基于分割塊的圖像語義分割方法

曹 攀， 董洪偉， 錢軍浩

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

0 引 言

在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，圖像語義分割主要的任務(wù)是識別圖像中每個(gè)像素對應(yīng)的類別，能夠有效地表達(dá)整幅圖像涵蓋的全部信息，并聯(lián)合解決目標(biāo)檢測和多類別標(biāo)注問題。由于圖像經(jīng)常會(huì)受到不同光照強(qiáng)度，物體的遮擋以及物體種類繁多和復(fù)雜的場景問題，使得提取的像素特征不能很好地表達(dá)像素的語義信息，導(dǎo)致像素標(biāo)記錯(cuò)誤，所以,如何有效地提取圖像中對象的整體信息，描述圖像中對象的輪廓，一直以來都是值得研究的關(guān)鍵問題。

對于傳統(tǒng)的圖像分割[1]，依據(jù)分割原理的標(biāo)準(zhǔn)不同，普遍分為以下分割算法：基于閾值[2]、基于邊緣[3]、基于區(qū)域、基于小波變換以及基于數(shù)學(xué)形態(tài)的方法。其中，基于數(shù)學(xué)形態(tài)的分水嶺算法[4]較為經(jīng)典。結(jié)合分水嶺算法，Arbelaez P 等人提出了一種輪廓檢測算法[5]，運(yùn)用全局像素邊界(global pixel boundary，GPB)算法計(jì)算每一個(gè)像素作為邊緣的概率，再通過超度量輪廓圖(ultrametric contour map，UCM)算法生成輪廓圖。李昌興[6]提出了一種譜聚類圖像分割算法，引入加速均值算法代替原有的K均值算法，縮短了時(shí)間損耗。現(xiàn)有的圖像語義分割方法[7～9]直接在像素的基礎(chǔ)上訓(xùn)練模型，單純在像素上訓(xùn)練模型很難描述對象輪廓，從而使得語義分割難以獲得理想效果。本文提出了一種基于分割塊的圖像語義分割(image semantic segmentation method based on the block of image segmentation，BIS-ISS)方法，有效解決了基于像素模型下的對象缺失及不完整的情況，并且算法在精確度、魯棒性和速率方面均有良好表現(xiàn)。

1 BIS-ISS方法描述

BIS-ISS方法，具體步驟如下：

1)采用結(jié)構(gòu)森林法[10]生成圖像各像素的邊緣概率；

2)將生成的邊緣概率圖經(jīng)由分水嶺算法將圖像劃分為初始區(qū)域塊；

3)為防止分水嶺算法過度分割，通過UCM算法選取閾值，將初始區(qū)域塊細(xì)分為需要的圖模型；

4)對圖模型中的分割塊提取特征，利用隨機(jī)森林訓(xùn)練分割塊得到語義分割結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了一種具有較高精確度、魯棒性及速率的圖像語義分割方法。

2 分割塊的生成

2.1 邊緣檢測

邊緣檢測能夠很好地表達(dá)圖像中對象的輪廓信息，輪廓形狀是目標(biāo)對象幾何形態(tài)描述的重要表現(xiàn)內(nèi)容。傳統(tǒng)的水平集模型建模過程不僅耗時(shí),而且可導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定。對此，考慮到一般的圖像塊對圖像的局部特征有很好的表現(xiàn)效果，例如直線或者是T型交叉點(diǎn)。本文利用圖像塊對邊緣有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，采用結(jié)構(gòu)森林[10]的學(xué)習(xí)方法建立隨機(jī)決策森林，學(xué)習(xí)每個(gè)像素的邊緣概率，不但解決了耗時(shí)問題，更取得了很好的邊緣檢測效果。效果如圖1。圖1(a)和圖1(c)為輸入圖像，圖1(b)和圖1(d)為對應(yīng)的邊緣圖像。

圖1 邊緣圖像

2.2 圖模型

在邊緣檢測的基礎(chǔ)上，利用分水嶺算法將邊緣圖轉(zhuǎn)換為初始分割塊，考慮到過度分割問題，利用UCM算法將初始分割塊轉(zhuǎn)換成圖模型

G=(Pi,Ki,W(Ki))

(1)

式中Pi為分割塊；Ki為弧，W(Ki)為該弧的強(qiáng)度。該圖以分割塊作為節(jié)點(diǎn)，若兩個(gè)分割塊相鄰，則其對應(yīng)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相連，連接強(qiáng)度為W(Ki)為

(2)

式中Pi為分割塊之間相鄰像素的邊緣概率值;n為相鄰分割塊間像素個(gè)數(shù)。以兩兩節(jié)點(diǎn)之間的W(Ki)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，按照W(Ki)升序排列，依次將W(Ki)小的節(jié)點(diǎn)合并，直到最后僅余一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在完成遍歷的同時(shí)生成圖模型。

3 提取分割塊特征

傳統(tǒng)語義分割方法針對像素進(jìn)行訓(xùn)練，無法準(zhǔn)確把握圖像中對象的輪廓信息。訓(xùn)練時(shí)單純對像素提取特征忽略了像素間的局部空間信息，不能很好地表達(dá)圖像中對象像素之間的區(qū)域結(jié)構(gòu)信息。本文采用核描述、核匹配方法，通過2×2網(wǎng)格模型提取像素的紋理特征、顏色特征和梯度特征，對應(yīng)于同一分割塊的像素特征加權(quán)合并為分割塊特征，使得分割塊帶有局部空間信息。隨機(jī)提取10塊分割塊生成特征圖，如圖2所示。本文利用隨機(jī)森林算法對圖模型中的分割塊進(jìn)行訓(xùn)練，針對圖模型中的特征冗余信息較多和特征的重要性不同，對特征進(jìn)行加權(quán)。

圖2 分割塊特征圖

4 條件隨機(jī)森林

隨機(jī)森林F={Ti}中的每一棵樹Tt都被獨(dú)立訓(xùn)練。從每個(gè)圖片，提取一組分割塊

{Pi=(Ii,Ci)}

(3)

式中Ii為上文提取的條件特征；Ci為每個(gè)分割塊的類別。在本文中，Ii被定義為

(4)

式中n為第i個(gè)分割塊特征的維數(shù)。隨機(jī)森林的學(xué)習(xí)方法對過度擬合一直有很好的效果，本文設(shè)計(jì)的隨機(jī)森林在每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)閾值τ，進(jìn)一步防止訓(xùn)練時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)過度擬合。針對每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，都將有一個(gè)分割塊的集合P通過閾值τ劃分到PL和PR，左、右兩個(gè)子孩子當(dāng)中

(5)

PR=P-PL

(6)

樹的構(gòu)建關(guān)鍵在于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的分裂φi，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)重復(fù)多次分裂，每次分裂左、右孩子節(jié)點(diǎn)之后，通過計(jì)算信息增益IG判斷每一次分裂φi的優(yōu)劣性，公式如下

φ*=argmaxIG(φi),1≤i≤n

(7)

(8)

(9)

式中 對于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的分裂過程，采用類別比例計(jì)算熵。

本文采用了如下2種條件來確定葉子節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)滿足如下任一條件，則視該節(jié)點(diǎn)為葉子節(jié)點(diǎn)：1)節(jié)點(diǎn)達(dá)到預(yù)設(shè)定的深度;2)節(jié)點(diǎn)的信息增益值達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值。直至所有樣本到達(dá)葉子節(jié)點(diǎn)，訓(xùn)練終止。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證方法的有效性，本文的圖像數(shù)據(jù)集采用Stanford Background數(shù)據(jù)庫[11]，數(shù)據(jù)庫共715幅復(fù)雜的戶外場景圖片，每張圖像大小為320像素×240像素，并附有逐像素標(biāo)注好的正確語義圖片。每個(gè)像素被劃分一類，共8個(gè)類別，總計(jì)5 491萬多像素標(biāo)記樣本。類別分別為：天空、樹、馬路、草地、水、建筑物、山脈和前景對象。實(shí)驗(yàn)效果如圖3。圖3(a)為輸入的測試圖像，圖3(b)為預(yù)標(biāo)記的像素正確標(biāo)記的圖像，圖3(c)為本文算法預(yù)測的語義分割圖像，圖3(d)為本文算法語義標(biāo)注失準(zhǔn)圖像，以像素為單位，標(biāo)記錯(cuò)誤的像素為黑色，正確的為白色。圖下方8個(gè)色塊分別代表8個(gè)不同的類別。

圖3 實(shí)驗(yàn)效果

5.2 實(shí)驗(yàn)分析

5.2.1 精度分析

隨機(jī)提取5組訓(xùn)練測試集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算圖像像素精確度，對所有測試樣本測試的結(jié)果得到的精確度與其他方法對比如表1所示。本文通過對邊緣檢測的方法得到的分割塊進(jìn)行訓(xùn)練，相對其他對像素進(jìn)行訓(xùn)練的方法[7～9]，在把握對象輪廓上有明顯優(yōu)勢，使得在精確度上相對其他方法有明顯改善。

表1 像素精確度 %

5.2.2 魯棒性分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，可以得到每種類別的像素所預(yù)測的類別分布，如圖4所示。可以看出天空、樹、馬路、草地、建筑物以及前景對象這6類的像素均對本身的類別有較好的識別性。但是水類的精確度過低，并且大部分被誤認(rèn)為馬路類別，這是因?yàn)樗愂芄庹盏扔绊懞苋菀捉瓶闯神R路類。同時(shí)，由于山脈類自身像素個(gè)數(shù)較少，導(dǎo)致精確度不夠，這也是實(shí)驗(yàn)的不足之處。

圖4 預(yù)測類別分布

通過取不同閾值的分割塊進(jìn)行訓(xùn)練，閾值的選取采用公共閾值[0.1 0.2 0.3 0.4 0.5]。計(jì)算每個(gè)閾值下的平均精度與全局像素邊界算法GPB[5]對比如圖5所示。實(shí)驗(yàn)證明：GPB算法在不同閾值下像素精確度相差較大，這是由于GPB在不同閾值下分割塊數(shù)量波動(dòng)較大，導(dǎo)致GPB精確度下滑。本文提出的BIS-ISS方法，能夠穩(wěn)定生成分割塊，所以在不同閾值的情況下算法均有良好的表現(xiàn)。

圖5 穩(wěn)定性對比

5.2.3 速率分析

采用BIS-ISS方法生成分割塊，保持了良好的分割效果的同時(shí)，在速度上相對Arbelaez P[5]提出的GPB/UCM算法也有提升,對比如表2。表2基于斯坦福數(shù)據(jù)集[11]，將現(xiàn)有算法與本文算法分割塊的生成速率對比。其中，S為單一尺度，M為多尺度。

表2 分割塊速率

5.2.4 細(xì)節(jié)分析

對于多尺度深度網(wǎng)絡(luò)方法[7]，局限于將圖像分為多個(gè)固定大小的方框，并對其進(jìn)行語義預(yù)測，使得不能對事物對象的輪廓很好地概括，是其對像素最終語義標(biāo)注正確率相對較低的重要原因之一。對此，本文利用的結(jié)構(gòu)森林/UCM結(jié)構(gòu)對事物輪廓有很強(qiáng)的概括能力，圖6給出了部分語義分割效果，在對人物，車輛等對象的輪廓細(xì)節(jié)上有較好地描述，從而提升像素精確度。

圖6 細(xì)節(jié)分析

6 結(jié)束語

針對像素訓(xùn)練模型容易忽略的圖像空間結(jié)構(gòu)信息，無法描述對象輪廓，提出了一種基于分割塊的圖像語義分割算法。通過結(jié)構(gòu)森林/UCM結(jié)構(gòu)，生成分割塊，再構(gòu)建條件隨機(jī)森林樹模型，訓(xùn)練得到語義分割結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明：該算法能夠減少生成圖像分割塊的時(shí)間損耗，同時(shí)擁有較好的魯棒性，并在最終的結(jié)果中獲得良好的精確度和對象輪廓信息。由于特征描述采用核描述提取特征，對于部分分割塊無法有效地提取特征，導(dǎo)致部分分割塊預(yù)測出現(xiàn)誤差，影響總體精確度。下一步的工作目標(biāo)將是提高有效特征的提取，以獲取更高的精確度及較好的語義分割效果。

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