基于GraphCut的交互式图像分割工具包

资 源 简 介

本项目实现了经典的图割（GraphCut）算法，旨在提供高效的交互式与自动图像分割。该工具包的核心功能是将图像建模为一个复杂的图结构，其中像素对应为图的节点，像素间的相似性以及像素与终端节点的联系则建模为边的边权。通过调用高效的最大流/最小割（Max-Flow/Min-Cut）算法，系统能够在极短时间内找到能量函数最小化的全局最优解，从而实现精确的目标提取。本程序支持二值分割和多标签分割，采用了Boykov-Kolmogorov经典算法框架，确保了数值计算的稳定性与收敛速度。在实现方法上，项目深度整合了区

详 情 说 明

基于GraphCut的交互式图像分割工具包

本项目提供了一套基于MATLAB实现的交互式图像分割系统。其核心采用经典的图割（GraphCut）算法，将图像分割问题转化为图论中的最小割（Min-Cut）问题。通过用户少量的交互引导，程序能够自动计算出图像中目标物体的全局最优边界，适用于需要高精度提取前景目标的多种应用场景。

功能特性

1. 交互式种子点标记：支持用户通过鼠标实时在图像上标注前景（左键红色种子）和背景（右键蓝色种子），作为算法的先验约束。
2. 区域能量建模：基于颜色空间分布计算像素的归属概率，通过计算像素与种子点之间的欧氏距离，建立精确的区域项（Data Term）。
3. 边缘平滑约束：利用像素间的梯度信息构建边界惩罚项（Smoothness Term），在保持边缘平滑的同时，确保分割线精准贴合图像的实际物理轮廓。
4. 高效全局优化：直接调用MATLAB内置的高性能最大流算法，在多项式时间内求解能量函数的全局最小值，避免陷入局部最优解。
5. 实时结果预览：自动生成二值化掩码、绿色边界覆盖图，并以直方图形式展示最小化后的能量数值。
6. 数据自动化导出：处理完成后的分割掩码（Mask）和Alpha通道数据将自动保存至MATLAB基础工作区，便于后续处理。

运行环境与系统要求

• 软件环境：MATLAB R2015b 及以上版本（需支持 digraph 和 maxflow 函数）。
• 硬件要求：建议内存 8GB 或以上，以处理高分辨率图像。
• 依赖工具箱：Image Processing Toolbox（图像处理工具箱）。

实现逻辑与算法流程

程序严格遵循马尔可夫随机场（MRF）框架下的能量最小化路径，具体步骤如下：

1. 参数初始化：设置平衡因子 Lambda（调节区域项与平滑项权重）、指数衰减系数 Sigma 以及邻域连接强度。
2. 图像预处理：载入图像后进行归一化处理，将色彩数值映射至 [0, 1] 区间以便进行数值计算。
3. 交互式采集：通过图形句柄实时捕获用户点击。左键坐标存入前景集合，右键坐标存入背景集合。用户点击回车键激活核心计算模块。
4. 构建 T-links（终端连接桩）：

* 计算区域能量（Data Term）：利用 pdist2 函数计算每个像素到前景/背景种子点集的最小颜色距离。 * 建立极性：将像素节点分别连接到源点（Source）和汇点（Sink）。 * 强化约束：对于用户手动选中的种子点，赋予极大的权重值（1e6），强制其在分割结果中保持正确分类。

1. 构建 N-links（邻域连接桩）：

* 采用 8 邻域（或 4 方向对称）模型，对图像中相邻像素建立连接。 * 计算权重：根据像素间的 RGB 差异进行指数衰减计算。温差越小（颜色越接近），权重越大，表示越难发生割断。

1. 图构建与最大流求解：

* 使用 digraph 构建有向图，整合所有的 T-links 和 N-links。 * 调用 maxflow 算法寻找从源点到汇点的最大流量，根据最大流最小割定理，该过程对应的割集即为能量函数的全局最优解。

1. 掩码提取与后处理：

* 根据最小割将节点划分为两个集合，属于源点集合的像素标记为前景。 * 使用 Canny 算子提取掩码边界，并将其叠加到原图进行可视化展示。

核心函数段详细分析

1. 区域项计算逻辑：

该模块通过计算像素在颜色空间中与样本点的相似度来分配代价。如果一个像素的颜色与用户标记的前景色非常接近，则它到源点的分割代价（Weight）会很低，而到汇点的代价会很高，从而促使算法将其划分给前景。

1. 平滑项计算逻辑：

平滑项体现在相邻像素之间的边权上。其公式基于像素梯度：$exp(-Delta I^2 / 2sigma^2)$。这意味着在图像平坦区域，边权非常大，算法倾向于不切断该处；而在图像梯度较大（即边缘处），边权迅速减小，引导最小割线从真正的边缘处穿过。

1. 硬约束处理：

为了保证交互的可靠性，程序对用户标注的种子点像素执行了“硬约束”处理。通过将种子点与对应终端节点的权重设为极大值（Large Value），确保在执行最小割时，这些路径绝对不会被切断，从而百分之百遵循用户的交互意图。

使用说明

1. 启动主程序后，在弹出的对话框中选择待处理的图片。
2. 在标注窗口中，使用鼠标左键在目标物体（前景）上点击或涂鸦，留下红色坐标点。
3. 使用鼠标右键在背景区域点击，留下蓝色坐标点。
4. 确认标注覆盖了主要特征后，按下键盘上的 Enter (回车) 键。
5. 等待控制台计算完成，系统将弹出结果对比图，并在工作区生成 final_mask 变量。