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骰子点数识别-图像分割
前言
前段时间借用神经网络和卷积神经网络实现了骰子点数的识别，但是一个很严重的问题一直困扰我，那就是当两个骰子叠在一起的时候，将两个骰子分开并不是一件简单的事情。
下图是我在识别过程中产生的不能识别的，叠加在一起的图片素材。
面对这些形态各异的图片，有的时候是两个骰子一个角连在一起，有的是一条边，有的是三个骰子叠在一起。所以，很难找到一个满意的办法解决这个问题。
第一思路就是从原始的RGB图像着手，通过调整二值化阈值，希望能够将骰子对象分割开来，但是遗憾的是我试了好几种方法，都是不行的，原因在于原图像在交接的地方本来就很模糊，颜色变化很小，所以使用二值化阈值调整很难得到完美的解决方案。
期间我尝试了不同的方法
1. 分水岭
close all
clc
figure(1)
subplot(231)
RGB_img=imread(‘161220S010129.jpg‘);
imgsize =size(RGB_img);
RGB_img = imcrop(RGB_img,[imgsize(1,2)*0.418 imgsize(1,1)*0.655 215 134]);%大部分图像布局固定
imshow(RGB_img)
%%
subplot(232)
%imhist(A(:,:,1));
bw=im2bw(rgb2gray(RGB_img));
bw=medfilt2(bw);
planes=bwareaopen(bw,100);
imshow(planes)
%%
subplot(233)
D=bwdist(imcomplement(planes));
D=mat2gray(D);
imshow(D)
figure
subimage(D)
hold on
[C,h]=imcontour(D,0.2:0.2:0.8);
set(h,‘ShowText‘,‘on‘,‘TextStep‘,get(h,‘LevelStep‘)*2)
text_handle = clabel(C,h,‘color‘,‘g‘);
figure(1)
%%
subplot(234)
M=imimposemin(imcomplement(D),D>.8);
imshow(M);
%%
subplot(236)
L=watershed(M);
r=L & planes;
imshow(r)
%%%%%%%%%%%%
stats=regionprops(r,‘BoundingBox‘,‘Centroid‘);
hold on
c=cat(1,stats.Centroid);
plot(c(:,1),c(:,2),‘r*‘)
bb={stats.BoundingBox};
cellfun(@(x) rectangle(‘Position‘,x,‘EdgeColor‘,‘y‘),bb)
%%
subplot(235)
L(r)=5;
imshow(L,[])2. 抽取局部再二值化寻找连通区域
close all;
RGB_img=imread(‘161221S010029.jpg‘);
imgsize =size(RGB_img);
RGB_img = imcrop(RGB_img,[imgsize(1,2)*0.418 imgsize(1,1)*0.655 215 134]);%大部分图像布局固定
GRY_img=rgb2gray(RGB_img);
level = graythresh(GRY_img);
BW_img=im2bw(GRY_img,0.7);
BW_img =imclearborder(BW_img,8);
[img1,map] = rgb2ind(RGB_img,64); %# Create your quantized image
rPlane = reshape(map(img1+1,1),size(img1)); %# Red color plane for image
gPlane = reshape(map(img1+1,2),size(img1)); %# Green color plane for image
bPlane = reshape(map(img1+1,3),size(img1)); %# Blue color plane for image
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(2, 2, 1); imshow(rPlane, []); title(‘R‘);
subplot(2, 2, 2); imshow(gPlane, []); title(‘G‘);
subplot(2, 2, 3); imshow(bPlane, []); title(‘B‘);
subplot(2, 2, 4); imshow(GRY_img, []); title(‘O‘);
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
I2 = bwareaopen(BW_img,100,8);%删除二值图像BW中面积小于P的对象，默认情况下使用8邻域。
cc = bwconncomp(I2,8);%bwconnecomp()是找出二值图像中连通的区域, CC返回结果,比如这样一幅图(简化便于理解):
n=cc.NumObjects;%有多少个对象
k = regionprops(cc,‘Area‘,‘Perimeter‘,‘MajorAxisLength‘,‘MinorAxisLength‘,‘Image‘);%用途是get the properties of region，即用来度量图像区域属性的函数。
subplot(2, 2, 1); imshow(BW_img, []); title(‘O‘);
subplot(2, 2, 2); imshow(I2, []); title(‘G‘);
[m,n] = find(I2==1);
max_x=max(m);
max_y=max(n);
min_x=min(m);
min_y=min(n);
new_img=RGB_img(min_x:max_x,min_y:max_y,:);
subplot(2, 2,3); imshow(new_img, []); title(‘G‘);
new_BW_img=im2bw(new_img,0.7);
subplot(2, 2,4); imshow(new_BW_img, []); title(‘new_BW_img‘);
%figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
for i=1:n
% subplot(2, 2, i); imshow(k(i).Image, []); title(‘T‘);
end
3. K-means 分类
close all;
clear all;
clc;
C_Segments=3;
img_original=imread(‘161224S011389.jpg‘);
imgsize =size(img_original);
img_original = imcrop(img_original,[imgsize(1,2)*0.418 imgsize(1,1)*0.655 215 134]);%大部分图像布局固定
figure,imshow(img_original),title(‘原始图像‘); %显示原图像
img_gray=rgb2gray(img_original);
figure,imshow(img_gray),title(‘原始灰度图像‘);
% 获取图像的长宽
[m,n]=size(img_gray);
% 灰度阈值计算
T=graythresh(img_gray);
img_bw=im2bw(img_gray,T);
figure,imshow(img_bw),title(‘原始二值图像‘);
% 将图像进行RGB——3通道分解
A = reshape(img_original(:, :, 1), m*n, 1); % 将RGB分量各转为kmeans使用的数据格式n行，一样一样本
B = reshape(img_original(:, :, 2), m*n, 1);
C = reshape(img_original(:, :, 3), m*n, 1);
dat = [A B C]; % r g b分量组成样本的特征，每个样本有三个属性值，共width*height个样本
cRGB = kmeans(double(dat), C_Segments,...
‘Distance‘,‘city‘,...
‘emptyaction‘,‘singleton‘,...
‘start‘,‘sample‘); % 使用聚类算法分为2类
rRGB = reshape(cRGB, m, n); % 反向转化为图片形式
figure, imshow(label2rgb(rRGB)),title(‘RGB通道分割结果‘); % 显示分割结果
% 将图像进行单一通道灰度分解
GraySeg= reshape(img_gray(:, :), m*n, 1);
cGray=kmeans(double(GraySeg), 2);
rGray= reshape(cGray, m, n); % 反向转化为图片形式
figure, imshow(label2rgb(rGray)),title(‘灰度通道分割结果‘); % 显示分割结果4.sobel 算子和watershed 这个是MATLAB官方示例
clc; clear all; close all;
%第一步：读入彩色图像，将其转化成灰度图像
rgb = imread(‘abc.jpg‘);
if ndims(rgb) == 3
I = rgb2gray(rgb);
else
I = rgb;
end
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(1, 2, 1); imshow(rgb); title(‘原图‘);
subplot(1, 2, 2); imshow(I); title(‘灰度图‘);
%第2步：将梯度幅值作为分割函数
%使用Sobel边缘算子对图像进行水平和垂直方向的滤波，然后求取模值，sobel算子滤波后的图像在边界处会显示比较大的值，在没有边界处的值会很小。
hy = fspecial(‘sobel‘);%fspecial函数用于建立预定义的滤波算子
hx = hy‘;
Iy = imfilter(double(I), hy, ‘replicate‘);%实现线性空间滤波函数。功能：对任意类型数组或多维图像进行滤波
Ix = imfilter(double(I), hx, ‘replicate‘);
gradmag = sqrt(Ix.^2 + Iy.^2);
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(1, 2, 1); imshow(I,[]), title(‘灰度图像‘)
subplot(1, 2, 2); imshow(gradmag,[]), title(‘梯度幅值图像‘)
%%第2步：标记前景对象
% 有多种方法可以应用在这里来获得前景标记，这些标记必须是前景对象内部的连接斑点像素。
% 这个例子中，将使用形态学技术“基于开的重建”和“基于闭的重建”来清理图像。
% 这些操作将会在每个对象内部创建单位极大值，使得可以使用imregionalmax来定位。
%
% 开运算和闭运算：先腐蚀后膨胀称为开；先膨胀后腐蚀称为闭。开和闭这两种运算可以除去比结构元素小的特定图像细节，
% 同时保证不产生全局几何失真。开运算可以把比结构元素小的突刺滤掉，切断细长搭接而起到分离作用；
% 闭运算可以把比结构元素小的缺口或孔填充上，搭接短的间隔而起到连接作用。
%开操作是腐蚀后膨胀，基于开的重建（基于重建的开操作）是腐蚀后进行形态学重建。下面比较这两种方式。
%% 首先，用imopen做开操作。
se = strel(‘disk‘, 2);%结构元素,用于膨胀腐蚀及开闭运算等操作的结构元素对象具体用法:SE=strel(shape,parameters)创建由指定形状shape对应的结构元素。
Io = imopen(I, se);%开操作是一般使对象的轮廓变得光滑，断开狭窄的间断和消除细的突出物
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(1, 2, 1); imshow(I, []); title(‘灰度图像‘);
subplot(1, 2, 2); imshow(Io), title(‘图像开操作‘)
%% 接下来，通过腐蚀后重建来做基于开的重建计算。
Ie = imerode(I, se);
Iobr = imreconstruct(Ie, I);
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(1, 2, 1); imshow(I, []); title(‘灰度图像‘);
subplot(1, 2, 2); imshow(Iobr, []), title(‘基于开的重建图像‘)
%% 开操作后，接着进行闭操作，可以移除较暗的斑点和枝干标记。对比常规的形态学闭操作和基于闭的重建操作。首先，使用imclose：
Ioc = imclose(Io, se);
Ic = imclose(I, se);
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(2, 2, 1); imshow(I, []); title(‘灰度图像‘);
subplot(2, 2, 2); imshow(Io, []); title(‘开操作图像‘);
subplot(2, 2, 3); imshow(Ic, []); title(‘闭操作图像‘);
subplot(2, 2, 4); imshow(Ioc, []), title(‘开闭操作‘);
%现在使用imdilate，然后使用imreconstruct。注意必须对输入图像求补，对imreconstruct输出图像求补。
%IM2 = imcomplement(IM)计算图像IM的补集。IM可以是二值图像，或者RGB图像。IM2与IM有着相同的数据类型和大小。
Iobrd = imdilate(Iobr, se);%利用结构元素se膨胀
Iobrcbr = imreconstruct(imcomplement(Iobrd), imcomplement(Iobr));
Iobrcbr = imcomplement(Iobrcbr);
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(2, 2, 1); imshow(I, []); title(‘灰度图像‘);
subplot(2, 2, 2); imshow(Ioc, []); title(‘开闭操作‘);
subplot(2, 2, 3); imshow(Iobr, []); title(‘基于开的重建图像‘);
subplot(2, 2, 4); imshow(Iobrcbr, []), title(‘基于闭的重建图像‘);
%通过比较Iobrcbr和loc可以看到，在移除小污点同时不影响对象全局形状的应用下，基于重建的开闭操作要比标准的开闭重建更加有效。
%计算Iobrcbr的局部极大来得到更好的前景标记。
fgm = imregionalmax(Iobrcbr);
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(1, 3, 1); imshow(I, []); title(‘灰度图像‘);
subplot(1, 3, 2); imshow(Iobrcbr, []); title(‘基于重建的开闭操作‘);
subplot(1, 3, 3); imshow(fgm, []); title(‘局部极大图像‘);
%为了帮助理解这个结果，叠加前景标记到原图上。
It1 = rgb(:, :, 1);
It2 = rgb(:, :, 2);
It3 = rgb(:, :, 3);
It1(fgm) = 255; It2(fgm) = 0; It3(fgm) = 0;
I2 = cat(3, It1, It2, It3);
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(2, 2, 1); imshow(rgb, []); title(‘原图像‘);
subplot(2, 2, 2); imshow(Iobrcbr, []); title(‘基于重建的开闭操作‘);
subplot(2, 2, 3); imshow(fgm, []); title(‘局部极大图像‘);
subplot(2, 2, 4); imshow(I2); title(‘局部极大叠加到原图像‘);
%% 注意到大多闭塞处和阴影对象没有被标记，这就意味着这些对象在结果中将不会得到合理的分割。
%而且，一些对象的前景标记会一直到对象的边缘。这就意味着应该清理标记斑点的边缘，然后收缩它们。可以通过闭操作和腐蚀操作来完成。
se2 = strel(ones(5,5));
fgm2 = imclose(fgm, se2);
fgm3 = imerode(fgm2, se2);
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(2, 2, 1); imshow(Iobrcbr, []); title(‘基于重建的开闭操作‘);
subplot(2, 2, 2); imshow(fgm, []); title(‘局部极大图像‘);
subplot(2, 2, 3); imshow(fgm2, []); title(‘闭操作‘);
subplot(2, 2, 4); imshow(fgm3, []); title(‘腐蚀操作‘);
%% 这个过程将会留下一些偏离的孤立像素，应该移除它们。
%可以使用bwareaopen，用来移除少于特定像素个数的斑点。BW2 = bwareaopen(BW,P)从二值图像中移除所以少于P像素值的连通块，得到另外的二值图像BW2。
fgm4 = bwareaopen(fgm3, 20);
It1 = rgb(:, :, 1);
It2 = rgb(:, :, 2);
It3 = rgb(:, :, 3);
It1(fgm4) = 255; It2(fgm4) = 0; It3(fgm4) = 0;
I3 = cat(3, It1, It2, It3);
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(2, 2, 1); imshow(I2, []); title(‘局部极大叠加到原图像‘);
subplot(2, 2, 2); imshow(fgm3, []); title(‘闭腐蚀操作‘);
subplot(2, 2, 3); imshow(fgm4, []); title(‘去除小斑点操作‘);
subplot(2, 2, 4); imshow(I3, []); title(‘修改局部极大叠加到原图像‘);
%% 第4步：计算背景标记
%现在，需要标记背景。在清理后的图像Iobrcbr中，暗像素属于背景，所以可以从阈值操作开始。
bw = im2bw(Iobrcbr, graythresh(Iobrcbr));
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(1, 2, 1); imshow(Iobrcbr, []); title(‘基于重建的开闭操作‘);
subplot(1, 2, 2); imshow(bw, []); title(‘阈值分割‘);
%%背景像素在黑色区域，但是理想情形下，不必要求背景标记太接近于要分割的对象边缘。
%%通过计算“骨架影响范围”来“细化”背景，或者SKIZ，bw的前景。这个可以通过计算bw的距离变换的分水岭变换来实现，然后寻找结果的分水岭脊线（DL==0）。
%%D=bwdist(BW)计算二值图像BW的欧几里得矩阵。对BW的每一个像素，距离变换指定像素和最近的BW非零像素的距离。
%%bwdist默认使用欧几里得距离公式。BW可以由任意维数，D与BW有同样的大小。
D = bwdist(bw);
DL = watershed(D);
bgm = DL == 0;
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(2, 2, 1); imshow(Iobrcbr, []); title(‘基于重建的开闭操作‘);
subplot(2, 2, 2); imshow(bw, []); title(‘阈值分割‘);
subplot(2, 2, 3); imshow(label2rgb(DL), []); title(‘分水岭变换示意图‘);
subplot(2, 2, 4); imshow(bgm, []); title(‘分水岭变换脊线图‘);
%% 第5步：计算分割函数的分水岭变换
gradmag2 = imimposemin(gradmag, bgm | fgm4);
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(2, 2, 1); imshow(bgm, []); title(‘分水岭变换脊线图‘);
subplot(2, 2, 2); imshow(fgm4, []); title(‘前景标记‘);
subplot(2, 2, 3); imshow(gradmag, []); title(‘梯度幅值图像‘);
subplot(2, 2, 4); imshow(gradmag2, []); title(‘修改梯度幅值图像‘);
%% 最后，可以做基于分水岭的图像分割计算。第6步：查看结果
It1 = rgb(:, :, 1);
It2 = rgb(:, :, 2);
It3 = rgb(:, :, 3);
fgm5 = imdilate(L == 0, ones(3, 3)) | bgm | fgm4;
It1(fgm5) = 255; It2(fgm5) = 0; It3(fgm5) = 0;
I4 = cat(3, It1, It2, It3);
figure(‘units‘, ‘normalized‘, ‘position‘, [0 0 1 1]);
subplot(1, 2, 1); imshow(rgb, []); title(‘原图像‘);
subplot(1, 2, 2); imshow(I4, []); title(‘标记和对象边缘叠加到原图像‘);
以上四种方法，虽然都只是浅尝辄止，但是处理我遇到的问题，利用最现成的方法，都不能够有很好的效果。我期望的是，有没有现成的，可以直接用到的方法呢？找了很久找不到。我又是新手，对图像处理完全不懂，最近才入行，而且我之前是做生物科学的，点子比较多，我想出了另外一种方法，叫做旋转切割法。
旋转切割法
这个方法对于只有两个骰子连在一起的图片可以很好的分割开来。原理其实很简单。我介绍一下怎么来的。
最开始，我对没有分割开的骰子进行了细致的总结分析，发现两个骰子连在一起的图片基本上都有一个中心点，中心点基本上都在图片的中央位置。如果我以这个中心点为端点，引一条直线，旋转360度扫描每一个角度，如果那个角度上面黑色像素比重最大，那么证明我应该沿着这条线切割。然后找另外一条同样的线，只不过要夹角大于90度。
想法很美好，但是实现之后发现不行。因为图片作为一个矩阵，坐标只可能是整数，在某些角度，你会在分割的线上找不到任何像素。这种情况还比较多。
请看代码：
clear all;close all;
img=imread(‘stackdice/161221S011172.jpg-1.jpg‘);
img=im2bw(img);
figure;imshow(img,[]);
s_x=1;
s_y=1;
[m,n] = size(img);
d=ceil(sqrt(m^2+n^2));%直径
new_matrix = zeros(d,d);
T2 = [1,0,0;0,1,0;-m/2,-n/2,1]; %x、y轴平移值原点
T3 = [1,0,0;0,1,0;m/2,n/2,1]; %x、y轴反平移
T4 = [1,0,0;0,1,0;-(d/2+m),-(d/2+n),1]; %x、y轴反平移
T5 = [1,0,0;0,1,0;(d-m)/2,(d-n)/2,1]; %x、y轴反平移
T1 = [s_x,0,0;0,s_y,0;0,0,1]; %对应的比例系数矩阵
%T = T2*T1*T3; %P_new = P_old*T2*T1*T3 顺序不能错了
T = T4*T5; %P_new = P_old*T2*T1*T3 顺序不能错了
for i=1:d
for j=1:d
p = floor([i,j,1]*T5^-1);%由P_new = P_old*T 可得：P_old = P_new*(T^-1)
if (p(1)<=m)&&(p(1)>0)&&(p(2)<=n)&&(p(2)>0) %限制范围
new_matrix(i,j) = img(p(1),p(2)); %坐标变换关系
else
new_matrix(i,j) = 0; %没有的点赋值为0
end
end
end
%%以上获取新的图片 图片周围加了一圈
center_x=d/2;
center_y=d/2;%中心坐标
figure;imshow(new_matrix,[]);
hold on;
pointGroup=[center_x center_y;d d/2];% 初始位置
angleGroup=(0:pi/4:2*pi);
init_line_value = http://www.mamicode.com/cell(d/2);>
那么，既然选择线不行，就只能旋转整个图像了。为什么我会首先考虑线呢？矩阵旋转和向量旋转，自然是向量运算量小很多。果不其然，换为整个图片旋转，然后固定在水平位置采样之后，执行时间慢了好多。
clear all;close all;
img=imread(‘stackdice/161221S011161.jpg-2.jpg‘);
img=im2bw(img);
s_x=1;
s_y=1;
[m,n] = size(img);
d=ceil(floor(sqrt(m^2+n^2)));%直径
if mod(d,2)~=0
d=d+1;
end
new_matrix = zeros(d,d);
T2 = [1,0,0;0,1,0;-m/2,-n/2,1]; %x、y轴平移值原点
T3 = [1,0,0;0,1,0;m/2,n/2,1]; %x、y轴反平移
T4 = [1,0,0;0,1,0;-(d/2+m),-(d/2+n),1]; %x、y轴反平移
T5 = [1,0,0;0,1,0;(d-m)/2,(d-n)/2,1]; %x、y轴反平移
T1 = [s_x,0,0;0,s_y,0;0,0,1]; %对应的比例系数矩阵
%T = T2*T1*T3; %P_new = P_old*T2*T1*T3 顺序不能错了
T = T4*T5; %P_new = P_old*T2*T1*T3 顺序不能错了
for i=1:d
for j=1:d
p = floor([i,j,1]*T5^-1);%由P_new = P_old*T 可得：P_old = P_new*(T^-1)
if (p(1)<=m)&&(p(1)>0)&&(p(2)<=n)&&(p(2)>0) %限制范围
new_matrix(i,j) = img(p(1),p(2)); %坐标变换关系
else
new_matrix(i,j) = 0; %没有的点赋值为0
end
end
end
%%以上获取新的图片 图片周围加了一圈
center_x=d/2;
center_y=d/2;%中心坐标
figure;imshow(new_matrix,[]);
hold on;
pointGroup=[center_x center_y;d d/2];% 初始位置
angleGroup=(0:pi/4:2*pi);
for i=1:length(angleGroup)
theat=angleGroup(i);
pointGroup(2,1)=ceil((cos(theat)+1)*d/2);
pointGroup(2,2)=ceil((sin(theat)+1)*d/2);
plot(pointGroup(:,1),pointGroup(:,2),‘.-‘,‘Color‘,[(0.7+0.1/i)^2 1-(0.05*i) 0.5/i^2]);
end
for i222=1:length(angleGroup)
theat=angleGroup(i222);
newroate= RotateFunction(new_matrix,theat);
x1_pix(:,:,i222)=newroate(d/2,d/2:d);
x2_pix(:,:,i222)=newroate(d/2,1:d/2);
end
max=0;
max_index=0;
for i=1:length(x1_pix(1,1,:))
tmp= length(find(x1_pix(:,:,i)==0));
tmp_rate = tmp/length(x1_pix(:,:,i));
if tmp_rate>max
max=tmp_rate;
max_index=angleGroup(i);
end
end
for i=1:length(x2_pix(1,1,:))
tmp= length(find(x2_pix(:,:,i)==0));
tmp_rate = tmp/length(x2_pix(:,:,i));
if tmp_rate>max
max=tmp_rate;
max_index=angleGroup(i);
end
end
newroate_final= RotateFunction(new_matrix,max_index);
img1=newroate_final(1:d/2,1:d);
img2=newroate_final(d/2:d,1:d);
figure;imshow(img1,[]);
figure;imshow(img2,[]);
无论怎样，先将就用一下把。对于三个骰子连在一起的我暂时还没有好的方法。但是目前看来，我的设计足够我们在正式的生产环境中使用了。
下图就是我通过这种方法分割的效果：
总结：
总的来说，试了很多很多方法，也许对其他的算法了解不深入，所以没有很好的结果，但是，最适合的，就是最好的。
骰子点数识别-图像分割
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