基于圖割算法的木材表面缺陷圖像分割

木材表面缺陷不利于木材的加工利用，降低木制品的品質(zhì)，影響生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，因此木材表面缺陷的圖像檢測(cè)技術(shù)越來越受重視。而采用圖像處理方法進(jìn)行木材表面缺陷檢測(cè)，是實(shí)現(xiàn)木材表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)、提高企業(yè)生產(chǎn)效率的必由之路。

鑒于圖割方法的明顯優(yōu)勢(shì)，白雪冰及其團(tuán)隊(duì)采用Graph Cuts算法和Grab Cut算法分別對(duì)木材表面的單目標(biāo)和多目標(biāo)缺陷圖像進(jìn)行分割試驗(yàn)，以總結(jié)傳統(tǒng)圖割方法的不足和改進(jìn)算法的優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)傳統(tǒng)Graph Cuts算法只能針對(duì)灰度圖像進(jìn)行分割、運(yùn)行時(shí)參數(shù)的選擇比較復(fù)雜，并且存在該算法效率和精度較低的缺陷，采用這兩種方法分別對(duì)3種木材表面缺陷活節(jié)、蟲眼和死節(jié)圖像進(jìn)行分割實(shí)驗(yàn)。為了驗(yàn)證Grab Cuts方法的適用性，用含有多個(gè)缺陷目標(biāo)的木質(zhì)板材圖像做了圖像分割驗(yàn)證。

結(jié)果表明：缺陷圖像的目標(biāo)和背景的種子點(diǎn)選取直接影響Graph Cuts算法的分割結(jié)果，Graph Cuts算法的計(jì)算效率較低，分割時(shí)間較長，對(duì)相鄰像素間的區(qū)分度較差，分割結(jié)果不理想。改進(jìn)后的Grab Cut算法是迭代的Graph Cuts，該方法雖然在圖像分割前也需要人工畫定初始化矩形框，但操作相對(duì)簡(jiǎn)單，分割結(jié)果能夠得到完整的閉合缺陷區(qū)域邊界，且不受木材表面缺陷的類型、數(shù)量、尺寸和缺陷形狀的影響，分割效果好，分割速度快，抗噪性強(qiáng)，對(duì)灰度圖像和彩色圖像都可使用。

1、圖割算法

1.1Graph Cuts 算法的原理

圖割(Graph Cuts)交互式圖像分割算法是一種基于圖論的組合最優(yōu)化方法，其基礎(chǔ)是最大流算法，將圖像分割問題轉(zhuǎn)化成能量函數(shù)的最小化問題，通過最小化能量函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)圖像的最優(yōu)分割。首先，建立能量函數(shù)：

E(L) ＝R(L) ＋λB(L) (1)

式中:R(L)是區(qū)域項(xiàng)，表示區(qū)域?qū)傩?；B(L)是邊界項(xiàng)，表示邊界屬性；λ 為平衡因子，當(dāng)λ 較小時(shí)，邊界項(xiàng)可忽略，當(dāng)λ 較大時(shí)，圖像的所有點(diǎn)被賦予相同標(biāo)記。

設(shè)P＝｛p1，p22，…，pN2｝ 是像素集合，L＝｛0,1｝是像素標(biāo)記集合，0表示背景，1表示目標(biāo)；像素的標(biāo)記可以表示為從P到L的映射， 記作fp＝｛fp｜fp∈Ｌ｝。

因此，式(1)中的區(qū)域項(xiàng)表示為R(f)＝Rp(fp)，p∈P，用Rp(fp)來進(jìn)行判定像素p分配給某種標(biāo)記的可能性。通常對(duì)能量函數(shù)中的區(qū)域項(xiàng)取概率的負(fù)對(duì)數(shù)，且將預(yù)定義的種子點(diǎn)作為目標(biāo)和背景的采樣，以此估計(jì)目標(biāo)和背景的灰度直方圖分布，對(duì)于目標(biāo)/背景的二值分割，區(qū)域項(xiàng)可表示為：

式(2)代表了像素p分配給目標(biāo)區(qū)域的可能性，式(3)代表像素p分配給背景區(qū)域的可能性，隨著可能性的增大，Rp(?) 的值會(huì)減小，從而可通過最小化能量函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的準(zhǔn)確分割。式(1)的邊界項(xiàng)可表示為：

式中:p和q為相鄰像素，邊界項(xiàng)體現(xiàn)圖像邊界像素值的不連續(xù)性；N為4鄰域或8鄰域系統(tǒng)。通過變分模型可以將式(4)寫為：

其中， T(fp,fq） 為指標(biāo)函數(shù)，滿足 ：

B 為對(duì)像素p、q不連續(xù)性的懲罰值：

式中:Ip、Iq為像素p、q的灰度值；dist(p,q)是p和q的距離；δ為圖像噪聲。p和q越相近，則B越大；若p和q相差較大，則B趨近于0 。當(dāng)B的值較小時(shí)，兩個(gè)像素會(huì)更易于分給不同的區(qū)域，這時(shí)圖像分割得到最小的能量值。

Graph Cuts算法源于圖論，通過最小化能量函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖像分割 。首先要對(duì)(1)的能量函數(shù)公式來構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)圖，把表示帶有非負(fù)邊權(quán)的無向圖G＝ (V,E)作為圖像，其中V為頂點(diǎn)集，與其相對(duì)應(yīng)圖像的邊集為像素點(diǎn)集P，E。V含有兩個(gè)特殊的頂點(diǎn)，其一稱為源節(jié)點(diǎn)S(代表目標(biāo))，其二稱為匯節(jié)點(diǎn)T(代表背景)，因此構(gòu)造的網(wǎng)絡(luò)圖又稱為S-T圖。

1956年Ford等提出了網(wǎng)絡(luò)流理論，論證了網(wǎng)絡(luò)圖中的最大流與最小流的等價(jià)性。式(1)的能量函數(shù)可通過最大流/最小割定理來求解，具體包括增廣路徑(augmenting paths)法和推進(jìn)?重標(biāo)記(push-relabel)法。本試驗(yàn)采用后者。

1.2Graph Cut算法的原理

由于Graph Cuts算法只能分割灰度圖像，且參數(shù)選擇復(fù)雜，效率和分割精度較低。因此，Blake等從以下三方面進(jìn)行了改進(jìn)，形成Grab Cut算法 ：

1)棄用灰度直方圖，轉(zhuǎn)而選用高斯混合模型(GMM 模型)來描述顏色信息的概率分布，實(shí)現(xiàn)彩色圖像分割；

2)在GMM模型參數(shù)估計(jì)過程中，采用可進(jìn)化的迭代算法取代一次最小估計(jì)來完成能量最小化，提高了分割精度；

3)為了降低用戶交互的工作量，通過非完全標(biāo)號(hào)(incomplete labeling)方式(交互中沒有指定明確的目標(biāo))進(jìn)行像素標(biāo)記。該方法只需用戶在目標(biāo)周圍畫一個(gè)矩形框即可。

Grab Cut算法把圖像表示為矢量Z＝ ｛z1,z2,…,zn,…,zN｝ ，這樣便將圖像的分割轉(zhuǎn)化為求每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的不透明度數(shù)組α＝ ｛α1,α2,…,αn,…,αN｝αN｜(αn∈［0,1］)，αn取值為0(背景)或者1(目標(biāo))，圖像目標(biāo)與背景模型分別用k維的全協(xié)方差矩陣GMM表達(dá)，通常k＝5。向量k＝｛k1,k2,…,kn,…,kN｝為每個(gè)像素的獨(dú)立GMM(目標(biāo)或背景的參數(shù)，參數(shù)來自目標(biāo)還是背景，取決于αn的值 ，從而使目標(biāo)提取問題轉(zhuǎn)化為能量函數(shù)的最優(yōu)化問題，然后采用圖割方法求解。

對(duì)于RGB空間上的彩色圖像，吉布斯(Gibbs)能量函數(shù)為：

式中:E為能量；U代表數(shù)據(jù)項(xiàng)；V代表光滑項(xiàng)；α代表不透明度；θ代表圖像目標(biāo)和背景的灰度直方圖；z代表圖像灰度值數(shù)值。數(shù)據(jù)項(xiàng)U定義為：

其中， D(αn,kn,θ,zn) ＝ -logp(zn｜αn,kn,θ)－

式中：π(?) 代表該高斯模型的樣本數(shù)在總樣本中的混合權(quán)重系數(shù)；p(?)代表高斯概率分布。所以數(shù)據(jù)項(xiàng)又可表示為：

則高斯混合模型的參數(shù)模型為：

其中：π(α,k)代表每個(gè)高斯概率分布的樣本數(shù)在總樣本數(shù)中的權(quán)值；μ(α,k） 代表高斯模型的均值；

代表協(xié)方差；α代表不透明度Alpha值；k代表高斯混合模型參數(shù)。

平滑項(xiàng)Ｖ可以采用RGB彩色空間的歐幾里德距離求得：

式中：C代表相鄰像素對(duì)；γ為自適應(yīng)λ參數(shù)；β為常數(shù)項(xiàng)。

若把一個(gè)更接近真實(shí)情況的標(biāo)記賦予某個(gè)像素，則將會(huì)懲罰更小的數(shù)據(jù)項(xiàng)，這樣會(huì)使總能量函數(shù)減少，不斷地迭代，最終收斂至最優(yōu)分割，這樣便將Grab Cut算法的圖像分割問題轉(zhuǎn)化成求解最小割的問題。

Grab Cut算法的圖像分割步驟如圖1所示。

2、木材表面缺陷圖像分割試驗(yàn)

2.1基于Graph Cuts算法的木材表面缺陷圖像分割

本試驗(yàn)采用的計(jì)算機(jī)為Intel(R) Core(TM)i5-4200U CPU，1.60G硬盤，4G RAM，操作系統(tǒng)為Windows 7 with SP1，編程軟件為Visual Studio 2010 C＋＋，OpenCV庫。

采用Graph Cuts算法對(duì)單缺陷目標(biāo)圖像進(jìn)行圖像分割，木材樣本如圖2，灰度圖像如圖3。

2.1.1活節(jié)缺陷的圖像分割

采用Graph Cuts算法對(duì)圖3a活節(jié)缺陷圖像進(jìn)行分割，參數(shù)λ＝1。試驗(yàn)中對(duì)活節(jié)灰度圖像進(jìn)行3次人工種子點(diǎn)標(biāo)記(其中紅色為目標(biāo)標(biāo)記，藍(lán)色為背景標(biāo)記，且標(biāo)記畫筆的半徑是5個(gè)像素)，如圖4所示，對(duì)應(yīng)的分割結(jié)果如圖5所示。

Graph Cuts 算法是基于像素級(jí)的分割，不能準(zhǔn)確評(píng)估像素屬于前景或者背景的概率，由于活節(jié)缺陷邊緣與背景的灰度值差距較小，即使標(biāo)定的目標(biāo)種子點(diǎn)像素?cái)?shù)量很多(如圖4c)，但仍存在較嚴(yán)重的欠分割情況。對(duì)應(yīng)圖4a、b、c的分割初始化時(shí)間分別為41140.06，41022.37和40904.52ms，圖像分割所用時(shí)間分別為146268.57，278338.17和388243.09ms。可見，種子點(diǎn)素?cái)?shù)越多，初始化所用的時(shí)間越短，圖像分割所用的時(shí)間越長。

2.1.2蟲眼缺陷的圖像分割

采用同樣的方法對(duì)圖3b的蟲眼缺陷圖像進(jìn)行分割：設(shè)置λ＝1，3次人工標(biāo)記種子點(diǎn)的結(jié)果如圖6，對(duì)應(yīng)的分割結(jié)果如圖7。由試驗(yàn)結(jié)果可知，蟲眼缺陷圖像的分割結(jié)果與活節(jié)缺陷分割相似，分割結(jié)果受標(biāo)定的前景/背景種子點(diǎn)像素?cái)?shù)量影響，且都存在一定的欠分割問題。對(duì)應(yīng)圖7a、b、c的分割初始化時(shí)間分別為41152.20，41038.55和40894.37ms，圖像分割時(shí)間分別為177052.53，368657.00和417434.91ms。種子點(diǎn)素?cái)?shù)越多，初始化所用的時(shí)間越短，圖像分割所用的時(shí)間越長。

2.1.3死節(jié)缺陷的圖像分割

對(duì)圖3c死節(jié)缺陷圖像進(jìn)行分割：設(shè)λ＝1，3次人工標(biāo)記種子點(diǎn)的結(jié)果如圖8，對(duì)應(yīng)的分割結(jié)果如圖9?？梢姡捎肎raph Cuts算法對(duì)標(biāo)注像素點(diǎn)多的死節(jié)缺陷圖像能夠?qū)崿F(xiàn)完整分割，但死節(jié)缺陷的分割輪廓曲線不平滑，且存在部分過分割情況。對(duì)應(yīng)圖8a、b、c的初始化時(shí)間分別為40933.91，40921.05和40916.92ms，圖像分割所用時(shí)間分別為34677.35，371604.00和413967.44ms。

綜上所述，采用Graph Cuts算法對(duì)木材表面缺陷圖像進(jìn)行分割時(shí)，由于Graph Cuts算法對(duì)能量函數(shù)采用一次性最小化，對(duì)目標(biāo)和背景的人工標(biāo)記的種子點(diǎn)選取十分重要，選取結(jié)果直接影響分割結(jié)果；且該算法對(duì)相鄰像素間的區(qū)分度較差，對(duì)活節(jié)和蟲眼缺陷進(jìn)行分割時(shí)存在欠分割問題，對(duì)死節(jié)缺陷進(jìn)行分割時(shí)出現(xiàn)過分割情況。該算法的初始化時(shí)間隨種子點(diǎn)標(biāo)記的像素?cái)?shù)的增加而縮短，運(yùn)行時(shí)間相反。

2.2基于Grab Cut算法的木材表面缺陷圖像分割

采用Grab Cut算法對(duì)含有單缺陷目標(biāo)、多缺陷目標(biāo)的木材表面缺陷圖像進(jìn)行分割試驗(yàn)。試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)定為距離參數(shù)β＝0.1和GMM更新迭代次數(shù)k＝5。木材缺陷圖像為512×512的彩色圖像。在試驗(yàn)過程中，首先輸入相同的初始化矩形框。

2.2.1單缺陷目標(biāo)的圖像分割

1)單活節(jié)圖像分割：圖10a為單個(gè)活節(jié)樣本的原圖像，圖10b為初始化矩形框，圖10d為分割結(jié)果，圖10c為分割結(jié)果的局部放大圖，圖10e為分割結(jié)果與原圖像的掩模。雖然活節(jié)缺陷的像素灰度值與背景的灰度值的差距較小，但Grab Cut算法仍然可以得到完整的分割輪廓， 分割時(shí)間為108144.784ms。由圖10e可見，分割結(jié)果與原圖的吻合度較高，分割效果較好；從圖10c分割結(jié)果局部放大圖可見，Grab Cut算法進(jìn)行圖像分割時(shí)，會(huì)使活節(jié)缺陷內(nèi)部出現(xiàn)零星的欠分割區(qū)域。

2)單蟲眼圖像分割：圖11a為單蟲眼樣本的原圖像，圖11b為初始化矩形框，圖11d為分割結(jié)果，圖11c為分割結(jié)果的局部放大圖，圖11e為分割結(jié)果與原圖像的掩模。雖然活節(jié)缺陷的像素灰度值與背景的灰度值的差距較小，但Grab Cut算法仍然可以得到完整的分割輪廓， 分割時(shí)間為87329.92ms。由圖11e可見，分割結(jié)果與原圖的吻合度較高，分割效果較好；從圖11c分割結(jié)果局部放大圖可見，Grab Cut算法進(jìn)行圖像分割時(shí)，會(huì)使蟲眼缺陷內(nèi)部出現(xiàn)零星的欠分割區(qū)域。

3)單死節(jié)圖像分割：圖12a為單蟲眼樣本的原圖像，圖12b為初始化矩形框，圖12d為分割結(jié)果，圖12c為分割結(jié)果的局部放大圖，圖12e為分割結(jié)果與原圖像的掩模。雖然活節(jié)缺陷的像素灰度值與背景的灰度值的差距較小，但Grab Cut算法仍然可以得到完整的分割輪廓， 分割時(shí)間為77545.63ms。由圖12e可見，分割結(jié)果與原圖的吻合度較高，分割效果較好；從圖12c分割結(jié)果局部放大圖可見，Grab Cut算法進(jìn)行圖像分割時(shí)，會(huì)使蟲眼缺陷內(nèi)部出現(xiàn)零星的欠分割區(qū)域。

綜上所述，Grab Cut算法進(jìn)行木材表面缺陷分割，能夠得到完整的分割輪廓，且不受背景噪聲影響，分割速度快，且對(duì)目標(biāo)與背景像素差別較大的死節(jié)和蟲眼缺陷分割速度更快，但分割結(jié)果均會(huì)出現(xiàn)少量的欠分割問題。

2.2.2多缺陷目標(biāo)的圖像分割

1)多活節(jié)缺陷分割試驗(yàn)(圖13)：圖13a為多活節(jié)樣本的原圖像，圖13b為初始化矩形框，圖13c為分割結(jié)果，圖13d為分割結(jié)果與原圖像的掩模。可見，Grab Cut算法能將木材表面的每一個(gè)活節(jié)缺陷都分割出來，且分割輪廓曲線完整，分割結(jié)果與原圖的吻合度較高，但在背景中識(shí)別出兩個(gè)過分割噪點(diǎn)，分割時(shí)間為13.337s。

2)多蟲眼缺陷分割試驗(yàn)(圖14)：由圖14可見，Grab Cut算法能將木材表面的每一個(gè)蟲眼缺陷都分割出來，且分割輪廓曲線完整，分割效果好，分割結(jié)果與原圖吻合度較高，分割時(shí)間為10.913s。

3)多死節(jié)缺陷分割試驗(yàn)(圖15)：由圖15可見，

Grab Cut算法能將木材表面的每一個(gè)死節(jié)缺陷都分割出來，且分割輪廓曲線完整，但是右下角死節(jié)缺陷的輪廓上存在少量過分割噪點(diǎn)，分割時(shí)間為11.634s。

由圖13、14、15的分割結(jié)果可知，Grab Cut算法能夠快速鎖定多個(gè)木材表面缺陷的邊界輪廓，且不受木材表面缺陷的多少、大小和缺陷輪廓形狀的影響，分割效果好，分割速度快，抗噪性強(qiáng)，運(yùn)行時(shí)間短。但是Grab Cut算法對(duì)木材表面缺陷分割時(shí)會(huì)出現(xiàn)零星的欠分割或者過分割情況，且分割前需要用戶人工畫定初始化矩形框。

3、結(jié)論

本研究采用Graph Cuts算法及其改進(jìn)算法Grab Cuts對(duì)木材表面缺陷圖像進(jìn)行分割試驗(yàn)，分別從木材的單節(jié)、蟲眼、死節(jié)出發(fā)，做缺陷的單項(xiàng)和多項(xiàng)Grab Cut分割試驗(yàn)，對(duì)分割的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)表明：目標(biāo)和背景的種子點(diǎn)選取直接影響Graph Cuts算法的分割結(jié)果，Graph Cuts算法的計(jì)算效率較低，分割時(shí)間較長，對(duì)相鄰像素間的區(qū)分度較差，分割結(jié)果不理想。改進(jìn)后的Grab Cut算法是迭代的Graph Cuts，該方法雖然在圖像分割前也需要人工畫定初始化矩形框，但操作相對(duì)簡(jiǎn)單，分割結(jié)果能夠得到完整的閉合缺陷區(qū)域邊界，且不受木材表面缺陷的類型、數(shù)量、尺寸和缺陷形狀的影響，分割效果好，分割速度快，抗噪性強(qiáng)，對(duì)灰度圖像和彩色圖像都可使用。由此我們可以對(duì)木材進(jìn)行圖像檢測(cè)，以減少選取存在缺陷的木材，降低成本，提高木材的利用率。

審核編輯：郭婷