光谱聚类在图像分割中的应用

在此示例中,生成了具有连通圆的图像,并使用光谱聚类方法将圆分离。

在这种情况下,光谱聚类方法解决了所谓的“‘normalized graph cuts’”问题:将图像看作是连通体素图,而光谱聚类算法则是选择图切分定义区域,同时最小化割集的梯度比率和区域体积。

当算法试图平衡体积(即平衡区域大小)时,如果采用不同大小的圆圈,则分割失败。

此外,由于图像的灰度或梯度中没有有用的信息,我们选择在只有弱梯度信息的图上进行光谱聚类。这接近于执行图的Voronoi分割。

此外,我们使用对象的掩码将图形限制在对象的轮廓上。在本例中,我们感兴趣的是将对象从一个对象和另一个对象中分离出来,而不是从背景中分离出来。

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# Authors:  Emmanuelle Gouillart <emmanuelle.gouillart@normalesup.org>
#           Gael Varoquaux <gael.varoquaux@normalesup.org>
# License: BSD 3 clause

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

from sklearn.feature_extraction import image
from sklearn.cluster import spectral_clustering

l = 100
x, y = np.indices((l, l))

center1 = (2824)
center2 = (4050)
center3 = (6758)
center4 = (2470)

radius1, radius2, radius3, radius4 = 16141514

circle1 = (x - center1[0]) ** 2 + (y - center1[1]) ** 2 < radius1 ** 2
circle2 = (x - center2[0]) ** 2 + (y - center2[1]) ** 2 < radius2 ** 2
circle3 = (x - center3[0]) ** 2 + (y - center3[1]) ** 2 < radius3 ** 2
circle4 = (x - center4[0]) ** 2 + (y - center4[1]) ** 2 < radius4 ** 2

# #############################################################################
# 4 circles
img = circle1 + circle2 + circle3 + circle4

# We use a mask that limits to the foreground: the problem that we are
# interested in here is not separating the objects from the background,
# but separating them one from the other.
mask = img.astype(bool)

img = img.astype(float)
img += 1 + 0.2 * np.random.randn(*img.shape)

# Convert the image into a graph with the value of the gradient on the
# edges.
graph = image.img_to_graph(img, mask=mask)

# Take a decreasing function of the gradient: we take it weakly
# dependent from the gradient the segmentation is close to a voronoi
graph.data = np.exp(-graph.data / graph.data.std())

# Force the solver to be arpack, since amg is numerically
# unstable on this example
labels = spectral_clustering(graph, n_clusters=4, eigen_solver='arpack')
label_im = np.full(mask.shape, -1.)
label_im[mask] = labels

plt.matshow(img)
plt.matshow(label_im)

# #############################################################################
# 2 circles
img = circle1 + circle2
mask = img.astype(bool)
img = img.astype(float)

img += 1 + 0.2 * np.random.randn(*img.shape)

graph = image.img_to_graph(img, mask=mask)
graph.data = np.exp(-graph.data / graph.data.std())

labels = spectral_clustering(graph, n_clusters=2, eigen_solver='arpack')
label_im = np.full(mask.shape, -1.)
label_im[mask] = labels

plt.matshow(img)
plt.matshow(label_im)

plt.show()

脚本的总运行时间:(0分0.721秒)

Download Python source code: plot_segmentation_toy.py

Download Jupyter notebook: plot_segmentation_toy.ipynb