SILC超像素分割算法详解(附Python代码)

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SILC算法详解

一、原理介绍

SLIC算法是simple linear iterative cluster的简称，该算法用来生成超像素（superpixel）

算法步骤：

已知一副图像大小M*N,可以从RGB空间转换为LAB空间，LAB颜色空间表现的颜色更全面

假如预定义参数K，K为预生成的超像素数量，即预计将M*N大小的图像(像素数目即为M*N)分隔为K个超像素块，每个超像素块范围大小包含[（M*N）/K]个像素

假设每个超像素区域长和宽都均匀分布的话，那么每个超像素块的长和宽均可定义为S，S=sqrt(M*N/K)

遍历操作，将每个像素块的中心点的坐标(x,y)及其lab的值保存起来，加入到事先定义好的集合中

每个像素块的中心点默认是(S/2,S/2)进行获取的，有可能落在噪音点或者像素边缘（所谓像素边缘，即指像素突变处，比如从黑色过渡到白色的交界处），这里，利用差分方式进行梯度计算，调整中心点：

算法中，使用中心点的8领域像素点，计算获得最小梯度值的像素点，并将其作为新的中心点，差分计算梯度的公式：

Gradient(x,y)=dx(i,j) + dy(i,j);

dx(i,j) = I(i+1,j) - I(i,j);

dy(i,j) = I(i,j+1) - I(i,j); 遍历现中心点的8领域像素点，将其中计算得到最小Gradient值的像素点作为新的中心点

调整完中心点后即需要进行像素点的聚类操作

通过聚类的方式迭代计算新的聚类中心；

首先，需要借助K-means聚类算法，将像素点进行归类，通过变换的欧氏聚距离公式进行，公式如下（同时参考像素值和坐标值提取相似度）：

通过两个参数m和S来协调两种距离的比例分配。参数S即是上面第③步计算得出的每个像素块的长度值，而参数M为LAB空间的距离可能最大值，其可取的范围建议为[1,40]

为了节省时间，只遍历每个超像素块中心点周边的2S*2S区域内的像素点，计算该区域内每个像素点距离哪一个超像素块的中心点最近，并将其划分到其中；完成一次迭代后，重新计算每个超像素块的中心点坐标，并重新进行迭代（注：衡量效率和效果后一般选择迭代10次）

二、代码实现

import math
from skimage import io, color
import numpy as np class Cluster(object): cluster_index = 1 def __init__(self, row, col, l=0, a=0, b=0):
self.update(row, col, l, a, b)
self.pixels = []
self.no = self.cluster_index
Cluster.cluster_index += 1 def update(self, row, col, l, a, b):
self.row = row
self.col = col
self.l = l
self.a = a
self.b = b class SLICProcessor(object):
@staticmethod
def open_image(path):
rgb = io.imread(path)
lab_arr = color.rgb2lab(rgb)
return lab_arr @staticmethod
def save_lab_image(path, lab_arr):
rgb_arr = color.lab2rgb(lab_arr)
io.imsave(path, rgb_arr) def make_cluster(self, row, col):
row=int(row)
col=int(col)
return Cluster(row, col,
self.data[row][col][0],
self.data[row][col][1],
self.data[row][col][2]) def __init__(self, filename, K, M):
self.K = K
self.M = M self.data = self.open_image(filename)
self.rows = self.data.shape[0]
self.cols = self.data.shape[1]
self.N = self.rows * self.cols
self.S = int(math.sqrt(self.N / self.K)) self.clusters = []
self.label = {}
self.dis = np.full((self.rows, self.cols), np.inf) def init_clusters(self):
row = self.S / 2
col = self.S / 2
while row < self.rows:
while col < self.cols:
self.clusters.append(self.make_cluster(row, col))
col+= self.S
col = self.S / 2
row += self.S def get_gradient(self, row, col):
if col + 1 >= self.cols:
col = self.cols - 2
if row + 1 >= self.rows:
row = self.rows - 2 gradient = (self.data[row + 1][col][0] +self.data[row][col+1][0]-2*self.data[row][col][0])+ \
(self.data[row + 1][col][1] +self.data[row][col+1][1]-2*self.data[row][col][1]) + \
(self.data[row + 1][col][2] +self.data[row][col+1][2]-2*self.data[row][col][2]) return gradient def move_clusters(self):
for cluster in self.clusters:
cluster_gradient = self.get_gradient(cluster.row, cluster.col)
for dh in range(-1, 2):
for dw in range(-1, 2):
_row = cluster.row + dh
_col = cluster.col + dw
new_gradient = self.get_gradient(_row, _col)
if new_gradient < cluster_gradient:
cluster.update(_row, _col, self.data[_row][_col][0], self.data[_row][_col][1], self.data[_row][_col][2])
cluster_gradient = new_gradient def assignment(self):
for cluster in self.clusters:
for h in range(cluster.row - 2 * self.S, cluster.row + 2 * self.S):
if h < 0 or h >= self.rows: continue
for w in range(cluster.col - 2 * self.S, cluster.col + 2 * self.S):
if w < 0 or w >= self.cols: 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.row, 2) +
math.pow(w - cluster.col, 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 =int( sum_h / number)
_w =int( 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.row][cluster.col][0] = 0
image_arr[cluster.row][cluster.col][1] = 0
image_arr[cluster.row][cluster.col][2] = 0
self.save_lab_image(name, image_arr) def iterates(self):
self.init_clusters()
self.move_clusters()
#考虑到效率和效果，折中选择迭代10次
for i in range(10):
self.assignment()
self.update_cluster()
self.save_current_image("output.jpg") if __name__ == '__main__':
p = SLICProcessor('beauty.jpg', 200, 40)
p.iterates()