【图像处理】——掩码

一、掩码的定义与本质

掩码是一种与原始数据（通常是图像或矩阵）具有相同形状的数组或矩阵，其元素用于控制对原始数据的操作。它本质上是一种筛选或过滤机制，通过对原始数据的每个元素与掩码中相应元素的组合操作，来决定该元素是否被保留、修改或丢弃。

二、掩码的类型及特点

二值掩码（Binary Mask）

• 特点：
  • 仅包含两种元素值，通常是 0 和 1 或 0 和 255。
  • 元素值 0 表示对应位置的原始数据将被屏蔽或排除，而元素值 1 或 255 表示对应位置的原始数据将被保留或选中。
• 应用场景：

  • 对象提取： 当需要从复杂的图像中提取出感兴趣的对象时，可通过各种图像分割算法（如基于阈值的分割、基于边缘的分割、基于区域的分割等）生成二值掩码。 上述代码使用 cv2.threshold 函数将图像根据 127 的阈值转换为二值图像，然后使用 cv2.bitwise_and 函数将原始图像与自身按位与，使用生成的二值掩码提取出对象。

    import cv2
    import numpy as np
    
    # 读取图像
    image = cv2.imread('example_image.jpg', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
    # 设定阈值，将图像二值化
    _, binary_mask = cv2.threshold(image, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
    # 提取对象
    extracted_object = cv2.bitwise_and(image, image, mask=binary_mask)

  • 区域屏蔽： 可用于屏蔽图像中不需要的部分，只保留感兴趣的区域。 这里使用 cv2.rectangle 在零矩阵上创建一个矩形区域的二值掩码，再通过 cv2.bitwise_and 屏蔽掉矩形区域外的部分。

    import cv2
    import numpy as np
    
    image = cv2.imread('example_image.jpg')
    height, width, _ = image.shape
    # 创建矩形区域的二值掩码
    binary_mask = np.zeros((height, width), dtype=np.uint8)
    cv2.rectangle(binary_mask, (100, 100), (300, 300), 255, -1)
    # 屏蔽除矩形区域外的部分
    masked_image = cv2.bitwise_and(image, image, mask=binary_mask)

灰度掩码（Grayscale Mask）

• 特点：
  • 元素值在 0 到 255 之间。
  • 元素值的大小表示对原始数据的操作程度，例如作为权重，可实现更平滑的过渡效果。
• 应用场景：

  • 图像融合： 当需要将两张图像无缝融合时，灰度掩码可作为权重图。 此代码中，使用 np.linspace 创建一个水平方向的线性渐变灰度掩码，将其扩展到三个通道，作为权重对两张图像进行融合。

    import cv2
    import numpy as np
    
    image1 = cv2.imread('image1.jpg')
    image2 = cv2.imread('image2.jpg')
    # 确保图像大小相同
    if image1.shape == image2.shape:
        height, width, _ = image1.shape
        # 创建一个简单的线性渐变的灰度掩码
        grayscale_mask = np.tile(np.linspace(0, 1, width).reshape(1, width), (height, 1))
        grayscale_mask = np.dstack((grayscale_mask, grayscale_mask, grayscale_mask)).astype(np.float32)
        # 图像融合
        blended_image = image1.astype(np.float32) * (1 - grayscale_mask) + image2.astype(np.float32) * grayscale_mask
        blended_image = blended_image.astype(np.uint8)

  • 图像调整： 可用于局部图像增强或减弱。 这里创建了一个中心亮四周暗的圆形灰度掩码，使用 cv2.GaussianBlur 使其平滑，然后用于增强图像中心区域。

    import cv2
    import numpy as np
    
    image = cv2.imread('example_image.jpg')
    # 创建一个中间亮四周暗的灰度掩码
    height, width, _ = image.shape
    center_x, center_y = width // 2, height // 2
    grayscale_mask = np.zeros((height, width), dtype=np.float32)
    cv2.circle(grayscale_mask, (center_x, center_y), min(center_x, center_y), 1, -1, cv2.LINE_AA)
    grayscale_mask = cv2.GaussianBlur(grayscale_mask, (15, 15), 0)
    # 增强图像中心区域
    enhanced_image = (image.astype(np.float32) * grayscale_mask).astype(np.uint8)

频率域掩码（Frequency Domain Mask）

• 特点：
  • 通常在对图像进行傅里叶变换后使用，通过修改频率域中的幅值信息，对图像进行频域滤波。
• 应用场景：

  • 图像滤波： 可实现高通、低通、带通、带阻等滤波效果。 上述代码首先将图像进行傅里叶变换并将零频分量移到中心，然后创建一个低通滤波器的圆形掩码，应用该掩码后再进行逆傅里叶变换得到滤波后的图像。

    import cv2
    import numpy as np
    import numpy.fft.fft2 as fft2
    import numpy.fft.ifft2 as ifft2
    import numpy.fft.fftshift as fftshift
    import numpy.fft.ifftshift as ifftshift
    
    image = cv2.imread('example_image.jpg', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
    # 傅里叶变换
    f = fft2(image)
    fshift = fftshift(f)
    rows, cols = image.shape
    crow, ccol = rows // 2, cols // 2
    # 低通滤波器掩码，截止频率为 30
    low_pass_mask = np.zeros((rows, cols), np.uint8)
    cv2.circle(low_pass_mask, (ccol, crow), 30, 1, -1)
    # 应用掩码
    fshift_filtered = fshift * low_pass_mask
    f_ishift = ifftshift(fshift_filtered)
    filtered_image = np.real(ifft2(f_ishift))
    filtered_image = np.uint8(filtered_image)

三、掩码的实现细节

创建掩码

可使用各种图像处理库（如 OpenCV、NumPy）的函数创建不同形状和特性的掩码。 例如，使用 cv2.circle、cv2.rectangle 等创建二值形状掩码，使用 np.linspace、np.tile 等创建灰度渐变掩码。

应用掩码

• 按位运算（针对二值掩码）： 使用 cv2.bitwise_and、cv2.bitwise_or、cv2.bitwise_xor 等函数将二值掩码应用于图像，进行图像的提取、屏蔽、反转等操作。
• 乘法运算（针对灰度掩码）： 对于灰度掩码，可将原始图像和掩码进行元素级乘法操作，注意数据类型的匹配和转换，确保结果在合理范围。
• 频域操作（针对频率域掩码）： 先将图像进行傅里叶变换，应用频率域掩码后再进行逆傅里叶变换。使用 numpy.fft.fft2、numpy.fft.ifft2 等函数进行变换，使用 numpy.fft.fftshift、numpy.fft.ifftshift 进行零频分量的移位操作。

四、掩码的优势与注意事项

• 优势：
  • 灵活性：可以根据不同的需求创建各种形状和特性的掩码，实现复杂的图像处理操作。
  • 可扩展性：能够与其他图像处理技术结合，实现更高级的功能，如结合形态学操作、特征提取等。
• 注意事项：
  • 数据类型：在操作过程中，要注意原始数据和掩码的数据类型，确保操作的有效性和结果的正确性。
  • 尺寸匹配：掩码的尺寸必须与原始数据的尺寸严格匹配，否则会导致错误。

掩码在图像处理和计算机视觉中是一种强大的工具，通过不同类型的掩码可以实现多种复杂的操作，从简单的区域提取和屏蔽到复杂的频域滤波和图像融合，为实现各种图像处理任务提供了灵活且高效的方法。在实际应用中，需要根据具体任务选择合适的掩码类型和实现方法，并注意操作中的数据类型和尺寸匹配等细节。

五、参考文献

参考论文地址：

1703.06870v3

项目地址：

facebookresearch/Detectron: FAIR's research platform for object detection research, implementing popular algorithms like Mask R-CNN and RetinaNet.