Python项目实战：基于2D或3D的区域增长算法

文章目录

一、简介
二、项目实战
- 2.1、2D图像（10x10）
- 2.2、2D图像（100x100）
- 2.3、3D图像（10x10x10）

一、简介

区域增长算法是一种用于图像分割方法，将相邻像素按照一定的相似性合并成一个区域。

步骤：
（1）初始化：选择一个种子像素点（或多个种子点）作为起始点，将其标记为一个新的区域。
（2）生长准则：定义生长准则，用于决定是否将相邻像素合并到当前区域。生长准则通常是基于像素的强度值、颜色、纹理等属性的相似性。如果相邻像素满足生长准则，它们将被合并到当前区域。
（3）生长过程：从种子点开始，通过不断地检查相邻像素，根据生长准则逐步扩展区域。这可以使用递归、队列或堆栈等数据结构来实现。
（4）标记和分类：对每个像素分配一个区域标签，以表示它属于哪个区域。这通常在生长过程中完成。
（5）终止条件：定义何时停止生长。这可以是根据像素的属性、区域的大小、生长次数等来决定。

区域增长算法通常有一些可调参数，这些参数影响着算法的性能和结果。以下是一些常见的可调参数及其描述：

种子点（Seed Point）：种子点是区域增长的起始位置。选择合适的种子点对于获取所需的区域非常重要。
容忍度（Tolerance）：容忍度（即相邻像素的范围）表示两个像素值之间的允许差异范围。容忍度值越大，允许的差异越大，区域增长范围就越广。容忍度值越小，增长的区域越接近种子点的像素值。
连接条件（Connectivity）：定义了哪些邻域像素被认为是连接的一部分。
在2D图像中：
（1）使用4连接（一个像素的邻域包括上下左右四个像素）
（2）使用8连接（一个像素的邻域包括上下左右四个像素以及四个对角线方向的像素）
在3D图像中：
（1）使用6连接（一个像素的邻域包括其上下左右前后六个相邻像素）
（2）使用26连接（一个像素的邻域包括其上下左右前后以及八个对角线方向的像素）
最大连接区域大小（Max Region Size）：限制区域增长的大小，以防止无限制地增长。
像素相似度度量（Pixel Similarity Metric）：决定了像素之间相似性的度量方式。通常是通过像素值之间的灰度差异来度量，但也可以使用其他度量方法。如：颜色相似度、纹理相似度等等。

二、项目实战

2.1、2D图像（10x10）

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt"""
区域增长算法：2D图像中的4连接条件 + 8连接条件
"""def region_growing_4connect(image, seed, tolerance=1, max_region_size=None):"""在2D图像中，4连接条件"""region = np.zeros_like(image, dtype=bool)height, width = image.shapestack = [(seed[0], seed[1])]while stack:y, x = stack.pop()if not (0 <= x < width and 0 <= y < height):continueif region[y, x]:continueif max_region_size is not None and np.sum(region) >= max_region_size:continue###########################################################################"""若添加该条件：其会将多个被独立区域完全分割，导致区域增长无法与周边独立区域进行连接。若取消该条件：则将两个独立区域连接的同时，中间的黑色区域也会同时连接。      备注：当像素值与背景值差异越小则影响越大，反之差异越大则影响越小。备注：被黑色包围的区域认定为 "独立区域"备注：区域增长最终结果必定是一个独立的整体"""if image[y, x] == 0:  # 如果当前像素值为0（不连接黑色块），则跳过continue###########################################################################if abs(image[seed[0], seed[1]] - image[y, x]) <= tolerance:region[y, x] = 1stack.extend([(y - 1, x), (y + 1, x), (y, x - 1), (y, x + 1)])return regiondef region_growing_8connect(image, seed, tolerance=1, max_region_size=None):"""在2D图像中，8连接条件"""region = np.zeros_like(image, dtype=bool)height, width = image.shapestack = [(seed[0], seed[1])]while stack:y, x = stack.pop()if not (0 <= x < width and 0 <= y < height):continueif region[y, x]:continueif max_region_size is not None and np.sum(region) >= max_region_size:continue###########################################################################"""若添加该条件：其会将多个被独立区域完全分割，导致区域增长无法与周边独立区域进行连接。若取消该条件：则将两个独立区域连接的同时，中间的黑色区域也会同时连接。      备注：当像素值与背景值差异越小则影响越大，反之差异越大则影响越小。备注：被黑色包围的区域认定为 "独立区域"备注：区域增长最终结果必定是一个独立的整体"""if image[y, x] == 0:  # 如果当前像素值为0（不连接黑色块），则跳过continue###########################################################################if abs(image[seed[0], seed[1]] - image[y, x]) <= tolerance:region[y, x] = 1stack.extend([(y - 1, x), (y + 1, x), (y, x - 1), (y, x + 1),(y - 1, x - 1), (y - 1, x + 1), (y + 1, x - 1), (y + 1, x + 1)])return regionif __name__ == "__main__":# （1）灰度图像数据image = np.array([[2, 3, 2, 2, 4],[2, 0, 0, 0, 4],[0, 0, 4, 0, 2],[2, 0, 0, 0, 0],[0, 2, 2, 2, 2]])# （2）选择种子点并执行区域增长seed_point = (0, 0)  # 选择3D种子点tolerance_value = 2  # 设置容忍度，即相邻像素的范围max_region_size = 25  # 设置最大区域大小connect_condition = 4  # 设置连接条件result_region = region_growing_4connect(image, seed_point, tolerance=tolerance_value, max_region_size=max_region_size)# （3）可视化显示3D原始图像和区域增长的结果（按像素值进行可视化）plt.figure(figsize=(10, 5))plt.subplot(1, 2, 1)plt.imshow(image, cmap='gray', origin='upper')plt.title('Original Image')plt.subplot(1, 2, 2)plt.imshow(result_region, cmap='gray', origin='upper')plt.title(f'Region Grown from Seed (Tolerance={tolerance_value})')plt.tight_layout()plt.show()

2.2、2D图像（100x100）

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt"""
区域增长算法：2D图像中的4连接条件 + 8连接条件
"""def region_growing_4connect(image, seed, tolerance=1, max_region_size=None):"""在2D图像中，4连接条件"""region = np.zeros_like(image, dtype=bool)height, width = image.shapestack = [(seed[0], seed[1])]while stack:y, x = stack.pop()if not (0 <= x < width and 0 <= y < height):continueif region[y, x]:continueif max_region_size is not None and np.sum(region) >= max_region_size:continue###########################################################################"""若添加该条件：其会将多个被独立区域完全分割，导致区域增长无法与周边独立区域进行连接。若取消该条件：则将两个独立区域连接的同时，中间的黑色区域也会同时连接。      备注：当像素值与背景值差异越小则影响越大，反之差异越大则影响越小。备注：被黑色包围的区域认定为 "独立区域"备注：区域增长最终结果必定是一个独立的整体"""if image[y, x] == 0:  # 如果当前像素值为0（不连接黑色块），则跳过continue###########################################################################if abs(image[seed[0], seed[1]] - image[y, x]) <= tolerance:region[y, x] = 1stack.extend([(y - 1, x), (y + 1, x), (y, x - 1), (y, x + 1)])return regiondef region_growing_8connect(image, seed, tolerance=1, max_region_size=None):"""在2D图像中，8连接条件"""region = np.zeros_like(image, dtype=bool)height, width = image.shapestack = [(seed[0], seed[1])]while stack:y, x = stack.pop()if not (0 <= x < width and 0 <= y < height):continueif region[y, x]:continueif max_region_size is not None and np.sum(region) >= max_region_size:continue###########################################################################"""若添加该条件：其会将多个被独立区域完全分割，导致区域增长无法与周边独立区域进行连接。若取消该条件：则将两个独立区域连接的同时，中间的黑色区域也会同时连接。      备注：当像素值与背景值差异越小则影响越大，反之差异越大则影响越小。备注：被黑色包围的区域认定为 "独立区域"备注：区域增长最终结果必定是一个独立的整体"""if image[y, x] == 0:  # 如果当前像素值为0（不连接黑色块），则跳过continue###########################################################################if abs(image[seed[0], seed[1]] - image[y, x]) <= tolerance:region[y, x] = 1stack.extend([(y - 1, x), (y + 1, x), (y, x - 1), (y, x + 1),(y - 1, x - 1), (y - 1, x + 1), (y + 1, x - 1), (y + 1, x + 1)])return regionif __name__ == "__main__":####################################################################### （1.1）原始数组大小original_array = np.array([[2, 3, 2, 2, 4],[2, 0, 0, 0, 4],[0, 0, 4, 0, 2],[2, 0, 0, 0, 0],[0, 2, 2, 2, 2]])# （1.2）目标数组大小target_size = (100, 100)  # 目标大小x_scale = target_size[1] / original_array.shape[1]  # 计算x轴方向的缩放因子y_scale = target_size[0] / original_array.shape[0]  # 计算y轴方向的缩放因子target_array = np.zeros(target_size, dtype=original_array.dtype)  # 创建目标数组# （1.3）使用双线性插值填充目标数组for y in range(target_size[0]):for x in range(target_size[1]):# 3.1、计算在原始数组中的坐标original_x = x / x_scaleoriginal_y = y / y_scale# 3.2、四个最近的原始数组中的点x1, y1 = int(original_x), int(original_y)x2, y2 = x1 + 1, y1 + 1# 3.3、边界检查x1 = min(max(x1, 0), original_array.shape[1] - 1)x2 = min(max(x2, 0), original_array.shape[1] - 1)y1 = min(max(y1, 0), original_array.shape[0] - 1)y2 = min(max(y2, 0), original_array.shape[0] - 1)# 3.4、双线性插值fx = original_x - x1fy = original_y - y1target_array[y, x] = (1 - fx) * (1 - fy) * original_array[y1, x1] + fx * (1 - fy) * original_array[y1, x2] + \(1 - fx) * fy * original_array[y2, x1] + fx * fy * original_array[y2, x2]image = target_array####################################################################### （2）选择种子点并执行区域增长seed_point = (0, 0)  # 选择3D种子点tolerance_value = 2  # 设置容忍度，即相邻像素的范围max_region_size = 10000  # 设置最大区域大小connect_condition = 4  # 设置连接条件result_region = region_growing_4connect(image, seed_point, tolerance=tolerance_value, max_region_size=max_region_size)# （3）可视化显示3D原始图像和区域增长的结果（按像素值进行可视化）plt.figure(figsize=(10, 5))plt.subplot(1, 2, 1)plt.imshow(image, cmap='gray', origin='upper')plt.title('Original Image')plt.subplot(1, 2, 2)plt.imshow(result_region, cmap='gray', origin='upper')plt.title(f'Region Grown from Seed (Tolerance={tolerance_value})')plt.tight_layout()plt.show()

2.3、3D图像（10x10x10）

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt"""
区域增长算法：3D图像中的6连接条件 + 26连接条件
"""def region_growing_6connect(image, seed, tolerance=1, max_region_size=None):"""在3D图像中，6连接条件"""region = np.zeros_like(image, dtype=bool)depth, height, width = image.shapestack = [(seed[0], seed[1], seed[2])]while stack:z, y, x = stack.pop()if not (0 <= x < width and 0 <= y < height and 0 <= z < depth):continueif region[z, y, x]:continueif max_region_size is not None and np.sum(region) >= max_region_size:continue###########################################################################"""若添加该条件：其会将多个被独立区域完全分割，导致区域增长无法与周边独立区域进行连接。若取消该条件：则将两个独立区域连接的同时，中间的黑色区域也会同时连接。      备注：当像素值与背景值差异越小则影响越大，反之差异越大则影响越小。备注：被黑色包围的区域认定为 "独立区域"备注：区域增长最终结果必定是一个独立的整体"""if image[z, y, x] == 0:  # 如果当前像素值为0（背景），则跳过continue###########################################################################if abs(image[seed[0], seed[1], seed[2]] - image[z, y, x]) <= tolerance:region[z, y, x] = 1stack.extend([(z - 1, y, x), (z + 1, y, x), (z, y - 1, x), (z, y + 1, x), (z, y, x - 1), (z, y, x + 1)])return regiondef region_growing_26connect(image, seed, tolerance=1, max_region_size=None):"""在3D图像中，26连接条件"""region = np.zeros_like(image, dtype=bool)depth, height, width = image.shapestack = [(seed[0], seed[1], seed[2])]while stack:z, y, x = stack.pop()if not (0 <= x < width and 0 <= y < height and 0 <= z < depth):continueif region[z, y, x]:continueif max_region_size is not None and np.sum(region) >= max_region_size:continue###########################################################################"""若添加该条件：其会将多个被独立区域完全分割，导致区域增长无法与周边独立区域进行连接。若取消该条件：则将两个独立区域连接的同时，中间的黑色区域也会同时连接。      备注：当像素值与背景值差异越小则影响越大，反之差异越大则影响越小。备注：被黑色包围的区域认定为 "独立区域"备注：区域增长最终结果必定是一个独立的整体"""if image[z, y, x] == 0:  # 如果当前像素值为0（背景），则跳过continue###########################################################################if abs(image[seed[0], seed[1], seed[2]] - image[z, y, x]) <= tolerance:region[z, y, x] = 1stack.extend([(z - 1, y, x), (z + 1, y, x), (z, y - 1, x), (z, y + 1, x), (z, y, x - 1), (z, y, x + 1),(z - 1, y - 1, x), (z - 1, y + 1, x), (z + 1, y - 1, x), (z + 1, y + 1, x),(z - 1, y, x - 1), (z - 1, y, x + 1), (z + 1, y, x - 1), (z + 1, y, x + 1),(z, y - 1, x - 1), (z, y - 1, x + 1), (z, y + 1, x - 1), (z, y + 1, x + 1),(z - 1, y - 1, x - 1), (z - 1, y - 1, x + 1), (z - 1, y + 1, x - 1), (z - 1, y + 1, x + 1),(z + 1, y - 1, x - 1), (z + 1, y - 1, x + 1), (z + 1, y + 1, x - 1), (z + 1, y + 1, x + 1)])return regionif __name__ == "__main__":# （1）创建一个典型的3D图像数据depth, height, width = 10, 10, 10image3D = np.zeros((depth, height, width), dtype=int)image3D[1:3, 1:3, 1:3] = 1image3D[2:4, 2:4, 2:4] = 2image3D[5:8, 5:8, 5:8] = 4image3D[7:9, 7:9, 7:9] = 6image3D[7:9, 1:3, 1:3] = 8# （2）选择种子点并执行区域增长seed_point = (6, 6, 6)  # 选择3D种子点tolerance_value = 100  # 设置容忍度，即相邻像素的范围max_region_size = 15  # 设置最大区域大小connect_condition = 26  # 设置连接条件result_region = region_growing_26connect(image3D, seed_point, tolerance=tolerance_value, max_region_size=max_region_size)# （3）可视化显示3D原始图像和区域增长的结果（按像素值进行可视化）fig = plt.figure(figsize=(12, 5))# （3.1）原始3D图像ax1 = fig.add_subplot(121, projection='3d')x, y, z = np.where(image3D > 0)ax1.scatter(x, y, z, c=image3D[x, y, z], cmap='viridis')  # 点状图ax1.set_title('Original 3D Image')ax1.set_xlim(0, 10)  # 设置X轴范围ax1.set_ylim(0, 10)  # 设置Y轴范围ax1.set_zlim(0, 10)  # 设置Z轴范围# （3.2）区域增长结果，使用第一张图的颜色映射from matplotlib.colors import Normalizeax2 = fig.add_subplot(122, projection='3d')x, y, z = np.where(result_region)cmap = plt.get_cmap('viridis')norm = Normalize(vmin=np.min(image3D), vmax=np.max(image3D))ax2.scatter(x, y, z, c=cmap(norm(image3D[x, y, z])), alpha=0.5)  # 点状图ax2.set_title(f'Region Grown from Seed'f'\n [seed_point={seed_point}, Tolerance={tolerance_value}, max_region={max_region_size}, connect={connect_condition}]')ax2.set_xlim(0, 10)  # 设置X轴范围ax2.set_ylim(0, 10)  # 设置Y轴范围ax2.set_zlim(0, 10)  # 设置Z轴范围plt.tight_layout()plt.show()