基于紋理平滑和GrabCut的皮影圖案輪廓的智能提取

劉靜 莊梅玲 石歷麗 高婷

摘要： 為客觀有效地識(shí)別局部圖案輪廓，實(shí)現(xiàn)可選擇性目標(biāo)的提取，文章以皮影圖案為研究對(duì)象，針對(duì)皮影圖像局部細(xì)節(jié)豐富、色彩飽和度高而背景信息干擾較大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了皮影圖案輪廓的智能提取算法。首先，采用相對(duì)總變差模型進(jìn)行噪聲與主結(jié)構(gòu)的分離，實(shí)現(xiàn)圖像的平滑處理;然后，設(shè)計(jì)GrabCut算法，通過(guò)分析圖案輪廓的邊界緊密度指標(biāo)，確定最優(yōu)的超像素分割數(shù)量，實(shí)現(xiàn)局部圖案的優(yōu)化分割;最后，運(yùn)用Canny算子對(duì)分割后的皮影圖案進(jìn)行了輪廓提取。通過(guò)6幅皮影圖像的輪廓提取實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的方法準(zhǔn)確完整地實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)圖案的輪廓提取，且圖案分割結(jié)果的像素準(zhǔn)確度（PA）均大于95%。

關(guān)鍵詞： 皮影;智能輪廓提取;相對(duì)總變差模型;超像素分割;GrabCut;Canny

中圖分類號(hào)： TS941.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1001-7003（2020）11-0020-08

引用頁(yè)碼： 111104

Abstract： In order to identify the local pattern contour and extract the optional target， this paper takes the shadow pattern as the research object. According to the characteristics of rich local details， high color saturation and strong interference of background information in the shadow image， an intelligent contour extraction algorithm for shadow patterns was designed. First of all， in order to achieve image smoothing， the relative total variation model was used to separate the noise from the main structure. Then， the GrabCut algorithm was designed. By analyzing the boundary compactness index of the pattern contour， the optimal super-pixel segmentation quantity was determined to realize the optimal segmentation of the local pattern. Finally， the contour of the segmented shadow pattern was extracted by Canny operator. The contour extraction experiment results of 6 shadow images showed that the method proposed in this paper could extract the contour of target pattern accurately and completely， and the pixel accuracy（PA） of the pattern segmentation was greater than 95%.

Key words： shadow play; intelligent contour extraction; relative total variation model; super-pixel segmentation; GrabCut; Canny

皮影是一門(mén)“動(dòng)則成戲，靜則成畫(huà)”的古老藝術(shù)，蘊(yùn)含著獨(dú)特的美學(xué)特征和傳統(tǒng)的文化內(nèi)涵，至今已有兩千多年歷史[1]。皮影圖案多采用仿生手法呈現(xiàn)，大體可以分為花草植物、魚(yú)鳥(niǎo)動(dòng)物及云紋水波三種圖案類型。這些圖案造型精美、內(nèi)涵豐富，極具裝飾性，在包裝、服飾及家居用品[2-4]上已有大量應(yīng)用。皮影藝術(shù)也極具地域性，不同的皮影圖案可有效反映出所在時(shí)代和地域的文化特點(diǎn)及變遷。隨著時(shí)代的發(fā)展，娛樂(lè)形式愈加多樣化，皮影戲及皮影藝術(shù)正面臨著退出歷史舞臺(tái)的危機(jī)。目前，對(duì)于皮影圖案的研究主要集中于從藝術(shù)分析、應(yīng)用及傳承保護(hù)的角度進(jìn)行[5-7]，對(duì)于圖案提取技術(shù)的研究較少涉及。將計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)應(yīng)用于皮影圖案研究，有助于更深入探析其內(nèi)在文化及更加客觀的再設(shè)計(jì)應(yīng)用，為信息時(shí)代皮影藝術(shù)的傳承拓展新方向。區(qū)別于通用服飾圖案，皮影中的服飾圖案具有以下特點(diǎn)：1）色彩分明，飽和度高，互補(bǔ)色運(yùn)用比例高，色塊間對(duì)比反差大;2）以雕刻刀口留白的形式作為圖案裝飾和邊緣劃分;3）局部紋樣細(xì)節(jié)豐富、背景復(fù)雜、刻工精細(xì)且圖案飽滿。

為消除噪聲的干擾，進(jìn)行輪廓提取前，一般采用平滑算法進(jìn)行圖像濾波。目前為止，在常見(jiàn)的服飾圖案處理中，大多以均值、高斯及中值濾波等[8-9]傳統(tǒng)的濾波算法進(jìn)行圖像處理。這些算法雖能達(dá)到較好的平滑效果，但經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)邊緣模糊，導(dǎo)致部分細(xì)節(jié)失真。對(duì)于皮影中以刀口留白來(lái)區(qū)分圖案邊緣的圖像而言，采用這些算法會(huì)造成小尺寸的圖像留白部分邊緣模糊，丟失細(xì)節(jié)部分，不利于后續(xù)的圖像分割及輪廓提取。而相對(duì)總變差模型[10]（relative total variation，RTV）采用獨(dú)特的變差算法，能夠清晰地分辨出無(wú)規(guī)則的噪聲部分及相對(duì)穩(wěn)定的主結(jié)構(gòu)部分，在平滑噪聲的同時(shí)有效保留圖案邊緣。

近年來(lái)，在服飾圖案輪廓和造型提取的研究中，基于聚類的圖案分割方法較為流行。比如，李俞霏等[11]采用K-means聚類算法對(duì)明代賜服圖像中的色彩進(jìn)行聚類，實(shí)現(xiàn)了不同色彩紋樣的分割;傅藝揚(yáng)等[12]利用密度峰聚類算法在色彩空間內(nèi)對(duì)織物進(jìn)行分割聚類，最終分割并提取出提花織物紋樣;邢樂(lè)等[13]采用Mean-Shift聚類算法，獲取了云肩實(shí)物圖像的主要色彩及圖案的分割結(jié)果。上述研究方法對(duì)單目標(biāo)圖像進(jìn)行整體的色彩聚類而實(shí)現(xiàn)圖案造型與輪廓的提取，雖能準(zhǔn)確獲得圖案紋樣的分割結(jié)果，但對(duì)于皮影這種服飾圖案與影人軀干結(jié)合緊密、圖案紋樣僅集中于局部且背景相對(duì)復(fù)雜的圖像而言，該類整體化的圖像色彩聚類方法無(wú)法準(zhǔn)確分離背景與目標(biāo)圖案，所提取圖案的獨(dú)立性、完整性將有所欠缺。而Rother等[14]提出的Grabcut交互式圖案分割方法在Grabphcuts[15]的基礎(chǔ)上，將Gauss混合模型代替灰度直方圖模型對(duì)前景和背景進(jìn)行了顏色分布建模，通過(guò)簡(jiǎn)單的交互操作分割前景和背景。該方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)可選擇性的局部目標(biāo)提取，但會(huì)因?yàn)楸尘邦伾c目標(biāo)圖案顏色相近而導(dǎo)致分割結(jié)果的不準(zhǔn)確，且由于Gauss混合模型的建立增加了算法的運(yùn)算時(shí)間。本文結(jié)合皮影圖像的特點(diǎn)，將簡(jiǎn)單線性迭代聚類算法（simple linear iterative clustering，SLIC）與GrabCut算法結(jié)合，提出了一種改進(jìn)的圖案分割算法：首先細(xì)化聚類分割擬合目標(biāo)圖案邊界，再利用GrabCuts算法進(jìn)行交互式目標(biāo)提取，使其在完成皮影圖案的選擇性提取的同時(shí)，增加了目標(biāo)圖案分割的準(zhǔn)確性及運(yùn)算效率。

本文設(shè)計(jì)輪廓提取算法流程如圖1所示。首先，對(duì)輸入的皮影圖像進(jìn)行平滑處理;其次，采用簡(jiǎn)單線性迭代聚類算法對(duì)平滑后圖像作超像素分割;然后，使用GrabCut算法分割提取局部圖案;最后，運(yùn)用Canny算法提取圖案邊緣輪廓。

1?圖像平滑

由于皮影藝術(shù)中影人的制作是使用驢皮等動(dòng)物皮裁剪后進(jìn)行的人工上色處理，受技術(shù)原因或上色工藝影響會(huì)產(chǎn)生污點(diǎn)及上色不勻的情況，且這些隨機(jī)產(chǎn)生的污損（噪聲）通常不具有規(guī)則性，對(duì)提取清晰的皮影圖案輪廓造成了困難。相對(duì)總變差模型由于其獨(dú)特的變差算法，能夠清晰地分辨出無(wú)規(guī)則（方向多變）的紋理及相對(duì)穩(wěn)定的主結(jié)構(gòu)，適用于非統(tǒng)一的或各向異性的紋理[16]，可以有效分離皮影圖像中的噪聲紋理與主結(jié)構(gòu)輪廓，具有較強(qiáng)的紋理抑制魯棒性。

1.1?RTV算法設(shè)計(jì)

式中：σ為空間尺度參數(shù)，控制窗口的尺寸，根據(jù)所處理的圖像紋理的大小進(jìn)行選取，決定著圖像的平滑程度。

2） 參數(shù)最小化，計(jì)算濾除小尺度紋理后的圖像S：

式中：λ為圖像平滑程度系數(shù)，控制保真項(xiàng)與相對(duì)總變差的比例，同樣控制著圖像的平滑程度。

1.2?平滑參數(shù)分析

控制圖像平滑程度的兩個(gè)參數(shù)分別為平滑程度系數(shù)λ和空間尺度參數(shù)σ。

1） 平滑程度系數(shù)λ：取值一般在0～0.03，僅調(diào)節(jié)λ并不能使噪聲和圖案有效分離，當(dāng)單獨(dú)增加λ可能造成圖像的模糊并且不需要的紋理反而被保留下來(lái)[17]，所以需要與空間尺度參數(shù)σ并行調(diào)整。

2） 空間尺度參數(shù)σ：取值一般在0～6[10]，σ的取值由圖像中污點(diǎn)的尺寸大小決定，增加σ可很好地去除干擾噪聲信息及平滑圖像污點(diǎn)。

3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的參數(shù)分析：在上述的范圍內(nèi)進(jìn)行λ和σ兩個(gè)參數(shù)的調(diào)整，使用Microsoft Windows 10系統(tǒng)下的MATLAB 9.7軟件平臺(tái)運(yùn)行該算法，所用工具箱為Image Processing Toolbox 11.0版。對(duì)皮影圖像進(jìn)行平滑處理，得到結(jié)果如圖2、圖3所示。

從圖2的結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該算法在4次就可達(dá)到收斂狀態(tài)。從圖3（a）～（d）可看出，對(duì)于一些小尺寸的圖像污點(diǎn)，σ增大到2～3時(shí)的平滑效果比較顯著，噪聲消除。但σ=3時(shí)，圖案的細(xì)節(jié)部分有一定程度上丟失，所以選取空間尺度參數(shù)σ=2。同時(shí)，增加λ值對(duì)平滑效果的影響也非常大。從圖3（e）～（h）可看出，隨著λ的增大，圖像中的一些細(xì)節(jié)也會(huì)被平滑，但是λ的取值過(guò)小，也會(huì)使圖像的污點(diǎn)部分保留下來(lái)，所以在處理皮影圖像時(shí)，選取平滑程度系數(shù)λ為0.01～0.02。

2?圖像分割

影人服飾與常用服飾不同，影人中的服飾不可脫卸，且圖案常與身體部位連接，無(wú)法脫離整體單獨(dú)進(jìn)行提取分析。因此，為了有選擇性地提取皮影圖案的輪廓，本文采用GrabCut[14]算法對(duì)皮影圖像進(jìn)行局部分割。GrabCut是一種交互式的圖像分割算法，該算法在GraphCuts算法的基礎(chǔ)上提出，是一種基于圖論的分割方法[18-19]，僅需要簡(jiǎn)單的交互操作，即可達(dá)到較好的圖像分割效果。

為提高GrabCut算法的圖像分割的效率及準(zhǔn)確度，降低算法復(fù)雜度，在進(jìn)行皮影圖像分割前，本文首先采用SLIC算法進(jìn)行超像素塊提取。SLIC算法是根據(jù)顏色差異和距離鄰近性生成超像素塊進(jìn)行圖像分割的聚類方法[20]，適用于顏色飽和度高且色塊間差異顯著的皮影圖像。

2.1?SLIC算法設(shè)計(jì)

首先指定期望生成的超像素?cái)?shù)量n，然后將圖像轉(zhuǎn)至CIE Lab空間，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的三通道顏色值（L，a，b）和坐標(biāo)（x，y）組成一個(gè)5維向量C=[L，a，b，x，y]T。圖像S包含N個(gè)像素點(diǎn)，相鄰超像素塊的聚類中心點(diǎn)（種子點(diǎn)）之間的距離為H。在2H×2H領(lǐng)域內(nèi)，兩個(gè)像素的相似性（距離）由它們的色彩差異dLab和位置距離dxy來(lái)度量。n個(gè)聚類中心向量Cj=[Lj，aj，bj，xj，yj]T，j∈{1，2，…，n};則點(diǎn)Ci=[Li，ai，bi，xi，yi]T，i∈{1，2，…，N}到聚類中心的距離Ds定義為：

式中：m為控制超像素空間緊密度的參數(shù)，取值范圍為1～20（默認(rèn)為10），其值越大，就越強(qiáng)調(diào)空間接近程度，聚類越緊湊。

2.2?GrabCut算法設(shè)計(jì)

首先將超像素分割后的皮影圖像Sp映射成帶有權(quán)值的

網(wǎng)絡(luò)圖（圖4），然后建立對(duì)應(yīng)的能量函數(shù)E（α，k，θ，z），每條邊的權(quán)值根據(jù)能量函數(shù)的數(shù)據(jù)項(xiàng)和平滑項(xiàng)確定，最后采用最大流/最小割算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行分割，獲得最小化的能量函數(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像的分割。具體步驟設(shè)計(jì)如下：

2.2.1?超像素分割

采用SLIC超像素分割后具有n個(gè)超像素集的圖像Sp=（Sp1，Sp2，…，Spn）作為分割圖像，并用超像素塊作為節(jié)點(diǎn)構(gòu)建s-t圖。

2.2.2?參數(shù)初始化

4） 重復(fù)步驟3，更新高斯參數(shù)θ，直到能量函數(shù)E收斂。

2.2.4?結(jié)果輸出

將分配后的超像素塊按照坐標(biāo)還原成原圖，輸出αi=1的超像素，得到最終分割結(jié)果圖像。

2.3?結(jié)果分析與對(duì)比

2.3.1?超像素?cái)?shù)量

超像素分割的精確度對(duì)后續(xù)的GrabCut分割影響非常大，一定程度上決定著最后目標(biāo)分割的效果。因此，為客觀分析圖像超像素分割數(shù)量對(duì)圖像分割精度及時(shí)間的影響，獲得最優(yōu)的超像素?cái)?shù)量，本文設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)——邊界緊密度η進(jìn)行超像素分割精度評(píng)價(jià)。以超像素個(gè)數(shù)n=300時(shí)的分割結(jié)果為例，η為超像素目標(biāo)邊緣領(lǐng)域內(nèi)所含正確的像素?cái)?shù)量（圖5（c）中陰影區(qū)域）與實(shí)際分割所得目標(biāo)邊緣分類像素?cái)?shù)量（圖5（b）中陰影區(qū)域）的比值。

從圖6可以看出，隨著超像素個(gè)數(shù)的增加，除n=150時(shí)的運(yùn)行時(shí)間在0.42 s內(nèi)，其他運(yùn)算時(shí)間均在0.424～0.432 s。在n>900時(shí)，運(yùn)行時(shí)間有增加趨勢(shì)，但其邊界緊密度η無(wú)顯著增加。由此得出，在n=900時(shí)，分割效果最為顯著，且耗時(shí)較少，此時(shí)的邊界緊密度η=99.5%。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，雖然超像素分割數(shù)量越多精確度越高，但是達(dá)到一定的數(shù)量后，分割精度就很難再增加，反而會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)。因此，在進(jìn)行超像素分割時(shí)，應(yīng)根據(jù)自身所處理的圖像尺寸大小合理選擇分割數(shù)量。

2.3.2?圖案分割結(jié)果分析

為對(duì)本文提出算法的實(shí)驗(yàn)分割結(jié)果進(jìn)行定量的客觀評(píng)價(jià)，使用PS軟件人工摳出的目標(biāo)圖案作為正確分割的參照對(duì)象（圖7（b）），采用分割精確度評(píng)價(jià)指標(biāo)—像素準(zhǔn)確度（PA）來(lái)評(píng)估目標(biāo)圖案的分割精度[21]。PA為分類正確的像素?cái)?shù)量與所有實(shí)驗(yàn)所得分類像素?cái)?shù)量的比值：

式中：TP為分類正確的像素?cái)?shù)量，F(xiàn)P為分類錯(cuò)誤的像素?cái)?shù)量。

圖7（a）為目標(biāo)圖案選取的簡(jiǎn)單交互操作。根據(jù)人工分割出的目標(biāo)圖7（b）得出，正確分類的像素?cái)?shù)量TP=146 876;實(shí)驗(yàn)所得分割圖7（c）的像素?cái)?shù)量TP+TF=152 891，像素準(zhǔn)確度PA=0.96。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，本文算法僅需簡(jiǎn)單的交互操作，就能實(shí)現(xiàn)滿意的分割結(jié)果。

為進(jìn)一步驗(yàn)證算法的有效性，將本文算法（簡(jiǎn)稱為GABRS算法）與GrabCut[14]算法、Graph cuts[15]算法及基于本文算法但去除平滑處理部分的算法（簡(jiǎn)稱為GABS算法）進(jìn)行比較。其中，GABRS為GrabCut Algorithm Based on RTV and SLIC的縮寫(xiě);GABS為GrabCut Algorithm Based on SLIC的縮寫(xiě)。由圖8（a）可見(jiàn)，未進(jìn)行超像素分割的圖像直接采用GrabCut算法進(jìn)行目標(biāo)分割時(shí)，由于背景中的色彩分布與目標(biāo)圖案中的色彩非常相似，導(dǎo)致目標(biāo)圖案無(wú)法精確分離。由圖8（b）可見(jiàn)，經(jīng)平滑處理后的Graph cuts算法進(jìn)行目標(biāo)分割，該算法未能正確識(shí)別并分割出目標(biāo)圖案，這是因?yàn)樵撍惴ㄗ陨淼姆指罱Y(jié)果更傾向于具有相同類內(nèi)相似度[22]的特性決定的，即在目標(biāo)圖案的選取時(shí)，背景中所含有的與目標(biāo)相似的部分也會(huì)被選擇出來(lái)，從而導(dǎo)致目標(biāo)圖案難以從背景中分離。由圖8（c）可見(jiàn)，對(duì)未經(jīng)平滑處理的圖案分割結(jié)果出現(xiàn)大量冗余信息，分割精度受到影響。這是由于皮影圖像本身的噪聲對(duì)分割結(jié)果的影響導(dǎo)致，而平滑后的圖像中目標(biāo)圖案的分割結(jié)果（圖8（d））精確度顯著提高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較分析得出，本文算法的分割精度優(yōu)于其他三種算法。表1展示了不同算法分割結(jié)果的PA值。

表2為本文算法對(duì)其他皮影圖像的目標(biāo)分割及輪廓提取結(jié)果。本文算法不論是在前景與背景區(qū)別明顯的圖像（表2中蝦的分割），還是在一些前景與背景復(fù)雜圖像（表2中蓮葉的分割），所得分割結(jié)果的PA值均大于0.95。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，本文算法在各種場(chǎng)景下的魯棒性較強(qiáng)，簡(jiǎn)單的交互操作可以有效地分割出目標(biāo)圖案，在較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出目標(biāo)像素的同時(shí)，預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的像素也較少。

3?輪廓提取及結(jié)果分析

為獲得單像素寬且精確度高的圖案輪廓，本文采用Canny邊緣檢測(cè)算子進(jìn)行目標(biāo)的輪廓提取。Canny算子是根據(jù)需求逐步推導(dǎo)出的邊緣檢測(cè)算子，該算子采用高斯濾波對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理，在一階微分的基礎(chǔ)上定位局部圖像邊緣[23]。能夠檢測(cè)出真正的弱邊緣，得出的輪廓清晰、完整且準(zhǔn)確性高。

將未經(jīng)圖像平滑處理的GABS算法和經(jīng)過(guò)圖像平滑處理的GABRS算法分割后的圖案進(jìn)行Canny算子輪廓提取，提取結(jié)果如圖9所示。

圖9結(jié)果表明，兩類算法處理后的圖案的目標(biāo)輪廓提取結(jié)果存在著明顯差異。由圖9（a）可見(jiàn)，對(duì)未經(jīng)平滑處理的圖像所提取的目標(biāo)輪廓含有大量疵點(diǎn)，這是皮影圖案本身所含噪聲像素對(duì)輪廓識(shí)別時(shí)產(chǎn)生的影響，導(dǎo)致提取的圖案輪廓精度較低。而平滑后的圖像（9（b））所提目標(biāo)圖案的輪廓精確度顯著提高，提取出來(lái)的圖案輪廓與原圖案高度吻合。同時(shí)，本文算法（GABRS）應(yīng)用在其他多幅圖像的提取效果（表2）也表明：本文設(shè)計(jì)的目標(biāo)圖案輪廓識(shí)別算法可獲得更加清晰且精確的目標(biāo)輪廓，所含噪聲少，目標(biāo)圖案的有效邊緣得到最大程度的提取。

4?結(jié)?論

針對(duì)背景復(fù)雜、細(xì)節(jié)豐富而又極具文化內(nèi)涵的服飾圖像提取研究中存在的圖案輪廓提取信息不全而導(dǎo)致的圖案不完整、邊緣不準(zhǔn)確的問(wèn)題，本文以皮影圖像為代表，提出一種基于相對(duì)總變差平滑和Grabcut交互式的局部圖案分割提取方法，能夠準(zhǔn)確地分割目標(biāo)圖案并且提取完整的輪廓。引入圖像分割客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)PA，將本文算法與其他三種算法進(jìn)行了對(duì)比，并用6幅圖像的局部圖案進(jìn)行分割算法實(shí)驗(yàn)，獲得像素準(zhǔn)確度PA均大于95%的結(jié)果，證實(shí)了本文的算法能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的局部圖案輪廓提取。

然而，本文方法還有一些不足：1）由于算法的交互性，存在一些目標(biāo)選取的主觀因素，會(huì)在一定程度上影響分割結(jié)果的穩(wěn)定性，以后的研究中有待提高;2）本文提出的算法更適合于單目標(biāo)圖像的局部圖案分割，對(duì)于多目標(biāo)圖像有一定的局限性。后續(xù)工作將著重圍繞上述問(wèn)題展開(kāi)，同時(shí)考慮對(duì)提取的圖案及其輪廓構(gòu)建相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行分類，將進(jìn)一步研究皮影圖像的局部分割提取技術(shù)，以提高分割準(zhǔn)確率和效率。

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