)據(jù)項，定義形狀先驗項，定義梯度項，求解能量函數(shù)。本發(fā)明提出的基于形狀先驗的漸進式圖像分割方法，每步操作能夠有實時的結(jié)果反饋，能夠保證得到用戶想要的分割結(jié)果。另外，本發(fā)明所述方法可以便捷地從圖像中分割目標物，即便在前、背景顏色重疊嚴重，邊界不清晰的情況下，也可得到滿意的分割結(jié)果。
文檔編號G06T7/00GK103247050SQ20131018024
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月16日
發(fā)明者馬偉, 段立娟 申請人:北京工業(yè)大學