【youcans 的 OpenCV 例程200篇】150. 边缘检测梯度算子
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【youcans 的 OpenCV 例程200篇】150. 邊緣檢測梯度算子
2. 點(diǎn)、線和邊緣檢測
本節(jié)基于圖像灰度的不連續(xù)性,討論根據(jù)灰度的突變檢測邊界,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行圖像分割。
- 邊緣像素是圖像中灰度突變的像素,而邊緣是相連邊緣像素的集合。
- 線是一條細(xì)邊緣線段,其兩側(cè)的背景灰度與線段的像素灰度存在顯著差異。
- 孤立的點(diǎn)是一個被背景像素圍繞的前景像素,或一個被前景像素圍繞的背景像素。
導(dǎo)數(shù)可以用來檢測灰度的局部突變:
- 一階導(dǎo)數(shù)通常產(chǎn)生粗邊緣;
- 二階導(dǎo)數(shù)對精細(xì)細(xì)節(jié)(如細(xì)線、孤立點(diǎn)和噪聲)的響應(yīng)更強(qiáng);
- 二階導(dǎo)數(shù)在灰度斜坡和臺階過渡處會產(chǎn)生雙邊緣響應(yīng),即二階導(dǎo)數(shù)在進(jìn)入和離開邊緣時的符號相反;
- 二階導(dǎo)數(shù)的符號可用于確定邊緣的過渡是從亮到暗還是從暗到亮。
計算圖像中每個像素位置的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的方法是空間卷積。對一個 3*3 模板,計算模板區(qū)域內(nèi)灰度值與模板系數(shù)的卷積。
2.4 邊緣檢測的常用梯度算子
邊緣檢測的基本方法通常是基于一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的,因此需要進(jìn)行圖像的梯度計算。圖像的梯度可以用一階導(dǎo)數(shù)和二階偏導(dǎo)數(shù)來求解。
以矩陣形式表達(dá)的數(shù)字圖像 f,任意位置 (x,y) 的梯度 ?f\nabla f?f 定義為向量:
?f=grad(f)=[gxgy]=[?f/?x?f/?x]\nabla f = grad(f) =\begin{bmatrix} g_x \\ g_y \end{bmatrix} =\begin{bmatrix} \partial f /\partial x \\ \partial f /\partial x \end{bmatrix} ?f=grad(f)=[gx?gy??]=[?f/?x?f/?x?]
梯度算子的前向差分公式為:
gx(x,y)=?f(x,y)?x=f(x+1,y)?f(x,y)gy(x,y)=?f(x,y)?y=f(x,y+1)?f(x,y)g_x(x,y) = \dfrac{\partial f(x,y)}{\partial x} = f(x+1,y) - f(x,y) \\ g_y(x,y) = \dfrac{\partial f(x,y)}{\partial y} = f(x,y+1) - f(x,y) \\ gx?(x,y)=?x?f(x,y)?=f(x+1,y)?f(x,y)gy?(x,y)=?y?f(x,y)?=f(x,y+1)?f(x,y)
梯度向量的幅度 M 和角度 α\alphaα 為:
M(x,y)=∣∣?f∣∣=gx2+gy2α(x,y)=arctan[gy/gx]M(x,y) = ||\nabla f|| = \sqrt {g_x^2 + g_y^2} \\ \alpha (x,y) = arctan[g_y / g_x] M(x,y)=∣∣?f∣∣=gx2?+gy2??α(x,y)=arctan[gy?/gx?]
在實(shí)際編程中,為了減少計算量,常用絕對值來近似梯度幅度:
M(x,y)≈∣gx∣+∣gy∣M(x,y) \approx |g_x| + |g_y| M(x,y)≈∣gx?∣+∣gy?∣
根據(jù)梯度算子的定義和基本公式,可以發(fā)展多種不同的計算算法,稱為梯度算子。對于圖像的梯度計算,通常采用模板(卷積核)對原圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。
Robert 梯度算子:
簡單的交叉差分算法,利用局部差分算子尋找邊緣,采用對角線相鄰兩像素差作為梯度值檢測邊緣。形式簡單,計算速度快,但對噪聲敏感,無法抑制噪聲。
Prewitt 算子:
利用兩個方向模板與圖像進(jìn)行鄰域卷積,一個方向模板檢測水平邊緣,另一個檢測垂直邊緣。能夠抑制噪聲,但對邊緣的定位較 Roberts 算子差。
Sobel 算子:
是高斯平滑和微分求導(dǎo)的聯(lián)合運(yùn)算,抗噪聲能力強(qiáng)。考慮了距離對權(quán)值的影響,距離越遠(yuǎn)的像素的影響越小。可以通過快速卷積實(shí)現(xiàn),簡單有效,應(yīng)用廣泛。
Isotropic Sobel 算子:
權(quán)值反比于中心距,具有各向同性,沿不同方向檢測邊緣時梯度幅度一致。
Scharr 算子:
是 Sobel 算子在 ksize=3 時的優(yōu)化,在平滑部分中心元素占的權(quán)重更大,相當(dāng)于使用更瘦高的平滑模板。與 Sobel 的速度相同,精度更高。
Lapacian 算子:
二階微分算子,具有各向同向性,與坐標(biāo)軸無關(guān)(無法檢測方向)。對噪聲非常敏感,可以先進(jìn)行閾值處理或平滑處理。
這些基本的一階、二階微分算子如 Robert、Sobel、Prewitt、Laplacian 等,本質(zhì)上都可以用于檢測邊緣,也被稱為邊緣檢測算子。進(jìn)一步地,考慮邊緣和噪聲的性質(zhì),可以改進(jìn)邊緣檢測算子,如 Marr-Hildreth 算子、Canny 算子。
例程 11.4:邊緣檢測梯度算子
# 11.4 邊緣檢測的梯度算子 (Roberts 算子, Prewitt 算子, Sobel 算子, Laplacian 算子)img = cv2.imread("../images/Fig1016a.tif", flags=0) # 讀取為灰度圖像# 自定義卷積核# Roberts 邊緣算子kernel_Roberts_x = np.array([[1, 0], [0, -1]])kernel_Roberts_y = np.array([[0, -1], [1, 0]])# Prewitt 邊緣算子kernel_Prewitt_x = np.array([[-1, 0, 1], [-1, 0, 1], [-1, 0, 1]])kernel_Prewitt_y = np.array([[1, 1, 1], [0, 0, 0], [-1, -1, -1]])# Sobel 邊緣算子kernel_Sobel_x = np.array([[-1, 0, 1], [-2, 0, 2], [-1, 0, 1]])kernel_Sobel_y = np.array([[1, 2, 1], [0, 0, 0], [-1, -2, -1]])# Laplacian 邊緣算子kernel_Laplacian_K1 = np.array([[0, 1, 0], [1, -4, 1], [0, 1, 0]])kernel_Laplacian_K2 = np.array([[1, 1, 1], [1, -8, 1], [1, 1, 1]])# 卷積運(yùn)算imgBlur = cv2.blur(img, (3,3)) # Blur 平滑后再做 Laplacian 變換imgLaplacian_K1 = cv2.filter2D(imgBlur, -1, kernel_Laplacian_K1)imgLaplacian_K2 = cv2.filter2D(imgBlur, -1, kernel_Laplacian_K2)imgRoberts_x = cv2.filter2D(img, -1, kernel_Roberts_x)imgRoberts_y = cv2.filter2D(img, -1, kernel_Roberts_y)imgRoberts = np.uint8(cv2.normalize(abs(imgRoberts_x) + abs(imgRoberts_y), None, 0, 255, cv2.NORM_MINMAX))imgPrewitt_x = cv2.filter2D(img, -1, kernel_Prewitt_x)imgPrewitt_y = cv2.filter2D(img, -1, kernel_Prewitt_y)imgPrewitt = np.uint8(cv2.normalize(abs(imgPrewitt_x) + abs(imgPrewitt_y), None, 0, 255, cv2.NORM_MINMAX))imgSobel_x = cv2.filter2D(img, -1, kernel_Sobel_x)imgSobel_y = cv2.filter2D(img, -1, kernel_Sobel_y)imgSobel = np.uint8(cv2.normalize(abs(imgSobel_x) + abs(imgSobel_y), None, 0, 255, cv2.NORM_MINMAX))plt.figure(figsize=(12, 8))plt.subplot(341), plt.title('Origin'), plt.imshow(img, cmap='gray'), plt.axis('off')plt.subplot(345), plt.title('Laplacian_K1'), plt.imshow(imgLaplacian_K1, cmap='gray'), plt.axis('off')plt.subplot(349), plt.title('Laplacian_K2'), plt.imshow(imgLaplacian_K2, cmap='gray'), plt.axis('off')plt.subplot(342), plt.title('Roberts'), plt.imshow(imgRoberts, cmap='gray'), plt.axis('off')plt.subplot(346), plt.title('Roberts_X'), plt.imshow(imgRoberts_x, cmap='gray'), plt.axis('off')plt.subplot(3,4,10), plt.title('Roberts_Y'), plt.imshow(imgRoberts_y, cmap='gray'), plt.axis('off')plt.subplot(343), plt.title('Prewitt'), plt.imshow(imgPrewitt, cmap='gray'), plt.axis('off')plt.subplot(347), plt.title('Prewitt_X'), plt.imshow(imgPrewitt_x, cmap='gray'), plt.axis('off')plt.subplot(3,4,11), plt.title('Prewitt_Y'), plt.imshow(imgPrewitt_y, cmap='gray'), plt.axis('off')plt.subplot(344), plt.title('Sobel'), plt.imshow(imgSobel, cmap='gray'), plt.axis('off')plt.subplot(348), plt.title('Sobel_X'), plt.imshow(imgSobel_x, cmap='gray'), plt.axis('off')plt.subplot(3,4,12), plt.title('Sobel_Y'), plt.imshow(imgSobel_y, cmap='gray'), plt.axis('off')plt.tight_layout()plt.show()(本節(jié)完)
版權(quán)聲明:
youcans@xupt 原創(chuàng)作品,轉(zhuǎn)載必須標(biāo)注原文鏈接:(https://blog.csdn.net/youcans/article/details/124073181)
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【youcans 的 OpenCV 例程200篇】148. 圖像分割之線檢測
【youcans 的 OpenCV 例程200篇】149. 圖像分割之邊緣模型
【youcans 的 OpenCV 例程200篇】150. 邊緣檢測梯度算子
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的【youcans 的 OpenCV 例程200篇】150. 边缘检测梯度算子的全部內(nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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