关于图像的显著性检测

   图像显著性检测-Saliency Detection via Graph-Based Manifold Ranking

         显著性检测是很多计算机处理的预处理，有限的计算机资源来处理数以亿计的图片，不仅耗资巨大，而且往往时间复杂度高。

        那么如果说将这些资源集中在图片的显著性区域，就往往可以取得更好的成果，最直接的就是可以摒弃掉一些背景信息，使得“重要部分”能够凸显出来。目前关于图像显著性检测的论文有好多种类。

        其中本人正在研究的一篇是《Saliency Detection via Graph-Based Manifold Ranking》，是2013年发表在IEEE上面的一篇文章，这篇文章很经典，被引用的次数也非常多，是经典的“自下而上”方法，值得我们大家反复研读和思考，这篇paper提到了一种核心算法“流形排序”，这种算法可以算是“page rank”也就是佩奇算法的延展，效果不错。下面来简单介绍一下这篇paper。

        这篇文章的出发点，是有关于前景也就是目标有着很强的内相关性，放在关联矩阵中能够明显看出来和背景不一样。如下图所示蓝、红、绿色分别代表对象-内部，背景-内部，背景-目标，最高的蓝色表示对象内部之间有着很强的关联性，根据这个特点就可以在图像内部将图像前景和背景分离开。

    

           其中最重要的也是最核心的算法就是“流形排序”。下面具体讲一下算法过程：

          首先将图片利用SLIC方法分割成数量相对固定的超像素集合，将每个超像素看成一个节点，再设某些点为查询点，将超像素节点作为图G中的节点E，构造k-正则图，根据其他节点和查询点之间的关联进行排序，根据排名结果重新赋予超像素灰度值，形成显著图。

          以上边界为例子解释一下算法：首先以上边界为种子节点（queries），然后每个节点都与其周围两圈节点相连，也就是说“每个节点不仅与它相邻节点相连，而且与相邻节点相连”，再将四周节点两两之间相连接，如上图所示，以上边界所有节点为种子点，其他的为未标记节点，由于连线太多影响观看，因此仅仅展示部分连接，实际上是每个节点都按照上述规则进行连接。连接之后根据超像素在Lab色彩空间的平均值来赋予边的权重。其中ci与cj是控制节点在CIE Lab色彩空间节点的平均值。

       

           再通过优化下列问题来选取最佳排名。其中y是指示向量  [y1,y2,y3,...yn]，如果每一个yi对应一个节点，如果该节点为种子点，则yi为1，否则为0。dii 与 djj 是度矩阵中的的项，D=diag{d11,d22,d33,...,dnn},其中dii为从 j=1到n, wij的和。fi与fj为第i,j个节点与其他所有节点的相关性和。

    其模型化简之后得到核心模型。阿尔法 为一常数，在代码中设置为0.99。W是关联矩阵，wij是 i节点和 j节点的边的权重。

   

          得到的 f* 是一个N维向量，每一个元素为一个节点个背景种子点的相关性，归一化该向量 [0,1] ，节点的显著性为：

      

          其中i表示索引图中的超像素节点， f*（i）表示归一化向量。

         类似地，我们使用底部，左侧和右侧图像边界作为种子点来计算其他三个边界Sb，S1和Sr的显著性映射。我们注意到，显著图是用不同的指标向量y计算的，而权重矩阵和度矩阵D是固定的。也就是说，我们需要为每个图像计算一次矩阵的逆（D-αW）。由于超像素的数量很小，因此矩阵在方程3中的逆矩阵可以有效地计算。因此，四个映射的总计算负荷很低。通过以下过程整合四个显著性图：

        由此可以得到第一阶段的显著图。在第二阶段，要根据第一阶段产生的显著图得到的前景超像素节点，作为前景种子点，继续进行流形排序，再将两幅显著图结合，得到最终的显著图。使用SC方法生成显著性图有两个原因。首先，不同侧面的超像素通常不相似，应该具有较大的距离。如果我们同时使用所有边界超像素作为种子点（即，指示这些超级像素是相似的），则标记结果通常不太理想，因为这些节点不可压缩（如图4）。其次，它减少了不精确种子点的影响，即参考真实的突出节点被无意中选择作为后台种子点。如图5的第二列所示，使用所有边界节点生成的显著性图很差。由于标记结果不精确，具有显著对象的像素具有低显著性值。通过整合四个显著性图，可以识别对象的一些显著部分（尽管整个对象未被均匀地突出显示），这为第二阶段检测过程提供了足够的提示。

      

          虽然显著对象的大部分区域在第一阶段突出显示，但某些背景节点可能无法被充分抑制（参见图4和图5）。为了缓解这个问题并改善结果，特别是当对象出现在图像边界附近时，通过使用前景种子点进行排名来进一步改进显著性图。

clear all;close all;clc;
addpath('./function/');
%%------------------------设置参数---------------------%%
theta = 0.1;                            % 控制边缘的权重
alpha = 0.99;                          % 控制流行排序成本函数两个项的平衡
spnumber = 200;                    % 超像素的数量
imgRoot = './test/';                 % 测试图像的路径
saldir = './saliencymap/';         % 显著性图像的输出路径
supdir = './superpixels/';         % 超像素标签的文件路径
mkdir(supdir);
mkdir(saldir);
imnames = dir([imgRoot '*' 'jpg']);
 
disp(imnames);
imname = [imgRoot imnames.name];
[input_im,w] = removeframe(imname);            %预处理去掉边框
[m,n,k] = size(input_im);
 
%%----------------------生成超像素--------------------%%
  imname = [imname(1:end-4) '.bmp'];       %SLIC软件仅支持bmp格式的图片
  comm = ['SLICSuperpixelSegmentation' ' ' imname ' ' int2str(20) ' ' int2str(spnumber) ' ' supdir];  %<filename> <spatial_proximity_weight> <number_of_superpixels> <path_to_save_results>
  system(comm);   
  spname = [supdir imnames.name(1:end-4)  '.dat'];
   
  %超像素标签矩阵
  fid = fopen(spname,'r');
  A = fread(fid, m * n, 'uint32');     %fread(fid, N, 'str')  N代表读入元素个数， 'str'是格式类型
  A = A+1;     %把A变成正整数或逻辑值
  B = reshape(A,[n, m]);
  superpixels = B';
  fclose(fid);
  spnum = max(superpixels(:));  %实际的超像素数目 
   
 %%----------------------设计图形模型--------------------------%%
 %计算特征值 (mean color in lab color space)
 %对于每个超像素
    input_vals = reshape(input_im, m*n, k);
    rgb_vals = zeros(spnum,1,3);
    inds = cell(spnum,1);
    for i = 1:spnum
        inds{i} = find(superpixels==i);
        rgb_vals(i,1,:) = mean(input_vals(inds{i},:),1);
    end 
  lab_vals = colorspace('Lab<-', rgb_vals);            %rgbzhuan转换成lab空间
  seg_vals = reshape(lab_vals,spnum,3);                 % 每个超像素点的特征
   
 % 求得边界
 %求邻接矩阵
  adjloop = zeros(spnum,spnum);
  [m1 n1] = size(superpixels);
 for i = 1:m1-1
    for j = 1:n1-1
        if(superpixels(i,j)~=superpixels(i,j+1))
            adjloop(superpixels(i,j),superpixels(i,j+1)) = 1;
            adjloop(superpixels(i,j+1),superpixels(i,j)) = 1;
        end;
        if(superpixels(i,j)~=superpixels(i+1,j))
            adjloop(superpixels(i,j),superpixels(i+1,j)) = 1;
            adjloop(superpixels(i+1,j),superpixels(i,j)) = 1;
        end;
        if(superpixels(i,j)~=superpixels(i+1,j+1))
            adjloop(superpixels(i,j),superpixels(i+1,j+1)) = 1;
            adjloop(superpixels(i+1,j+1),superpixels(i,j)) = 1;
        end;
        if(superpixels(i+1,j)~=superpixels(i,j+1))
            adjloop(superpixels(i+1,j),superpixels(i,j+1)) = 1;
            adjloop(superpixels(i,j+1),superpixels(i+1,j)) = 1;
        end;
    end;
end;   
bd = unique([superpixels(1,:),superpixels(m,:),superpixels(:,1)',superpixels(:,n)']);
for i = 1:length(bd)
    for j = i+1:length(bd)
        adjloop(bd(i),bd(j)) = 1;
        adjloop(bd(j),bd(i)) = 1;
    end
end
    
    edges = [];
   for i = 1:spnum
        indext = [];
        ind = find(adjloop(i,:)==1);
        for j = 1:length(ind)
            indj = find(adjloop(ind(j),:)==1);
            indext = [indext,indj];
        end
        indext = [indext,ind];
        indext = indext((indext>i));
        indext = unique(indext);
        if(~isempty(indext))
            ed = ones(length(indext),2);
            ed(:,2) = i*ed(:,2);
            ed(:,1) = indext;
            edges = [edges;ed];
        end
   end
  
  % 计算关联矩阵
   valDistances = sqrt(sum((seg_vals(edges(:,1),:)-seg_vals(edges(:,2),:)).^2,2));
   valDistances = normalize(valDistances); %Normalize to [0,1]
   weights = exp(-valDistances/theta);
   W=sparse([edges(:,1);edges(:,2)],[edges(:,2);edges(:,1)], ...
       [weights;weights],spnum,spnum);  
   
 
   % 最优化关联矩阵 (公式3)
   dd = sum(W); D = sparse(1:spnum,1:spnum,dd); clear dd;      %S = sparse(i,j,s,m,n,nzmax)由向量i,j,s生成一个m*n的含有nzmax个非零元素的稀疏矩阵S;即矩阵A中任何0元素被去除，非零元素及其下标组成矩阵S
   optAff = eye(spnum)/(D-alpha*W);
   mz = diag(ones(spnum,1));
   mz = ~mz;     %将A的对角元素设置为0
   optAff = optAff.*mz;
   
   %%-----------------------------显著性检测第一阶段--------------------------%%
  % 为每个超像素计算显著性值
  % 作为种子点的上边界
    Yt = zeros(spnum,1);
    bst = unique(superpixels(1,1:n));
    Yt(bst) = 1;
    bsalt = optAff*Yt;
    bsalt = (bsalt-min(bsalt(:)))/(max(bsalt(:))-min(bsalt(:)));       %正规化数据
    bsalt = 1-bsalt;                  %补码为显著性度量
   
  % down
    Yd = zeros(spnum,1);
    bsd = unique(superpixels(m,1:n));
    Yd(bsd) = 1;
    bsald = optAff*Yd;       %f*（i） 此向量中的每个元素表示节点与背景种子点的相关性
    bsald = (bsald-min(bsald(:)))/(max(bsald(:))-min(bsald(:))); 
    bsald = 1-bsald; 
    
% right
    Yr = zeros(spnum,1);
    bsr = unique(superpixels(1:m,1));
    Yr(bsr) = 1;
    bsalr = optAff*Yr;
    bsalr = (bsalr-min(bsalr(:)))/(max(bsalr(:))-min(bsalr(:)));
    bsalr = 1-bsalr;
   
% left
    Yl = zeros(spnum,1);
    bsl = unique(superpixels(1:m,n));
    Yl(bsl) = 1;
    bsall = optAff*Yl;
    bsall = (bsall-min(bsall(:)))/(max(bsall(:))-min(bsall(:)));
    bsall = 1-bsall;  
    
% combine
    bsalc = (bsalt.*bsald.*bsall.*bsalr);
    bsalc = (bsalc-min(bsalc(:)))/(max(bsalc(:))-min(bsalc(:)));
   
% 为每个像素分配显著性值
  tmapstage1 = zeros(m,n);
  for i = 1:spnum
      tmapstage1(inds{i}) = bsalc(i);
  end
  tmapstage1 = (tmapstage1-min(tmapstage1(:)))/(max(tmapstage1(:))-min(tmapstage1(:)));
   mapstage1 = zeros(w(1),w(2));
   mapstage1(w(3):w(4),w(5):w(6)) = tmapstage1;
   mapstage1 = uint8(mapstage1*255); 
    
  outname = [saldir imnames.name(1:end-4)  '_stage1' '.png'];
  imwrite(mapstage1,outname);
   
  %%----------------------显著性检测第二阶段-------------------------%%
  % 自适应阈值二值化
  th = mean(bsalc);                    %阈值被设置为整个显著图上的平均显著性
  bsalc(bsalc<th)=0;
  bsalc(bsalc>=th)=1;
   
  % 为每个超像素计算显著性值
  fsal = optAff*bsalc;
   
  % 为每个像素分配显著性值
    tmapstage2 = zeros(m,n);
    for i = 1:spnum
        tmapstage2(inds{i}) = fsal(i);  
    end
    tmapstage2 = (tmapstage2-min(tmapstage2(:)))/(max(tmapstage2(:))-min(tmapstage2(:)));
     
    mapstage2 = zeros(w(1),w(2));
    mapstage2(w(3):w(4),w(5):w(6)) = tmapstage2;
    mapstage2 = uint8(mapstage2*255);
    outname = [saldir imnames.name(1:end-4)  '_stage2' '.png'];  
    imwrite(mapstage2,outname);