OpenCV3.0 Examples学习笔记（10）-grabcut.cpp-grabcut函数实现人机交互高效分割图像前景背景

这个系列的目的是通过对OpenCV示例，进一步了解OpenCV函数的使用，不涉及具体原理。

目录简介 Example运行截图 Example分析 Example代码

简介

本文记录了对OpenCV示例 grabcut .cpp 的分析。资料地址: http://docs.opencv.org/3.0.0/de/dd0/grabcut_8cpp-example.html

这个示例主要演示了如何使用 grabcut对图像进行分割。

示例涉及到

setMouseCallback， onMouse， grabCut等函数具体如下：

setMouseCallback

为窗口创建鼠标回调事件。

函数原型： void setMousecallback( const string& winname, MouseCallback onMouse, void * userdata=0)

函数参数说明： winname：窗口的名字 onMouse：鼠标响应函数，回调函数。指定窗口里每次鼠标时间发生的时候，被调用的函数指针。这个函数的原型应该为： void on_Mouse( int event, int x, int y, int flags, void * param); userdate：传给回调函数的参数

MouseCallback onMouse 鼠标回调函数，响应鼠标消息（如鼠标移动，鼠标左键按下，左键抬起等）。

函数原型： void on_Mouse(int event, int x, int y, int flags, void* param);

函数参数说明： event：CV_EVENT_*变量之一 x，y：鼠标指针在图像坐标系的坐标（不是窗口坐标系） flags：CV_EVENT_FLAG的组合 param：用户定义的传递到setMouseCallback函数调用的参数。

常用的event：

#defineCV_EVENT_MOUSEMOVE

#defineCV_EVENT_LBUTTONDOWN

#defineCV_EVENT_RBUTTONDOWN

#defineCV_EVENT_LBUTTONUP

#defineCV_EVENT_RBUTTONUP

和标志位flags有关的：

#defineCV_EVENT_FLAG_LBUTTON

注意： flags & CV_EVENT_FLAG_LBUTTON 的意思是提取flags的CV_EVENT_FLAG_LBUTTON 标志位，!（）的意思是标志位无效例如 if (event == EVENT_MOUSEMOVE && (flags&EVENT_FLAG_LBUTTON)) ，表示鼠标移动且左键按下

grabCut

OpenCV中grabcut函数基于《"GrabCut" - Interactive Foreground Extraction using Iterated Graph Cuts》这篇文章来实现的。该算法利用了图像中的纹理（颜色）信息和边界（反差）信息，只要少量的用户交互操作即可得到比较好的分割结果。如果前景和背景之间的颜色反差不大，分割的效果不好；不过，这种情况下允许手工标记一些前景或背景区域，这样能得到较好的结果。

以上关于 grabcut算法背景介绍摘抄至参考资料2.《学习OpenCV——学习grabcut算法》

函数原型： void cv::grabCut( const Mat& img, Mat& mask, Rect rect,

Mat& bgdModel, Mat& fgdModel,

int iterCount, int mode )

函数参数说明： 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grabCu t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。

Example截图

OpenCV3.0 Examples学习笔记（10）-grabcut.cpp-grabcut函数实现人机交互高效分割图像前景背景

Example分析 1.主函数 1.1从命令行参数加载图像 if( argc!=2 ) { help(); return 1; } string filename = argv[1]; if( filename.empty() ) { cout << "\nDurn, couldn't read in " << argv[1] << endl; return 1; } Mat image = imread( filename, 1 ); if( image.empty() ) { cout << "\n Durn, couldn't read image filename " << filename << endl; return 1; }

1.2创建预览窗口 const string winName = "image"; //namedWindow( winName, WINDOW_AUTOSIZE ); namedWindow( winName, WINDOW_NORMAL );

注意：（1）这一次的预览窗口还支持使用鼠标绘图。

1.3设置鼠标回调 setMouseCallback( winName, on_mouse, 0 );

1.4为 GCApplication对象gcapp设置参数 gcapp.setImageAndWinName( image, winName ); gcapp.showImage();

注意：（1）实际上示例中几乎所有grabcut极其相关的人机交互操作（鼠标/键盘）都是在 GCApplication类完成。

1.5通过键盘录入修改参数 for(;;) { int c = waitKey(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; } }

注意：（1）Esc：退出（2）r：返回原图（3）n：根据设置调用grabcut

1.6释放窗口 destroyWindow( winName );

2.具体分析示例最重要的GCApplication 2.1初始化所有参数至调用grabcut前 reset

2.2设置图像和预览窗口 setImageAndWinName

2.2显示预览图 showImage

2.3鼠标响应事件，用于人机交互设置grabcut，rect位置 mouseClick

2.4调用grabcut nextIter

2.5返回处理次数 getIterCount

Example代码

#include "opencv2/imgcodecs.hpp"
#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 GC_FGD pixels\n"
        "\n"
        "\tCTRL+right mouse button - set GC_PR_BGD pixels\n"
        "\tSHIFT+right mouse button - set GC_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 = EVENT_FLAG_CTRLKEY;
const int FGD_KEY = EVENT_FLAG_SHIFTKEY;

static void getBinMask( const Mat& comMask, Mat& binMask )
{
    if( comMask.empty() || comMask.type()!=CV_8UC1 )
        CV_Error( Error::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;
}

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;
};

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;
    lblsState = NOT_SET;
    prLblsState = NOT_SET;
    iterCount = 0;
}

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();
}

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 );
    }

    vector<Point>::const_iterator it;
    for( it = bgdPxls.begin(); it != bgdPxls.end(); ++it )
        circle( res, *it, radius, BLUE, thickness );
    for( it = fgdPxls.begin(); it != fgdPxls.end(); ++it )
        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 );

    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 );
}

void GCApplication::setRectInMask()
{
    CV_Assert( !mask.empty() );
    mask.setTo( GC_BGD );
    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) );
}

void GCApplication::setLblsInMask( int flags, Point p, bool isPr )
{
    vector<Point> *bpxls, *fpxls;
    uchar bvalue, fvalue;
    if( !isPr )
    {
        bpxls = &bgdPxls;
        fpxls = &fgdPxls;
        bvalue = GC_BGD;
        fvalue = GC_FGD;
    }
    else
    {
        bpxls = &prBgdPxls;
        fpxls = &prFgdPxls;
        bvalue = GC_PR_BGD;
        fvalue = GC_PR_FGD;
    }
    if( flags & BGD_KEY )
    {
        bpxls->push_back(p);
        circle( mask, p, radius, bvalue, thickness );
    }
    if( flags & FGD_KEY )
    {
        fpxls->push_back(p);
        circle( mask, p, radius, fvalue, thickness );
    }
}

void GCApplication::mouseClick( int event, int x, int y, int flags, void* )
{
    // TODO add bad args check
    switch( event )
    {
    case 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 )
            {
                rectState = IN_PROCESS;
                rect = Rect( x, y, 1, 1 );
            }
            if ( (isb || isf) && rectState == SET )
                lblsState = IN_PROCESS;
        }
        break;
    case 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 )
                prLblsState = IN_PROCESS;
        }
        break;
    case EVENT_LBUTTONUP:
        if( rectState == IN_PROCESS )
        {
            rect = Rect( Point(rect.x, rect.y), Point(x,y) );
            rectState = SET;
            setRectInMask();
            CV_Assert( bgdPxls.empty() && fgdPxls.empty() && prBgdPxls.empty() && prFgdPxls.empty() );
            showImage();
        }
        if( lblsState == IN_PROCESS )
        {
            setLblsInMask(flags, Point(x,y), false);
            lblsState = SET;
            showImage();
        }
        break;
    case EVENT_RBUTTONUP:
        if( prLblsState == IN_PROCESS )
        {
            setLblsInMask(flags, Point(x,y), true);
            prLblsState = SET;
            showImage();
        }
        break;
    case EVENT_MOUSEMOVE:
        if( rectState == IN_PROCESS )
        {
            rect = Rect( Point(rect.x, rect.y), Point(x,y) );
            CV_Assert( bgdPxls.empty() && fgdPxls.empty() && prBgdPxls.empty() && prFgdPxls.empty() );
            showImage();
        }
        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;
    }
}

int GCApplication::nextIter()
{
    if( isInitialized )
        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 )
{
    if( argc!=2 )
    {
        help();
        return 1;
    }
    string filename = argv[1];
    if( filename.empty() )
    {
        cout << "\nDurn, couldn't read in " << argv[1] << endl;
        return 1;
    }
    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";
    namedWindow( winName, WINDOW_AUTOSIZE );
    setMouseCallback( winName, on_mouse, 0 );

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

    for(;;)
    {
        int c = waitKey(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:
    destroyWindow( winName );
    return 0;
}

参考资料: 1.《【OpenCV】 GrabCut.cpp详解》 2.《学习OpenCV——学习grabcut算法》 3.《 Opencv之鼠标响应setMouseCallback()的用法》

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