Image Segmentation

Image Segmentation im Überblick

Image Segmentation ist die präziseste Form der Objekterkennung in Computer Vision. Während Object Detection Objekte mit groben Rechtecken (Bounding Boxes) umrahmt, ordnet Segmentation jeden einzelnen Pixel des Bildes einer Klasse zu. Das Ergebnis ist eine pixelgenaue Maske, die exakt die Form des Objekts abbildet – nicht nur einen Rahmen darum.

Diese Präzision ist entscheidend für Anwendungen, wo Bounding Boxes nicht ausreichen: Ein autonomes Fahrzeug muss wissen, wo genau die Straße endet und der Bürgersteig beginnt – nicht nur, dass irgendwo eine Straße ist. Ein medizinisches Bildanalysesystem muss den genauen Rand eines Tumors bestimmen, um die Größe zu messen. Eine Foto-App muss haargenau wissen, welche Pixel zum Vordergrund gehören, um den Hintergrund zu ersetzen.

Technisch betrachtet

Arten der Segmentierung

Wichtige Architekturen

U-Net (2015):          Encoder-Decoder mit Skip Connections
                       → Standard in medizinischer Bildgebung

DeepLab v3+ (2018):    Atrous Convolutions für Multi-Scale-Kontext
                       → Semantic Segmentation auf Straßenszenen

Mask R-CNN (2017):     Faster R-CNN + Segmentierungsmaske
                       → Instance Segmentation, Basis vieler Systeme

SAM (2023):            Vision Transformer + promptbasierte Segmentierung
                       → Zero-Shot, beliebige Objekte

SAM Quickstart

from segment_anything import SamPredictor, sam_model_registry
import numpy as np

# Modell laden
sam = sam_model_registry["vit_h"](checkpoint="sam_vit_h.pth")
predictor = SamPredictor(sam)

# Bild setzen
predictor.set_image(image)  # numpy array (H, W, 3)

# Punkt-Prompt: Klick auf Objekt
input_point = np.array([[500, 375]])  # x, y Koordinaten
input_label = np.array([1])           # 1 = Vordergrund

# Segmentierung
masks, scores, logits = predictor.predict(
    point_coords=input_point,
    point_labels=input_label,
    multimask_output=True,
)
# masks: (3, H, W) Boolean-Arrays

Metriken

IoU (Intersection over Union) / Jaccard Index:
  IoU = |Vorhersage ∩ Ground Truth| / |Vorhersage ∪ Ground Truth|
  → 1.0 = perfekte Übereinstimmung

Dice Coefficient (F1 für Segmentierung):
  Dice = 2 × |Vorhersage ∩ Ground Truth| / (|Vorhersage| + |Ground Truth|)
  → Sensitiver bei kleinen Objekten als IoU

mIoU (mean IoU):
  Durchschnitt des IoU über alle Klassen
  → Standard-Metrik für Semantic Segmentation