OpenCV(EmguCV)2.1新特性介绍之图像分割GrabCut(GrabCut Of OpenCV 2.1)

桃扇骨 2022-05-29 02:48 172阅读 0赞

[http://www.cnblogs.com/xrwang/archive/2010/04/27/GrabCut.html][http_www.cnblogs.com_xrwang_archive_2010_04_27_GrabCut.html]

作者：王先荣  
前不久OpenCV和EmguCV相继发布了2.1版，增加了一些新的特性，本文关注的是其中的图像分割部分——GrabCut。GrabCut主要用于图像编辑中的抠图，作用跟Photoshop中的魔法棒、套索类似，但是更加强大。由于没有GrabCut的文档，探索具体的用法花费了不少时间和精力，仔细看了论文，大致看了源代码。

**GrabCut简介**  
OpenCV中的GrabCut算法是依据《"GrabCut" - Interactive Foreground Extraction using Iterated Graph Cuts》这篇文章来实现的。该算法利用了图像中的纹理（颜色）信息和边界（反差）信息，只要少量的用户交互操作即可得到比较好的分割结果。如果前景和背景之间的颜色反差不大，分割的效果不好；不过，这种情况下允许手工标记一些前景或背景区域，这样能得到较好的结果。经我测试，GrabCut算法的效率不高，初始化341x326大小的矩形窗大约需要20秒，处理需要9秒；而论文中宣称初始化450x300大小的矩形窗仅0.9秒，处理只要0.12秒；虽然矩形大小和测试环境稍有区别，但是结果却相差太多。

**GrabCut函数说明**  
函数原型：  
void cv::grabCut( const Mat& img, Mat& mask, Rect rect,  
Mat& bgdModel, Mat& fgdModel,  
int iterCount, int mode )  
其中：  
img——待分割的源图像，必须是8位3通道（CV\_8UC3）图像，在处理的过程中不会被修改；  
mask——掩码图像，如果使用掩码进行初始化，那么mask保存初始化掩码信息；在执行分割的时候，也可以将用户交互所设定的前景与背景保存到mask中，然后再传入grabCut函数；在处理结束之后，mask中会保存结果。mask只能取以下四种值：  
GCD\_BGD（=0），背景；  
GCD\_FGD（=1），前景；  
GCD\_PR\_BGD（=2），可能的背景；  
GCD\_PR\_FGD（=3），可能的前景。  
如果没有手工标记GCD\_BGD或者GCD\_FGD，那么结果只会有GCD\_PR\_BGD或GCD\_PR\_FGD；  
rect——用于限定需要进行分割的图像范围，只有该矩形窗口内的图像部分才被处理；  
bgdModel——背景模型，如果为null，函数内部会自动创建一个bgdModel；bgdModel必须是单通道浮点型（CV\_32FC1）图像，且行数只能为1，列数只能为13x5；  
fgdModel——前景模型，如果为null，函数内部会自动创建一个fgdModel；fgdModel必须是单通道浮点型（CV\_32FC1）图像，且行数只能为1，列数只能为13x5；  
iterCount——迭代次数，必须大于0；  
mode——用于指示grabCut函数进行什么操作，可选的值有：  
GC\_INIT\_WITH\_RECT（=0），用矩形窗初始化GrabCut；  
GC\_INIT\_WITH\_MASK（=1），用掩码图像初始化GrabCut；  
GC\_EVAL（=2），执行分割。

**GrabCut的用法**  
您可以按以下方式来使用GrabCut函数：  
（1）用矩形窗或掩码图像初始化grabCut；  
（2）执行分割；  
（3）如果对结果不满意，在掩码图像中设定前景和（或）背景，再次执行分割；  
（4）使用掩码图像中的前景或背景信息。

![2010042714522666.png][]

![2010042714540318.png][]

![2010042714573336.png][]

从上述图片中可以看出，用更多的迭代次数，或者更多的用户交互都能得到更好的结果。

**示例**  
下面是一个使用GrabCut进行图像分割的例子，其中用了P/INVOKE形式的CvGrabCut函数，以及封装在Image<TColor,TDepth>类中的GrabCut方法。封装的方法便于使用，但是缺少一些功能，灵活性不足。

![ExpandedBlockStart.gif][] 使用GrabCut

![复制代码][copycode.gif]

using
        
          System;
    
        
         using
        
          System.Collections.Generic;
    
        
         using
        
          System.ComponentModel;
    
        
         using
        
          System.Data;
    
        
         using
        
          System.Drawing;
    
        
         using
        
          System.Linq;
    
        
         using
        
          System.Text;
    
        
         using
        
          System.Windows.Forms;
    
        
         using
        
          System.Diagnostics;
    
        
         using
        
          System.Runtime.InteropServices;
    
        
         using
        
          Emgu.CV;
    
        
         using
        
          Emgu.CV.CvEnum;
    
        
         using
        
          Emgu.CV.Structure;
    
    
        
         namespace
        
          NewFeaturesOfOpenCV2._1
    {
        
        
         public
        
          
        
         partial
        
          
        
         class
        
          FormGrabCut : Form
        {
            
        
         //
        
         常量
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         static
        
          
        
         readonly
        
          Bgr Blue 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Bgr(255d, 0d, 0d);   
        
         //
        
         蓝色，用于绘制矩形
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         static
        
          
        
         readonly
        
          Bgr Green 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Bgr(0d, 255d, 0d);  
        
         //
        
         绿色，用于绘制前景曲线
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         static
        
          
        
         readonly
        
          Bgr Red 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Bgr(0d, 0d, 255d);    
        
         //
        
         红色，用于绘制背景曲线
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         const
        
          
        
         int
        
          LineWidth 
        
         =
        
          
        
         5
        
         ;                            
        
         //
        
         绘制线条的宽度
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         const
        
          
        
         int
        
          GC_BGD 
        
         =
        
          
        
         0
        
         ;                               
        
         //
        
         背景标志
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         const
        
          
        
         int
        
          GC_FGD 
        
         =
        
          
        
         1
        
         ;                               
        
         //
        
         前景标志
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         const
        
          
        
         int
        
          GC_PR_BGD 
        
         =
        
          
        
         2
        
         ;                            
        
         //
        
         可能的背景标志
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         const
        
          
        
         int
        
          GC_PR_FGD 
        
         =
        
          
        
         3
        
         ;                            
        
         //
        
         可能的前景标志
            
        
         //
        
         成员变量
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         string
        
          sourceImageFileName 
        
         =
        
          
        
         "
        
         wky_tms_2272x1704.jpg
        
         "
        
         ;
        
         //
        
         源图像文件名
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          Image
        
         <
        
         Bgr, Byte
        
         >
        
          imageSource 
        
         =
        
          
        
         null
        
         ;                
        
         //
        
         源图像
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          Image
        
         <
        
         Bgr, Byte
        
         >
        
          imageSourceClone 
        
         =
        
          
        
         null
        
         ;           
        
         //
        
         源图像的克隆
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          Image
        
         <
        
         Gray, Byte
        
         >
        
          imageMask 
        
         =
        
          
        
         null
        
         ;                 
        
         //
        
         掩码图像：保存初始化之后的掩码信息及用户绘制的信息
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          Matrix
        
         <
        
         Single
        
         >
        
          foregroundModel 
        
         =
        
          
        
         null
        
         ;              
        
         //
        
         前景模型
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          Matrix
        
         <
        
         Single
        
         >
        
          backgroundModel 
        
         =
        
          
        
         null
        
         ;              
        
         //
        
         背景模型
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         double
        
          xScale 
        
         =
        
          1d;                                 
        
         //
        
         原始图像与PictureBox在x轴方向上的缩放
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         double
        
          yScale 
        
         =
        
          1d;                                 
        
         //
        
         原始图像与PictureBox在y轴方向上的缩放
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          Point previousMouseLocation 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Point(
        
         -
        
         1
        
         , 
        
         -
        
         1
        
         );    
        
         //
        
         上次绘制线条时，鼠标所处的位置
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          Rectangle rect;                                     
        
         //
        
         初始化矩形窗口
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         bool
        
          initialized 
        
         =
        
          
        
         false
        
         ;                           
        
         //
        
         是否已经初始化过GrabCut
        
         
    
        
         
            
        
         public
        
          FormGrabCut()
            {
                InitializeComponent();
            }
    
            
        
         //
        
         加载窗体时
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         void
        
          FormGrabCut_Load(
        
         object
        
          sender, EventArgs e)
            {
                
        
         //
        
         设置提示
        
         
    
        
                     toolTip.SetToolTip(rbRect, 
        
         "
        
         使用鼠标在源图像绘制矩形窗口，在图像分割之前使用矩形窗口所在的区域进行初始化。
        
         "
        
         );
                toolTip.SetToolTip(rbMask, 
        
         "
        
         使用鼠标在源图像绘制掩码，左键绘制前景掩码，邮件绘制背景掩码，在图像分割之前使用掩码图像进行初始化。
        
         "
        
         );
                
        
         //
        
         初始化前景模型和背景模型
        
         
    
        
                     foregroundModel 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Matrix
        
         <
        
         float
        
         >
        
         (
        
         1
        
         , 
        
         13
        
          
        
         *
        
          
        
         5
        
         );
                backgroundModel 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Matrix
        
         <
        
         float
        
         >
        
         (
        
         1
        
         , 
        
         13
        
          
        
         *
        
          
        
         5
        
         );
                
        
         //
        
         加载默认图像
        
         
    
        
                     LoadImage();
            }
    
            
        
         //
        
         关闭窗体前，释放资源
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         void
        
          FormGrabCut_FormClosing(
        
         object
        
          sender, FormClosingEventArgs e)
            {
                
        
         if
        
          (imageSource 
        
         !=
        
          
        
         null
        
         )
                    imageSource.Dispose();
                
        
         if
        
          (imageSourceClone 
        
         !=
        
          
        
         null
        
         )
                    imageSourceClone.Dispose();
                
        
         if
        
          (imageMask 
        
         !=
        
          
        
         null
        
         )
                    imageMask.Dispose();
                
        
         if
        
          (foregroundModel 
        
         !=
        
          
        
         null
        
         )
                    foregroundModel.Dispose();
                
        
         if
        
          (backgroundModel 
        
         !=
        
          
        
         null
        
         )
                    backgroundModel.Dispose();
            }
    
            
        
         //
        
         加载源图像
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         void
        
          btnLoadImage_Click(
        
         object
        
          sender, EventArgs e)
            {
                OpenFileDialog ofd 
        
         =
        
          
        
         new
        
          OpenFileDialog();
                ofd.CheckFileExists 
        
         =
        
          
        
         true
        
         ;
                ofd.DefaultExt 
        
         =
        
          
        
         "
        
         jpg
        
         "
        
         ;
                ofd.Filter 
        
         =
        
          
        
         "
        
         图片文件|*.jpg;*.png;*.bmp|所有文件|*.*
        
         "
        
         ;
                
        
         if
        
          (ofd.ShowDialog(
        
         this
        
         ) 
        
         ==
        
          DialogResult.OK)
                {
                    
        
         if
        
          (ofd.FileName 
        
         !=
        
          
        
         ""
        
         )
                    {
                        sourceImageFileName 
        
         =
        
          ofd.FileName;
                        LoadImage();
                    }
                }
                ofd.Dispose();
            }
    
            
        
         //
        
         重新加载图像
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         void
        
          btnReload_Click(
        
         object
        
          sender, EventArgs e)
            {
                LoadImage();
            }
    
            
        
         //
        
         加载源图像
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         void
        
          LoadImage()
            {
                
        
         if
        
          (imageSource 
        
         !=
        
          
        
         null
        
         )
                    imageSource.Dispose();
                imageSource 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Image
        
         <
        
         Bgr, 
        
         byte
        
         >
        
         (sourceImageFileName);
                
        
         if
        
          (imageSourceClone 
        
         !=
        
          
        
         null
        
         )
                    imageSourceClone.Dispose();
                imageSourceClone 
        
         =
        
          imageSource.Copy();
                pbSource.Image 
        
         =
        
          imageSourceClone.Bitmap;
                
        
         if
        
          (imageMask 
        
         !=
        
          
        
         null
        
         )
                    imageMask.Dispose();
                imageMask 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Image
        
         <
        
         Gray, 
        
         byte
        
         >
        
         (imageSource.Size);
                imageMask.SetZero();
                xScale 
        
         =
        
          1d 
        
         *
        
          imageSource.Width 
        
         /
        
          pbSource.Width;
                yScale 
        
         =
        
          1d 
        
         *
        
          imageSource.Height 
        
         /
        
          pbSource.Height;
                rect 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Rectangle(
        
         -
        
         1
        
         , 
        
         -
        
         1
        
         , 
        
         1
        
         , 
        
         1
        
         );
                initialized 
        
         =
        
          
        
         false
        
         ;
            }
    
            
        
         //
        
         鼠标在源图像上按下时
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         void
        
          pbSource_MouseDown(
        
         object
        
          sender, MouseEventArgs e)
            {
                
        
         if
        
          (rbRect.Checked)
                    rect 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Rectangle((
        
         int
        
         )(e.X 
        
         *
        
          xScale), (
        
         int
        
         )(e.Y 
        
         *
        
          yScale), 
        
         1
        
         , 
        
         1
        
         );
                
        
         else
        
         
                    previousMouseLocation 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Point((
        
         int
        
         )(e.X 
        
         *
        
          xScale), (
        
         int
        
         )(e.Y 
        
         *
        
          yScale));
            }
    
            
        
         //
        
         鼠标在源图像上移动时
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         void
        
          pbSource_MouseMove(
        
         object
        
          sender, MouseEventArgs e)
            {
                
        
         //
        
         绘制矩形
        
         
    
        
                     
        
         if
        
          (rbRect.Checked 
        
         &&
        
          e.Button 
        
         !=
        
          MouseButtons.None)
                {
                    rect 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Rectangle(rect.Left, rect.Top, (
        
         int
        
         )(e.X 
        
         *
        
          xScale 
        
         -
        
          rect.Left), (
        
         int
        
         )(e.Y 
        
         *
        
          yScale 
        
         -
        
          rect.Top));
                    imageSourceClone.Dispose();
                    imageSourceClone 
        
         =
        
          imageSource.Clone();
                    imageSourceClone.Draw(rect, Blue, LineWidth);
                    pbSource.Image 
        
         =
        
          imageSourceClone.Bitmap;
                    
        
         return
        
         ;
                }
                
        
         //
        
         绘制线条，用于手工标记前景或者背景
        
         
    
        
                     
        
         if
        
          (rbMask.Checked 
        
         &&
        
          (e.Button 
        
         ==
        
          MouseButtons.Left 
        
         ||
        
          e.Button 
        
         ==
        
          MouseButtons.Right))
                {
                    
        
         if
        
          (previousMouseLocation.X 
        
         ==
        
          
        
         -
        
         1
        
          
        
         &&
        
          previousMouseLocation.Y 
        
         ==
        
          
        
         -
        
         1
        
         )
                    {
                        previousMouseLocation.X 
        
         =
        
          (
        
         int
        
         )(e.X 
        
         *
        
          xScale);
                        previousMouseLocation.Y 
        
         =
        
          (
        
         int
        
         )(e.Y 
        
         *
        
          yScale);
                    }
                    
        
         else
        
         
                    {
                        LineSegment2D line 
        
         =
        
          
        
         new
        
          LineSegment2D(previousMouseLocation, 
        
         new
        
          Point((
        
         int
        
         )(e.X 
        
         *
        
          xScale), (
        
         int
        
         )(e.Y 
        
         *
        
          yScale)));
                        
        
         if
        
          (e.Button 
        
         ==
        
          MouseButtons.Left)
                        {
                            imageMask.Draw(line, 
        
         new
        
          Gray((
        
         double
        
         )GC_FGD), LineWidth);
                            imageSourceClone.Draw(line, Green, LineWidth);
                        }
                        
        
         else
        
         
                        {
                            imageMask.Draw(line, 
        
         new
        
          Gray((
        
         double
        
         )GC_BGD), LineWidth);
                            imageSourceClone.Draw(line, Red, LineWidth);
                        }
                        pbSource.Image 
        
         =
        
          imageSourceClone.Bitmap;
                        previousMouseLocation 
        
         =
        
          line.P2;
                    }
    
                }
            }
    
            
        
         //
        
         鼠标在源图像上松开时
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         void
        
          pbSource_MouseUp(
        
         object
        
          sender, MouseEventArgs e)
            {
                
        
         if
        
          (rbRect.Checked 
        
         &&
        
          e.Button 
        
         !=
        
          MouseButtons.None)
                {
                    rect 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Rectangle(rect.Left, rect.Top, (
        
         int
        
         )(e.X 
        
         *
        
          xScale 
        
         -
        
          rect.Left), (
        
         int
        
         )(e.Y 
        
         *
        
          yScale 
        
         -
        
          rect.Top));
                    imageSourceClone.Dispose();
                    imageSourceClone 
        
         =
        
          imageSource.Clone();
                    imageSourceClone.Draw(rect, Blue, LineWidth);
                    pbSource.Image 
        
         =
        
          imageSourceClone.Bitmap;
                    
        
         //
        
         绘制矩形结束之后，初始化掩码图像
        
         
    
        
                         imageMask.SetZero();
                    imageMask.Draw(rect, 
        
         new
        
          Gray((
        
         double
        
         )GC_PR_FGD), 
        
         0
        
         );
                    
        
         return
        
         ;
                }
                
        
         if
        
          (rbMask.Checked)
                    previousMouseLocation 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Point(
        
         -
        
         1
        
         , 
        
         -
        
         1
        
         );
            }
    
            
        
         //
        
         开始图像分割
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         void
        
          btnStartSegment_Click(
        
         object
        
          sender, EventArgs e)
            {
                
        
         if
        
          (rect 
        
         !=
        
          
        
         new
        
          Rectangle(
        
         -
        
         1
        
         , 
        
         -
        
         1
        
         , 
        
         1
        
         , 
        
         1
        
         ))  
        
         //
        
         必须指定矩形窗
        
         
    
        
                     {
                    Stopwatch sw 
        
         =
        
          
        
         new
        
          Stopwatch();
                    Image
        
         <
        
         Gray, Byte
        
         >
        
          mask 
        
         =
        
          
        
         null
        
         ;
                    
        
         if
        
          (rbRect.Checked)
                    {
                        
        
         //
        
         用矩形窗初始化
        
         
    
        
                             sw.Reset();
                        sw.Start();
                        mask 
        
         =
        
          imageSource.GrabCut(rect, (
        
         int
        
         )nudIterCount.Value);  
        
         //
        
         注：Image.GrabCut等价于先用矩形初始化CvGrabCut(....,GRABCUT_INIT_TYPE.INIT_WITH_RECT)，然后再计算CvGrabCut(....,GRABCUT_INIT_TYPE.INIT_WITH_EVAL)
        
         
    
        
                             sw.Stop();
                        imageMask 
        
         =
        
          mask.Clone();
                        initialized 
        
         =
        
          
        
         true
        
         ;
                        ShowResult(
        
         "
        
         用矩形窗初始化GrabCut并计算
        
         "
        
         , sw.ElapsedMilliseconds);
                    }
                    
        
         else
        
         
                    {
                        
        
         //
        
         用掩码初始化
        
         
    
        
                             mask 
        
         =
        
          imageMask.Clone();
                        
        
         if
        
          (
        
         !
        
         initialized)
                        {
                            sw.Reset();
                            sw.Start();
                            CvInvoke.CvGrabCut(imageSource.Ptr, mask.Ptr, 
        
         ref
        
          rect, backgroundModel.Ptr, foregroundModel.Ptr, 
        
         1
        
         , GRABCUT_INIT_TYPE.INIT_WITH_MASK);
                            sw.Stop();
                            initialized 
        
         =
        
          
        
         true
        
         ;
                            ShowResult(
        
         "
        
         用掩码初始化GrabCut
        
         "
        
         , sw.ElapsedMilliseconds);
                        }
                        sw.Reset();
                        sw.Start();
                        CvInvoke.CvGrabCut(imageSource.Ptr, mask.Ptr, 
        
         ref
        
          rect, backgroundModel.Ptr, foregroundModel.Ptr, (
        
         int
        
         )nudIterCount.Value, GRABCUT_INIT_TYPE.EVAL);
                        sw.Stop();
                        ShowResult(
        
         "
        
         计算GrabCut
        
         "
        
         , sw.ElapsedMilliseconds);
                    }
                    CvInvoke.cvAndS(mask.Ptr, 
        
         new
        
          MCvScalar(1d), mask.Ptr, IntPtr.Zero);    
        
         //
        
         将掩码图像和1进行按位“与”操作，这样背景及可能的背景将变为0；而前景及可能的前景将变成1
        
         
    
        
                         Image
        
         <
        
         Bgr, Byte
        
         >
        
          result 
        
         =
        
          imageSource.Copy(mask);
                    pbResult.Image 
        
         =
        
          result.Bitmap;
                    mask.Dispose();
                    
        
         //
        
         result.Dispose();
        
         
    
        
                     }
                
        
         else
        
         
                    MessageBox.Show(
        
         this
        
         , 
        
         "
        
         在开始分割之前，请在源图像上绘制一个矩形窗口。
        
         "
        
         , 
        
         "
        
         缺少矩形窗
        
         "
        
         , MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information);
            }
    
            
        
         ///
        
          
        
         <summary>
        
         
            
        
         ///
        
          显示结果
            
        
         ///
        
          
        
         </summary>
        
         
            
        
         ///
        
          
        
         <param name="prompt">
        
         提示
        
         </param>
        
         
            
        
         ///
        
          
        
         <param name="elapsedMilliseconds">
        
         耗时
        
         </param>
        
         
    
        
                 
        
         private
        
          
        
         void
        
          ShowResult(
        
         string
        
          prompt, 
        
         double
        
          elapsedMilliseconds)
            {
                txtResult.Text 
        
         +=
        
          
        
         string
        
         .Format(
        
         "
        
         {0}，耗时：{1:F04}毫秒，参数（矩形窗起点：{2}，大小：{3}X{4}，迭代次数：{5}）。\r\n
        
         "
        
         ,
                    prompt, elapsedMilliseconds, rect.Location, rect.Width, rect.Height, nudIterCount.Value);
            }
        }
    }

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