SLIC算法分割超像素原理及Python、C++
超像素(SuperPixel),就是把原本多个像素点,组合成一个大的像素。比如,原本的图片有二十多万个像素,用超像素处理之后,就只有几千个像素了。后面做直方图等处理就会方便许多。经常作为图像处理的预处理步骤。
在超像素算法方面,SLIC Superpixels Compared to State-of-the-art Superpixel Methods这篇论文非常经典。论文中从算法效率,内存使用以及直观性比较了现有的几种超像素处理方法,并提出了一种更加实用,速度更快的算法——SLIC(simple linear iterative clustering),名字叫做简单的线性迭代聚类。其实是从k-means算法演化的,算法复杂度是O(n),只与图像的像素点数有关。
这个算法突破性的地方有二:
- 限制聚类时搜索的区域(2Sx2S),这样将k-means算法的复杂度降为常数。整个算法的复杂度为线性。
- 计算距离时考虑LAB颜色和XY距离,5维。这样就把颜色和距离都考虑进去了。通过M可以调整颜色和距离的比重,灵活性强,超像素更加规则。
SLIC算法原理
整个算法的输入只有一个,即超像素的个数K。
图片原有N个像素,要分割成K个像素,那么每个像素的大小是N/K。超像素之间的距离(即规则情况下超像素的边长)就是S=√N/K。
我们的目标是使代价函数(cost function)最小。具体到本算法中,就是每个像素到所属的中心点的距离之和最小。
首先,将K个超像素种子(也叫做聚类,即超像素的中心),均匀撒到图像的像素点上。
一次迭代的第一步,对每个超像素的中心,2S范围内的所有像素点,判断他们是否属于这个超像素。这样之后,就缩短了像素点到超像素中心的距离。
一次迭代的第二步,对每个超像素,将它的超像素中心移动到这个超像素的中点上。这样也缩短了像素点到超像素中心的距离。
一般来说,迭代10是聚类效果和计算成本折中的次数。
SLIC算法步骤
- 撒种子。将K个超像素中心分布到图像的像素点上。
- 微调种子的位置。以K为中心的3×3范围内,移动超像素中心到这9个点中梯度最小的点上。这样是为了避免超像素点落到噪点或者边界上。
- 初始化数据。取一个数组label保存每一个像素点属于哪个超像素。dis数组保存像素点到它属于的那个超像素中心的距离。
- 对每一个超像素中心x,它2S范围内的点:如果点到超像素中心x的距离(5维)小于这个点到它原来属于的超像素中心的距离,那么说明这个点属于超像素x。更新dis,更新label。
- 对每一个超像素中心,重新计算它的位置。
- 重复4 5 两步。
伪代码(来自论文)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 |
/∗ Initialization ∗/ Initialize cluster centers Ck = [lk , ak , bk , xk , yk ]T by sampling pixels at regular grid steps S. Move cluster centers to the lowest gradient position in a 3 × 3 neighborhood. Set label l(i) = −1 for each pixel i. Set distance d(i) = ∞ for each pixel i. repeat /∗ Assignment ∗/ for each cluster center Ck do for each pixel i in a 2S × 2S region around Ck do Compute the distance D between Ck and i. if D < d(i) then set d(i) = D set l(i) = k end if end for end for /∗ Update ∗/ Compute new cluster centers. Compute residual error E. until E ≤ threshold |
Python实现SLIC
最新版本的代码请看这里:https://github.com/laixintao/slic-python-implementation
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 |
import math from skimage import io, color import numpy as np from tqdm import trange class Cluster(object): cluster_index = 1 def __init__(self, h, w, l=0, a=0, b=0): self.update(h, w, l, a, b) self.pixels = [] self.no = self.cluster_index self.cluster_index += 1 def update(self, h, w, l, a, b): self.h = h self.w = w self.l = l self.a = a self.b = b def __str__(self): return "{},{}:{} {} {} ".format(self.h, self.w, self.l, self.a, self.b) def __repr__(self): return self.__str__() class SLICProcessor(object): @staticmethod def open_image(path): """ Return: 3D array, row col [LAB] """ rgb = io.imread(path) lab_arr = color.rgb2lab(rgb) return lab_arr @staticmethod def save_lab_image(path, lab_arr): """ Convert the array to RBG, then save the image """ rgb_arr = color.lab2rgb(lab_arr) io.imsave(path, rgb_arr) def make_cluster(self, h, w): return Cluster(h, w, self.data[h][w][0], self.data[h][w][1], self.data[h][w][2]) def __init__(self, filename, K, M): self.K = K self.M = M self.data = self.open_image(filename) self.image_height = self.data.shape[0] self.image_width = self.data.shape[1] self.N = self.image_height * self.image_width self.S = int(math.sqrt(self.N / self.K)) self.clusters = [] self.label = {} self.dis = np.full((self.image_height, self.image_width), np.inf) def init_clusters(self): h = self.S / 2 w = self.S / 2 while h < self.image_height: while w < self.image_width: self.clusters.append(self.make_cluster(h, w)) w += self.S w = self.S / 2 h += self.S def get_gradient(self, h, w): if w + 1 >= self.image_width: w = self.image_width - 2 if h + 1 >= self.image_height: h = self.image_height - 2 gradient = self.data[w + 1][h + 1][0] - self.data[w][h][0] + \ self.data[w + 1][h + 1][1] - self.data[w][h][1] + \ self.data[w + 1][h + 1][2] - self.data[w][h][2] return gradient def move_clusters(self): for cluster in self.clusters: cluster_gradient = self.get_gradient(cluster.h, cluster.w) for dh in range(-1, 2): for dw in range(-1, 2): _h = cluster.h + dh _w = cluster.w + dw new_gradient = self.get_gradient(_h, _w) if new_gradient < cluster_gradient: cluster.update(_h, _w, self.data[_h][_w][0], self.data[_h][_w][1], self.data[_h][_w][2]) cluster_gradient = new_gradient def assignment(self): for cluster in self.clusters: for h in range(cluster.h - 2 * self.S, cluster.h + 2 * self.S): if h < 0 or h >= self.image_height: continue for w in range(cluster.w - 2 * self.S, cluster.w + 2 * self.S): if w < 0 or w >= self.image_width: continue L, A, B = self.data[h][w] Dc = math.sqrt( math.pow(L - cluster.l, 2) + math.pow(A - cluster.a, 2) + math.pow(B - cluster.b, 2)) Ds = math.sqrt( math.pow(h - cluster.h, 2) + math.pow(w - cluster.w, 2)) D = math.sqrt(math.pow(Dc / self.M, 2) + math.pow(Ds / self.S, 2)) if D < self.dis[h][w]: if (h, w) not in self.label: self.label[(h, w)] = cluster cluster.pixels.append((h, w)) else: self.label[(h, w)].pixels.remove((h, w)) self.label[(h, w)] = cluster cluster.pixels.append((h, w)) self.dis[h][w] = D def update_cluster(self): for cluster in self.clusters: sum_h = sum_w = number = 0 for p in cluster.pixels: sum_h += p[0] sum_w += p[1] number += 1 _h = sum_h / number _w = sum_w / number cluster.update(_h, _w, self.data[_h][_w][0], self.data[_h][_w][1], self.data[_h][_w][2]) def save_current_image(self, name): image_arr = np.copy(self.data) for cluster in self.clusters: for p in cluster.pixels: image_arr[p[0]][p[1]][0] = cluster.l image_arr[p[0]][p[1]][1] = cluster.a image_arr[p[0]][p[1]][2] = cluster.b image_arr[cluster.h][cluster.w][0] = 0 image_arr[cluster.h][cluster.w][1] = 0 image_arr[cluster.h][cluster.w][2] = 0 self.save_lab_image(name, image_arr) def iterate_10times(self): self.init_clusters() self.move_clusters() for i in trange(10): self.assignment() self.update_cluster() name = 'lenna_M{m}_K{k}_loop{loop}.png'.format(loop=i, m=self.M, k=self.K) self.save_current_image(name) if __name__ == '__main__': p = SLICProcessor('Lenna.png', 500, 30) p.iterate_10times() |
效果如下:
Lenna图像在M=30,K=500时第一次迭代产生的超像素图。
Lenna图像在M=30,K=500时第10次迭代产生的超像素
SLIC算法分割超像素原理及Python、C++相关推荐
- MATLAB显示slic,quickshift超像素分割结果图
首先介绍vlfeat库函数:vl_slic,vl_quickshift,vl_quckseg vl_slic SLIC superpixels segments = vl_slic(im,regio ...
- opencv14-图像分割--超像素分割与形态学分割
二值形态学在二值图像上进行运算,二值图像是从其他等级的强度通道产生的.为了进行图像分析,采用的方法是去除形状噪声或异常值以及加强主要特征点.形态学可用于目标识别.细胞生物学.医学.粒子分析和自动显微镜 ...
- 易懂的Bresenham 布雷森汉姆算法画圆的原理与Python编程实现教程
Bresenham 布雷森汉姆算法画圆的原理与编程实现教程 注意:Bresenham的圆算法只是中点画圆算法的优化版本.区别在于Bresenham的算法只使用整数算术,而中点画圆法仍需要浮点数.注意: ...
- 分水岭算法分割图像的原理概述及OpenCV代码实现
图像处理开发需求.图像处理接私活挣零花钱,请加微信/QQ 2487872782 图像处理开发资料.图像处理技术交流请加QQ群,群号 271891601 前面博文中提到的图像阈值化,图像边缘检测,图像轮 ...
- (一)异常检测算法:Isolation Forest原理及其python代码应用
异常检测 (anomaly detection),又被称为"离群点检测" (outlier detection),是机器学习研究领域中跟现实紧密联系.有广泛应用需求的一类问题.但是 ...
- julia 调用python库_Julia调用Python实现超像素分割SLIC算法
最近想要在julia中实现 Simple Linear Iterative Clustering (SLIC) 算法对图像进行超像素分割,关于SLIC超像素分割算法,请参考SLIC Superpixe ...
- 超像素分割(Slic算法)——个人梳理
一.使用背景 我在进行乳腺癌图像识别的学校项目中,参考了山东大学的硕士论文,并希望加以简化复现,此论文会在文末附上.项目要求我们需要对乳腺癌图片进行分类(无肿瘤,良性肿瘤,恶性肿瘤),参照论文所说,我 ...
- 超像素(slic算法)特征提取(颜色,纹理)——个人梳理
一.研究背景 在上一篇slic超像素分割的文章中,提到了需要对分割后的超像素进行特征提取,依旧为简化复现论文,论文在文末附上,在这里我整理以下特征提取过程中的代码以及心得,方便后期回溯复盘.本文的特征 ...
- SLIC超像素分割的算法介绍和源码分析
前述 最近在看显著性检测,发现很多算法的基础是超像素分割,而正在看的Saliency Optimization from Robust Background Detection算法的预处理是SLIC算 ...
- python-opencv实现图像超像素分割(SLIC、SEEDS、LSC)
转载自:苏格拉- PYTHON - OPENCV实现图像超像素分割(SLIC.SEEDS.LSC) 超像素 超像素是把一张图片中具有相似特征的像素进行聚类,形成一个更具有代表性的大"像素&q ...
最新文章
- centos7配置bind重启后错误解决
- 定点量化误差python仿真.零极点(1)
- java引用其他类的数据头文件_Java 实现数据表与简单Java类映射转换
- linux命令实验设备,实验二 Linux系统的常用命令
- P3348-[ZJOI2016]大森林【LCT】
- C++ cin.sync()和cin.ignore()
- react(86)--列表项控制选中
- 前端学习(1668):前端系列实战课程之限制范围拖拽思路
- jQuery基础(3)- ajax
- HuggingFace学习1:tokenizer学习与将文本编码为固定长度(pytorch)
- matlab gui怎样将结果保存_Matlab将工作区变量保存到文件中的方法
- 将图片转化为txt文本显示
- 全面剖析Linux库文件路径的添加
- xp 无法关闭计算机,电脑xp系统关不了机怎么解决
- 2019美赛A题翻译
- 视频解析工具youtube-dl
- Linux串口应用编程详解(Serial)
- Prolog编程学习(一)
- Broadcast Recevier回顾及自定义DeviceAdminReceiver模板完善
- 快速计算平方根数(约翰·卡马克)