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

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。

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。

 

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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