计算机视觉——OpenCV 使用分水岭算法进行图像分割

分水岭算法

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分水岭算法：模拟地理形态的图像分割

分水岭算法通过模拟自然地形来实现图像中物体的分类。在这一过程中，每个像素的灰度值被视作其高度，灰度值较高的像素形成山脊，即分水岭，而二值化阈值则相当于水平面，低于这个水平面的区域会被“淹没”。

测地线距离：地形分析的核心

测地线距离是分水岭算法中的一个关键概念，它代表地球表面两点间的最短路径。这一概念在图论中同样适用，指的是图中两节点间的最短路径，与欧氏距离相比，测地线距离考虑的是实际路径。

分水岭算法的执行步骤

梯度图像分类：根据灰度值对梯度图像中的像素进行分类，并设定测地距离阈值。
起始点标记：选择灰度值最小的像素点作为起始点，这些点通常是局部最小值。
水平面上升：随着阈值的增长，测量周围邻域像素到起始点的测地距离。若小于阈值，则淹没这些像素；若大于阈值，则在这些像素上建立“大坝”。
大坝设置与区域分区：随着水平面的上升，建立更多的大坝，直到所有区域在分水岭线上相遇，完成图像的分区。

避免过度分割的策略

分水岭算法可能会因噪声或干扰导致图像过度分割，形成过多的小区域。解决这一问题的方法包括：

高斯平滑：通过高斯平滑减少噪声，合并小分区。
基于标记的分水岭算法：选择相对较高的灰度值像素作为起始点，手动标记或使用自动方法如距离变换来确定，从而合并小区域。

OpenCV 实现 Watershed 算法

函数原型：

void watershed( InputArray image, InputOutputArray markers );

参数说明：

image：输入的图像，必须是8位的单通道灰度图像。这个图像的梯度信息将被用来模拟水流向低洼地区流动的过程。
markers：输入输出参数，是一个与原图像大小相同的图像，用于存放分割标记。在函数调用前，这个图像应该被初始化，其中包含了用户定义的分割区域的标记。标记是通过正整数索引来表示的，表示用户已知的前景或背景区域。所有未知区域（即算法需要确定的区域）应该被标记为0。函数执行完成后，每个像素点的标记将被更新为“种子”组件的值，或者在区域边界处被设置为-1。

功能说明：

watershed 函数会分析 image 的梯度信息，并使用 markers 中定义的已知区域作为分割的起点（种子点）。
算法将从这些种子点开始，逐步对图像中的其他像素点进行区域归属的判定，直到所有像素点都被标记。
在分割过程中，如果两个相邻的已知区域（种子点）相遇，算法会在它们之间创建一个边界，以避免这些区域合并在一起，从而实现分割。

注意事项：

markers 中的标记非常重要，它们直接影响分割的结果。因此，用户需要仔细考虑如何标记已知的前景和背景区域。
分水岭算法可能会导致过度分割，特别是当图像中存在大量噪声时。在实际应用中，可能需要对图像进行预处理，如使用高斯模糊去除小的局部最小值，以减少过度分割的问题。

C++ 代码实现

读取图像

if(argc < 2){
    std::cerr << "Errorn";
    std::cerr << "Provide Input Image:n<program> <inputimage>\n";
    return -1;
}
cv::Mat original_img = cv::imread(argv[1]);
if(original_img.empty()){
    std::cerr << "Errorn";
    std::cerr << "Cannot Read Imagen";
    return -1;
}

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使用滤波器从图像中去除噪声
Mean shift blur 是一种保留图像边缘的滤波算法，经常用于在图像 Watershed 分割之前消除噪声，这可以显著改善 Watershed 分割效果。

cv::Mat shifted;
cv::pyrMeanShiftFiltering(original_img, shifted, 21, 51);
showImg("图像滤波", shifted);

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将原始图像转换为灰度和二进制图像

cv::Mat gray_img;
cv::cvtColor(original_img, gray_img, cv::COLOR_BGR2GRAY);
showImg("", gray_img);

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cv::Mat bin_img;
cv::threshold(gray_img, bin_img, 0, 255, cv::THRESH_BINARY | cv::THRESH_OTSU);
showImg("二值图像", bin_img);

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查找图像的确定背景

在这一步中，要找到图像中我们确定是背景的区域。

void getBackground(const cv::Mat& source, cv::Mat& dst) {
    cv::dilate(source, dst, cv::Mat::ones(3, 3, CV_8U)); // 3x3 核
}

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查找图像的确定前景

为了找到图像的前景，使用距离变换算法

void getForeground(const cv::Mat& source, cv::Mat& dst) {
    cv::distanceTransform(source, dst, cv::DIST_L2, 3, CV_32F);
    cv::normalize(dst, dst, 0, 1, cv::NORM_MINMAX);
}

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查找标记

在应用 Watershed 算法之前，需要标记。为此，我们将使用 OpenCV 提供的 findContour() 函数来在图像中找到标记。

void findMarker(const cv::Mat& sureBg, cv::Mat& markers, std::vector<std::vector<cv::Point>>& contours) {
    cv::findContours(sureBg, contours, cv::RETR_EXTERNAL, cv::CHAIN_APPROX_SIMPLE);
    // 绘制前景标记
    for (size_t i = 0, size = contours.size(); i < size; i++)
        drawContours(markers, contours, static_cast<int>(i), cv::Scalar(static_cast<int>(i)+1), -1);
}

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应用 Watershed 算法

cv::watershed(original_img, markers);
cv::Mat mark;
markers.convertTo(mark, CV_8U);
cv::bitwise_not(mark, mark); // 将白色转换为黑色，黑色转换为白色
showImg("MARKER", mark);

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完整代码

#include <opencv2/imgcodecs.hpp>
#include <opencv2/highgui.hpp>
#include <opencv2/imgproc.hpp>

void showImg(const std::string& windowName, const cv::Mat& img){
    cv::imshow(windowName, img);
}

void getBackground(const cv::Mat& source, cv::Mat& dst) {
    cv::dilate(source, dst, cv::Mat::ones(3, 3, CV_8U)); // 3x3 核
}

void getForeground(const cv::Mat& source, cv::Mat& dst) {
    cv::distanceTransform(source, dst, cv::DIST_L2, 3, CV_32F);
    cv::normalize(dst, dst, 0, 1, cv::NORM_MINMAX);
}

void findMarker(const cv::Mat& sureBg, cv::Mat& markers, std::vector<std::vector<cv::Point>>& contours) {
    cv::findContours(sureBg, contours, cv::RETR_EXTERNAL, cv::CHAIN_APPROX_SIMPLE);
    // 绘制前景标记
    for (size_t i = 0, size = contours.size(); i < size; i++)
        drawContours(markers, contours, static_cast<int>(i), cv::Scalar(static_cast<int>(i)+1), -1);
}

void getRandomColor(std::vector<cv::Vec3b>& colors, size_t size) {
    for (int i = 0; i < size ; ++i) {
        int b = cv::theRNG().uniform(0, 256);
        int g = cv::theRNG().uniform(0, 256);
        int r = cv::theRNG().uniform(0, 256);
        colors.emplace_back(cv::Vec3b((uchar)b, (uchar)g, (uchar)r));
    }
}

int main(int argc, char** argv) {
    if(argc < 2){
        std::cerr << "Errorn";
        std::cerr << "Provide Input Image:n n";
        return -1;
    }
    cv::Mat original_img = cv::imread(argv[1]);
    if(original_img.empty()){
        std::cerr << "Errorn";
        std::cerr << "Cannot Read Imagen";
        return -1;
    }
    cv::Mat shifted;
    cv::pyrMeanShiftFiltering(original_img, shifted, 21, 51);
    showImg("Mean Shifted", shifted);
    cv::Mat gray_img;
    cv::cvtColor(original_img, gray_img, cv::COLOR_BGR2GRAY);
    showImg("GrayIMg", gray_img);
    cv::Mat bin_img;
    cv::threshold(gray_img, bin_img, 0, 255, cv::THRESH_BINARY | cv::THRESH_OTSU);
    showImg("thres img", bin_img);
    cv::Mat sure_bg;
    getBackground(bin_img, sure_bg);
    showImg("Sure Background", sure_bg);
    cv::Mat sure_fg;
    getForeground(bin_img, sure_fg);
    showImg("Sure ForeGround", sure_fg);
    cv::Mat markers = cv::Mat::zeros(sure_bg.size(), CV_32S);
    std::vector<std::vector<cv::Point>> contours;
    findMarker(sure_bg, markers, contours);
    cv::circle(markers, cv::Point(5, 5), 3, cv::Scalar(255), -1); // 在标记周围绘制圆圈
    
    cv::watershed(original_img, markers);
    cv::Mat mark;
    markers.convertTo(mark, CV_8U);
    cv::bitwise_not(mark, mark); // 将白色转换为黑色，黑色转换为白色
    showImg("MARKER", mark);
    // 在图像中突出显示标记 /
    std::vector<cv::Vec3b> colors;
    getRandomColor(colors, contours.size()); // 创建结果图像
    cv::Mat dst = cv::Mat::zeros(markers.size(), CV_8UC3);
    // 用随机颜色填充标记的对象
    for (int i = 0; i < markers.rows; i++)
    {
        for (int j = 0; j < markers.cols; j++)
        {
            int index = markers.at(i,j);
            if (index > 0 && index <= static_cast<int>(contours.size()))
                dst.at<cv::Vec3b>(i,j) = colors[index-1];
        }
    }
    showImg("Final Result", dst);
    cv::waitKey(0);
    return 0;
}