基础学习笔记之opencv(16)：grabcut使用例程

　　前言

　　grabcut是在graph cut基础上改进的一种图像分割算法，它同样是基于图割理论的，关于图割的简单介绍可以参考本人前面的博文：一些知识点的初步理解_8(Graph Cuts,ing...) 。稍微看了下grabcut方面的论文，论文中一般都是在graph cut上作改进，比如说引入了GMM模型等。同graph cut一样，在使用grabcut是也是需要人机交互的，即人工先给定一定区域的目标或者背景，然后送给grabcut算法来分割。通过实验发现，其分割效果一般般，且分割速度比较慢，一张普通大小的图片差不多需要1s左右的时间，

　　实验说明

　　因为在使用该算法的过程中需要人机交互，所以需要用到很多鼠标键盘的操作，因此这些GUI操作的逻辑关系一定要处理好。其中最主要的GUI设计就在鼠标键盘响应函数中，在设置关于图片的鼠标键盘响应函数时，其函数的参数必须满足一定的类型，如下所示：

　　mouseClick (int event, int x, int y, int flags, void* param); 

　　其中event是 CV_EVENT_*变量之一； x和y是鼠标指针在图像坐标系的坐标，并不是整个窗口的坐标；  flags是CV_EVENT_FLAG的组合，  即表示所有的按键，一般情况下是固定的；  param是用户定义的传递到cvSetMouseCallback函数调用的参数，这通常在回调函数中都有类似这种功能的的参数。

　  Grabcut在opencv中核心算法函数为：
     void cv::grabCut( const Mat& img, Mat& mask, Rect rect, Mat& bgdModel, Mat& fgdModel, int iterCount, int mode )
　　这里引用网友的博文学习OpenCV——grabcut来解释该函数的用法：
　　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。

　　实验结果

　　分割前的原始图如下所示:

　　

　　由于本次实验是一个人机交互的过程，需要人的手工输入前景点和背景点，或者可能的前景点和背景点，本次实验中，本人只用鼠标画出了一些前景点（Shift+鼠标左键+鼠标移动）和一些背景点（Ctrl+鼠标左键+鼠标移动），如下图所示(其中红色的为前景点，蓝色的为背景点，外面的绿色框为图像分割的区域):

　　

　　

　　一次grabcut迭代后分割的结果：

　　

　　若干次迭代后分割的结果：

　　

　　另外，关于本次实验的操作方法可以参考代码中函数的help内容，里面有详细的介绍。

　　实验代码及注释：

　  本次实验代码来源为opencv自带的c++ sample。

　　crabcut.cpp:

#include "opencv2/highgui/highgui.hpp"
#include "opencv2/imgproc/imgproc.hpp"

#include <iostream>

using namespace std;
using namespace cv;

static void help()
{
    cout << "\nThis program demonstrates GrabCut segmentation -- select an object in a region\n"
            "and then grabcut will attempt to segment it out.\n"
            "Call:\n"
            "./grabcut <image_name>\n"
        "\nSelect a rectangular area around the object you want to segment\n" <<
        "\nHot keys: \n"
        "\tESC - quit the program\n"
        "\tr - restore the original image\n"
        "\tn - next iteration\n"
        "\n"
        "\tleft mouse button - set rectangle\n"
        "\n"
        "\tCTRL+left mouse button - set GC_BGD pixels\n"
        "\tSHIFT+left mouse button - set CG_FGD pixels\n"
        "\n"
        "\tCTRL+right mouse button - set GC_PR_BGD pixels\n"
        "\tSHIFT+right mouse button - set CG_PR_FGD pixels\n" << endl;
}

const Scalar RED = Scalar(0,0,255);
const Scalar PINK = Scalar(230,130,255);
const Scalar BLUE = Scalar(255,0,0);
const Scalar LIGHTBLUE = Scalar(255,255,160);
const Scalar GREEN = Scalar(0,255,0);

const int BGD_KEY = CV_EVENT_FLAG_CTRLKEY;  //Ctrl键
const int FGD_KEY = CV_EVENT_FLAG_SHIFTKEY; //Shift键

static void getBinMask( const Mat& comMask, Mat& binMask )
{
    if( comMask.empty() || comMask.type()!=CV_8UC1 )
        CV_Error( CV_StsBadArg, "comMask is empty or has incorrect type (not CV_8UC1)" );
    if( binMask.empty() || binMask.rows!=comMask.rows || binMask.cols!=comMask.cols )
        binMask.create( comMask.size(), CV_8UC1 );
    binMask = comMask & 1;  //得到mask的最低位,实际上是只保留确定的或者有可能的前景点当做mask
}

class GCApplication
{
public:
    enum{ NOT_SET = 0, IN_PROCESS = 1, SET = 2 };
    static const int radius = 2;
    static const int thickness = -1;

    void reset();
    void setImageAndWinName( const Mat& _image, const string& _winName );
    void showImage() const;
    void mouseClick( int event, int x, int y, int flags, void* param );
    int nextIter();
    int getIterCount() const { return iterCount; }
private:
    void setRectInMask();
    void setLblsInMask( int flags, Point p, bool isPr );

    const string* winName;
    const Mat* image;
    Mat mask;
    Mat bgdModel, fgdModel;

    uchar rectState, lblsState, prLblsState;
    bool isInitialized;

    Rect rect;
    vector<Point> fgdPxls, bgdPxls, prFgdPxls, prBgdPxls;
    int iterCount;
};

/*给类的变量赋值*/
void GCApplication::reset()
{
    if( !mask.empty() )
        mask.setTo(Scalar::all(GC_BGD));
    bgdPxls.clear(); fgdPxls.clear();
    prBgdPxls.clear();  prFgdPxls.clear();

    isInitialized = false;
    rectState = NOT_SET;    //NOT_SET == 0
    lblsState = NOT_SET;
    prLblsState = NOT_SET;
    iterCount = 0;
}

/*给类的成员变量赋值而已*/
void GCApplication::setImageAndWinName( const Mat& _image, const string& _winName  )
{
    if( _image.empty() || _winName.empty() )
        return;
    image = &_image;
    winName = &_winName;
    mask.create( image->size(), CV_8UC1);
    reset();
}

/*显示4个点，一个矩形和图像内容，因为后面的步骤很多地方都要用到这个函数，所以单独拿出来*/
void GCApplication::showImage() const
{
    if( image->empty() || winName->empty() )
        return;

    Mat res;
    Mat binMask;
    if( !isInitialized )
        image->copyTo( res );
    else
    {
        getBinMask( mask, binMask );
        image->copyTo( res, binMask );  //按照最低位是0还是1来复制，只保留跟前景有关的图像，比如说可能的前景，可能的背景
    }

    vector<Point>::const_iterator it;
    /*下面4句代码是将选中的4个点用不同的颜色显示出来*/
    for( it = bgdPxls.begin(); it != bgdPxls.end(); ++it )  //迭代器可以看成是一个指针
        circle( res, *it, radius, BLUE, thickness );
    for( it = fgdPxls.begin(); it != fgdPxls.end(); ++it )  //确定的前景用红色表示
        circle( res, *it, radius, RED, thickness );
    for( it = prBgdPxls.begin(); it != prBgdPxls.end(); ++it )
        circle( res, *it, radius, LIGHTBLUE, thickness );
    for( it = prFgdPxls.begin(); it != prFgdPxls.end(); ++it )
        circle( res, *it, radius, PINK, thickness );

    /*画矩形*/
    if( rectState == IN_PROCESS || rectState == SET )
        rectangle( res, Point( rect.x, rect.y ), Point(rect.x + rect.width, rect.y + rect.height ), GREEN, 2);

    imshow( *winName, res );
}

/*该步骤完成后，mask图像中rect内部是3，外面全是0*/
void GCApplication::setRectInMask()
{
    assert( !mask.empty() );
    mask.setTo( GC_BGD );   //GC_BGD == 0
    rect.x = max(0, rect.x);
    rect.y = max(0, rect.y);
    rect.width = min(rect.width, image->cols-rect.x);
    rect.height = min(rect.height, image->rows-rect.y);
    (mask(rect)).setTo( Scalar(GC_PR_FGD) );    //GC_PR_FGD == 3，矩形内部,为可能的前景点
}

void GCApplication::setLblsInMask( int flags, Point p, bool isPr )
{
    vector<Point> *bpxls, *fpxls;
    uchar bvalue, fvalue;
    if( !isPr ) //确定的点
    {
        bpxls = &bgdPxls;
        fpxls = &fgdPxls;
        bvalue = GC_BGD;    //0
        fvalue = GC_FGD;    //1
    }
    else    //概率点
    {
        bpxls = &prBgdPxls;
        fpxls = &prFgdPxls;
        bvalue = GC_PR_BGD; //2
        fvalue = GC_PR_FGD; //3
    }
    if( flags & BGD_KEY )
    {
        bpxls->push_back(p);
        circle( mask, p, radius, bvalue, thickness );   //该点处为2
    }
    if( flags & FGD_KEY )
    {
        fpxls->push_back(p);
        circle( mask, p, radius, fvalue, thickness );   //该点处为3
    }
}

/*鼠标响应函数，参数flags为CV_EVENT_FLAG的组合*/
void GCApplication::mouseClick( int event, int x, int y, int flags, void* )
{
    // TODO add bad args check
    switch( event )
    {
    case CV_EVENT_LBUTTONDOWN: // set rect or GC_BGD(GC_FGD) labels
        {
            bool isb = (flags & BGD_KEY) != 0,
                 isf = (flags & FGD_KEY) != 0;
            if( rectState == NOT_SET && !isb && !isf )//只有左键按下时
            {
                rectState = IN_PROCESS; //表示正在画矩形
                rect = Rect( x, y, 1, 1 );
            }
            if ( (isb || isf) && rectState == SET ) //按下了alt键或者shift键，且画好了矩形，表示正在画前景背景点
                lblsState = IN_PROCESS;
        }
        break;
    case CV_EVENT_RBUTTONDOWN: // set GC_PR_BGD(GC_PR_FGD) labels
        {
            bool isb = (flags & BGD_KEY) != 0,
                 isf = (flags & FGD_KEY) != 0;
            if ( (isb || isf) && rectState == SET ) //正在画可能的前景背景点
                prLblsState = IN_PROCESS;
        }
        break;
    case CV_EVENT_LBUTTONUP:
        if( rectState == IN_PROCESS )
        {
            rect = Rect( Point(rect.x, rect.y), Point(x,y) );   //矩形结束
            rectState = SET;
            setRectInMask();
            assert( bgdPxls.empty() && fgdPxls.empty() && prBgdPxls.empty() && prFgdPxls.empty() );
            showImage();
        }
        if( lblsState == IN_PROCESS )   //已画了前后景点
        {
            setLblsInMask(flags, Point(x,y), false);    //画出前景点
            lblsState = SET;
            showImage();
        }
        break;
    case CV_EVENT_RBUTTONUP:
        if( prLblsState == IN_PROCESS )
        {
            setLblsInMask(flags, Point(x,y), true); //画出背景点
            prLblsState = SET;
            showImage();
        }
        break;
    case CV_EVENT_MOUSEMOVE:
        if( rectState == IN_PROCESS )
        {
            rect = Rect( Point(rect.x, rect.y), Point(x,y) );
            assert( bgdPxls.empty() && fgdPxls.empty() && prBgdPxls.empty() && prFgdPxls.empty() );
            showImage();    //不断的显示图片
        }
        else if( lblsState == IN_PROCESS )
        {
            setLblsInMask(flags, Point(x,y), false);
            showImage();
        }
        else if( prLblsState == IN_PROCESS )
        {
            setLblsInMask(flags, Point(x,y), true);
            showImage();
        }
        break;
    }
}

/*该函数进行grabcut算法，并且返回算法运行迭代的次数*/
int GCApplication::nextIter()
{
    if( isInitialized )
        //使用grab算法进行一次迭代，参数2为mask，里面存的mask位是：矩形内部除掉那些可能是背景或者已经确定是背景后的所有的点，且mask同时也为输出
        //保存的是分割后的前景图像
        grabCut( *image, mask, rect, bgdModel, fgdModel, 1 );
    else
    {
        if( rectState != SET )
            return iterCount;

        if( lblsState == SET || prLblsState == SET )
            grabCut( *image, mask, rect, bgdModel, fgdModel, 1, GC_INIT_WITH_MASK );
        else
            grabCut( *image, mask, rect, bgdModel, fgdModel, 1, GC_INIT_WITH_RECT );

        isInitialized = true;
    }
    iterCount++;

    bgdPxls.clear(); fgdPxls.clear();
    prBgdPxls.clear(); prFgdPxls.clear();

    return iterCount;
}

GCApplication gcapp;

static void on_mouse( int event, int x, int y, int flags, void* param )
{
    gcapp.mouseClick( event, x, y, flags, param );
}

int main( int argc, char** argv )
{

    string filename = "test.jpg";
    Mat image = imread( filename, 1 );
    if( image.empty() )
    {
        cout << "\n Durn, couldn't read image filename " << filename << endl;
        return 1;
    }

    help();

    const string winName = "image";
    cvNamedWindow( winName.c_str(), CV_WINDOW_AUTOSIZE );
    cvSetMouseCallback( winName.c_str(), on_mouse, 0 );

    gcapp.setImageAndWinName( image, winName );
    gcapp.showImage();

    for(;;)
    {
        int c = cvWaitKey(0);
        switch( (char) c )
        {
                case '\x1b':
                    cout << "Exiting ..." << endl;
                    goto exit_main;
                case 'r':
                    cout << endl;
                    gcapp.reset();
                    gcapp.showImage();
                    break;
                case 'n':
                    int iterCount = gcapp.getIterCount();
                    cout << "<" << iterCount << "... ";
                    int newIterCount = gcapp.nextIter();
                    if( newIterCount > iterCount )
                    {
                        gcapp.showImage();
                        cout << iterCount << ">" << endl;
                    }
                    else
                        cout << "rect must be determined>" << endl;
                    break;
        }
    }

exit_main:
    cvDestroyWindow( winName.c_str() );
    return 0;
}

　　实验总结：本次实验测试了下opencv自带的grabcut算法，其效果还算可以，不过需要人工交互提供分割信息，比较难以接受的是其分割速度太慢，不能实时处理。

　　参考文献：

     学习OpenCV——grabcut

     Opencv2.1 的grabcut使用问题

 　 一些知识点的初步理解_8(Graph Cuts,ing...)