Fast JPEG Image Segmentation Algorithm Based on Graph Cuts

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F (0, 0) = 1 N −1 N −1 ∑ ∑ f ( x, y ) N x =0 y =0
(3)
(a)8×8 像素子块
(b) 图像灰度矩阵
(c)频率系数矩阵 F
即 F (0, 0) / N 即为 N× N 图像块的均值,对每个图像块 P 计算颜色均值可得:
C p = Fp (0, 0) / N
40 39 50 57 59 58 58 64 38 36 40 38 36 41 33 44 35 44 25 38 47 55 57 54 40 32 54 66 62 53 39 35 43 47 66 47 24 6 3 3 54 69 60 11 2 4 5 7 60 77 33 2 9 10 4 3 58 85 32 5 11 1 2 3 44 12 0 0 0 0 0 0 -5 0 0 0 0 0 0 0 0 -3 0 0 0 0 0 0 -4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
E ( f ) = R ( f ) + λ B( f ) = ∑ Ri ( f i ) + λ ∑ Bຫໍສະໝຸດ , j ( fi , f j )
i∈V {i , j}∈N
(2)
(a)原始图像 (350×446 像素 ) (b)DC 图像 (44×56 像素 )
其中, N 代表相邻像素对 (可取 4 邻域或 8 邻域 );区域项 R( f ) 用来约束 f 和用户交互指定的前景 / 背景标记的相似程 度;边界项 B( f ) 用来约束相邻顶点应具有相同的标号值,体 现了区域内部的连续性和边界的不连续性。能量函数的最小 化最终通过网络流理论来解决,使网络流图的最小割对应能 量函数的最小值,并利用最大流与最小割的等价性,转化为 求取网络的最大流。 GrabCut 算法 GrabCut 算法将图割算法推广到彩色图像,采用 GMM 代替直方图来更加准确的估计颜色概率分布,并简化了用户 的交互方式,只需要在目标区域上画一个矩形框。 通过交互,对三分图 T 进行初始化,将矩形框外的区域 设为图像的背景 TB ,像素标号值为 0,矩形框内区域设为未 2.3 知区域 TU ,像素标号值为 1,前景 TF 设为空,然后根据标号 值为 1 和 0 的像素初始化前景 /背景 GMM。由于交互中没有 指定明确的前景,也称为非完全标号, GrabCut 通过对 TU 用 图割算法进行多次迭代分割来提高前景 GMM 参数估计的准 确性。 3.2
基金项目: 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60805003, 60773172) 作者简介: 作者简介:刘 毅(1979-),男,讲师、博士研究生,主研方向: 图像处理,计算机视觉,多媒体信息检索;孙怀江,研究员、博士、 博士生导师、CCF 高级会员;夏德深,教授、博士、博士生导师、 CCF 高级会员 收稿日期: 收稿日期:2011-07-13 E-mail:s_worm@
基于图割的 JPEG 图像快速分割算法 图像快速分割算法
刘 毅 1,2,孙怀江 1,夏德深 1
(1. 南京理工大学计算机科学与技术学院,南京 210094;2. 南京审计学院信息与科学学院,南京 210029) 摘 要:基于图割理论的 GrabCut 算法由于使用所有像素来迭代估计高斯混合模型(GMM)参数,算法效率较低。针对该问题,提出一种基 于图割的 JPEG 图像快速分割算法。以 GrabCut 算法为基础,对 JPEG 图像中 DC 系数构成的低频图像进行迭代分割,估计 GMM 参数以 减少训练样本的数目。实验结果表明,该算法能在保证分割精度的前提下缩短高分辨率 JPEG 图像的分割时间。 关键词: 关键词:图割;GrabCut 算法;高斯混合模型;JPEG 标准;离散余弦变换;直流系数
2
2.1
相关算法
JPEG 压缩算法 JPEG 采用的是以离散余弦变换 (Discrete Cosine Trans-
第 38 卷 第 10 期

毅,孙怀江,夏德深:基于图割的 JPEG 图像快速分割算法
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大很多,且随着元素离 DC 系数越来越远,它的值就倾向于 越来越小。这意味着通过 DCT 变换,已将图像的表示集中到 输出矩阵的左上角的系数,DC 系数集中了图像的主要信息。
概述
form, DCT)为基础的有损压缩算法。首先将输入图像分解为 8×8 的块,然后对每个块进行二维 DCT 变换,一个 N× N 图 像块 f(x, y)的二维离散余弦变换公式如下:
F (u, v) = c(u )c(v) ∑ ∑ f ( x, y ) cos
x =0 y =0 N −1 N −1
(4)
图1
8×8 像素子块的 DCT 变换
2.2
图割算法 图割算法将分割问题转化为像素的前景 / 背景的二元标 号问题,将图像看成一个无向图 G = (V , E ) ,其中, V 为顶
由 C p 构成的图像即构成原图像的均值图像, 且大小只有 原图的 1/ N 2 ,如果 N=8,则为原图像的 1/64,如图 2 所示。
上式表明, DCT 对一个 8×8 的图像 ( 见图 1(a)) 进行处 理,得到一个 8×8 的频率系数矩阵 F(见图 1(c))。F (0, 0)表示 变换域中的低频成分,称为直流 (Direct Current, DC)系数,与 图像矩阵 (见图 1(b))的平均值有关; F 矩阵的其余的值表示 变换域中的高频部分,称为交流 (Alternating Current, AC)系 数。从矩阵中可以看出有一个倾向: DC 系数要比其他系数
图2
DC 图像的 图像的提取
GMM 参数的 参数的迭代估计 迭代估计过程均在 JPEG 部分解码得到的低频 DC 图像 上进行, 用户在原图上画的矩形框, 经过按比例缩放得到 DC 图像上的矩形框位置,得到 DC 图像的三分图 T ,并初始化 前景 /背景 GMM,然后对 DC 图像进行 N−1 次迭代分割,逐 步提高 GMM 参数估计的精度。 前景图像的 前景图像的获取 迭代计算 GMM 参数后,得到了图像前景 /背景颜色概率 分布的高斯混合模型,根据迭代得到的 GMM 参数对原图像 进行第 N 次分割,得到前景图像。 3.3 算法步骤 算法步骤 本文基于图割的 JPEG 图像快速分割算法步骤如下: (1)预处理:输入 JPEG 图像 I,对 I 进行部分解码,提取 DC 系数,计算颜色均值 C p ,构成 DC 图像。 3.4 (2)初始化 GMM,步骤如下: 1)通过用户在原图上标定的矩形框映射到 DC 图像上来 初 始 化 三 分 图 T , 将 矩 形 框 以 外 区 域 设 为 TB , TF = ∅ ,
π(2 x + 1)u π(2 y + 1)v cos (1) 2N 2N
其中, x, y=0, 1,… , N− 1。
c(u ) = c (v ) = 1 N 2 N 1 N 2 N u=0 u = 1, 2,⋯ , N v=0 v = 1, 2,⋯ , N − 1
点,由图像中的像素,并加上代表前景和背景的源点 (S)和汇 点 (T )构成, E 由 4 邻接或 8 邻接定点对构成。二元标号就是 要为图中的每个顶点分配前景 /背景标号 fi , i ∈ V , fi ∈ {0,1} , 图像分割结果即可表示为 f = { f1 , f 2 ,⋯ , f i ,⋯} ,为求解 f ,需 最小化能量函数 E ( f ) :
1
图像分割将目标从背景中分离出来,是图像分析、模式 识别、计算机视觉等领域中的关键步骤。文献 [1-3]将图割理 论应用于图像分割,由此,交互式图像分割引起了人们的广 泛注意。图割算法综合考虑图像的区域信息和边界信息,通 过用户交互获取分割的先验信息,具有全局最优解的优良特 性。目前,图割算法已发展出多种改进算法,如 GrabCut[4]、 Lazy Snapping[5]、 Graph Cuts Based Active Contours[6]、 Star Shape Prior[7]、 Localized Graph Cuts[8]等。 文献 [4] 提出的 GrabCut 算法将图割算法推广到彩色图 像,该方法以高斯混合模型 (Gaussian Mixture Model, GMM) 代 替 直 方 图 表 达 颜 色 概 率 分 布 , 用 非 完 全 标 号 (incomplete labeling) 来简化用户的交互,通过迭代方式逐步提高 GMM 参数估计的准确性,取得了非常好的分割效果。但基于像素 迭代估计 GMM 参数的做法严重制约了 GrabCut 算法的效率, 影响算法的实时性,特别是对高分辨率图像尤为明显。因 此,文献 [9-10]提出了一系列改进 GrabCut 的快速分割算法, 取得了一定的效果,但都增加了额外的复杂运算。 为此,本文提出一种基于图割的 JPEG 图像快速分割算 法,针对被广泛应用于互联网和数码相机领域的 JPEG[11] 图 像,提取解码过程中的 DC 系数,以此取代全部像素作为迭 代估计 GMM 参数的样本。
块中像素的均值,可直接用来作为 GMM 参数迭代估计的样 本,而获取 DC 系数只需要对 JPEG 图像进行简单的部分解 码 (不需要进行 DCT 逆变换 ),提高了算法效率。 3.1 预处理 JPEG 图 像在 解码过程 中可获取压 缩编码 的 DC 系 数 F (0, 0) ,由二维离散余弦变换式 (1)可知,当 u =0、 v=0 时:
第 38 卷 第 10 期 Vol.38 No.10 ·图形图像处理· 图形图像处理·
计 算 机 工 程 Computer Engineering
文章编号: 文章编号:1000—3428(2012)10—0194—03 文献标识码: 文献标识码:A
2012 年 5 月 May 2012
中图分类号: 中图分类号:TP391.4