Lesson3-4:OpenCV图像处理---边缘检测

学习目标

• 了解Sobel算子，Scharr算子和拉普拉斯算子
• 掌握canny边缘检测的原理及应用

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1 原理

边缘检测是图像处理和计算机视觉中的基本问题，边缘检测的目的是标识数字图像中亮度变化明显的点。图像属性中的显著变化通常反映了属性的重要事件和变化。边缘的表现形式如下图所示：

图像边缘检测大幅度地减少了数据量，并且剔除了可以认为不相关的信息，保留了图像重要的结构属性。有许多方法用于边缘检测，它们的绝大部分可以划分为两类：基于搜索和基于零穿越。

• 基于搜索：通过寻找图像一阶导数中的最大值来检测边界，然后利用计算结果估计边缘的局部方向，通常采用梯度的方向，并利用此方向找到局部梯度模的最大值，代表算法是Sobel算子和Scharr算子。
  
• 基于零穿越：通过寻找图像二阶导数零穿越来寻找边界，代表算法是Laplacian算子。

2 Sobel检测算子

Sobel边缘检测算法比较简单，实际应用中效率比canny边缘检测效率要高，但是边缘不如Canny检测的准确，但是很多实际应用的场合，sobel边缘却是首选，Sobel算子是高斯平滑与微分操作的结合体，所以其抗噪声能力很强，用途较多。尤其是效率要求较高，而对细纹理不太关心的时候。

2.1 方法

对于不连续的函数，一阶导数可以写作：
$$f^{\prime }(x)=f(x)-f(x-1)$$

或
$$f^{\prime }(x)=f(x+1)-f(x)$$

所以有

$$f^{\prime }（x）=\frac{f(x+1)-f(x-1)}{2}$$

假设要处理的图像为I，在两个方向求导:

• 水平变化: 将图像I 与奇数大小的模版进行卷积，结果为$G{}_x$​​ 。比如，当模板大小为3时, $G{}_x$为：
  G ​ x = [ − 1 0 + 1 − 2 0 + 2 − 1 0 + 1 ] ∗ I G​_{x}= \begin{bmatrix} -1 & 0 & +1\\ -2 & 0 & +2\\ -1 & 0 & +1 \end{bmatrix}*I G​x​= ​−1−2−1​000​+1+2+1​ ​∗I
• 垂直变化: 将图像I 与奇数大小的模版进行卷积，结果为$G{}_y$​​ 。比如，当模板大小为3时,
  $G{}_y$为：
  G ​ y = [ − 1 − 2 + 1 0 0 0 + 1 + 2 + 1 ] ∗ I G​_{y}= \begin{bmatrix} -1 & -2 & +1\\ 0 & 0 & 0\\ +1 &+2 & +1 \end{bmatrix}*I G​y​= ​−10+1​−20+2​+10+1​ ​∗I
  在图像的每一点，结合以上两个结果求出：

$$G=\sqrt{G_x^2+G_y^2}$$

统计极大值所在的位置，就是图像的边缘。

注意：当内核大小为3时, 以上Sobel内核可能产生比较明显的误差， 为解决这一问题，我们使用Scharr函数，但该函数仅作用于大小为3的内核。该函数的运算与Sobel函数一样快，但结果却更加精确，其计算方法为:
G ​ x = [ − 3 0 + 3 − 10 0 + 10 − 3 0 + 3 ] ∗ I G​_{x}= \begin{bmatrix} -3 & 0 & +3\\ -10 & 0 & +10\\ -3 & 0 & +3\\ \end{bmatrix}*I G​x​= ​−3−10−3​000​+3+10+3​ ​∗I
G ​ y = [ − 3 − 10 + 3 0 0 0 + 3 + 10 + 3 ] ∗ I G​_{y}= \begin{bmatrix} -3 & -10 & +3\\ 0 & 0 & 0\\ +3 & +10& +3\\ \end{bmatrix}*I G​y​= ​−30+3​−100+10​+30+3​ ​∗I

2.2 应用

利用OpenCV进行sobel边缘检测的API是：

Sobel_x_or_y = cv2.Sobel(src, ddepth, dx, dy, dst, ksize, scale, delta, borderType)

参数：

• src：传入的图像

• ddepth: 图像的深度

• dx和dy: 指求导的阶数，0表示这个方向上没有求导，取值为0、1。

• ksize: 是Sobel算子的大小，即卷积核的大小，必须为奇数1、3、5、7，默认为3。
  注意：如果ksize=-1，就演变成为3x3的Scharr算子。

• scale：缩放导数的比例常数，默认情况为没有伸缩系数。

• borderType：图像边界的模式，默认值为cv2.BORDER_DEFAULT。

Sobel函数求完导数后会有负值，还有会大于255的值。而原图像是uint8，即8位无符号数，所以Sobel建立的图像位数不够，会有截断。因此要使用16位有符号的数据类型，即cv2.CV_16S。处理完图像后，再使用cv2.convertScaleAbs()函数将其转回原来的uint8格式，否则图像无法显示。

Sobel算子是在两个方向计算的，最后还需要用cv2.addWeighted( )函数将其组合起来

Scale_abs = cv2.convertScaleAbs(x)  # 格式转换函数
result = cv2.addWeighted(src1, alpha, src2, beta) # 图像混合

示例：

import cv2 as cv
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
# 1 读取图像
img = cv.imread('./image/horse.jpg',0)
# 2 计算Sobel卷积结果
x = cv.Sobel(img, cv.CV_16S, 1, 0)
y = cv.Sobel(img, cv.CV_16S, 0, 1)
# 3 将数据进行转换
Scale_absX = cv.convertScaleAbs(x)  # convert 转换  scale 缩放
Scale_absY = cv.convertScaleAbs(y)
# 4 结果合成
result = cv.addWeighted(Scale_absX, 0.5, Scale_absY, 0.5, 0)
# 5 图像显示
plt.figure(figsize=(10,8),dpi=100)
plt.subplot(121),plt.imshow(img,cmap=plt.cm.gray),plt.title('原图')
plt.xticks([]), plt.yticks([])
plt.subplot(122),plt.imshow(result,cmap = plt.cm.gray),plt.title('Sobel滤波后结果')
plt.xticks([]), plt.yticks([])
plt.show()

将上述代码中计算sobel算子的部分中将ksize设为-1，就是利用Scharr进行边缘检测。

x = cv.Sobel(img, cv.CV_16S, 1, 0, ksize = -1)
y = cv.Sobel(img, cv.CV_16S, 0, 1, ksize = -1)

3 Laplacian算子

Laplacian是利用二阶导数来检测边缘 。 因为图像是 “2维”, 我们需要在两个方向求导，如下式所示：
$$\Delta src=\frac{{\partial }^{2}src}{\partial x^2}+\frac{{\partial }^{2}src}{\partial y^2}$$
那不连续函数的二阶导数是：

$$f^{\prime \prime }(x)=f^{\prime }(x+1)-f^{\prime }(x)=f(x+1)+f(x-1)-2f(x)$$

那使用的卷积核是：

k e r n e l = [ 0 1 0 1 − 4 1 0 1 0 ] kernel= \begin{bmatrix} 0& 1 & 0\\ 1 & -4 & 1\\ 0 & 1& 0\\ \end{bmatrix} kernel= ​010​1−41​010​ ​
API：

laplacian = cv2.Laplacian(src, ddepth[, dst[, ksize[, scale[, delta[, borderType]]]]])

参数：

• Src: 需要处理的图像，
• Ddepth: 图像的深度，-1表示采用的是原图像相同的深度，目标图像的深度必须大于等于原图像的深度；
• ksize：算子的大小，即卷积核的大小，必须为1,3,5,7。

示例：

import cv2 as cv
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
# 1 读取图像
img = cv.imread('./image/horse.jpg',0)
# 2 laplacian转换
result = cv.Laplacian(img,cv.CV_16S)
Scale_abs = cv.convertScaleAbs(result)
# 3 图像展示
plt.figure(figsize=(10,8),dpi=100)
plt.subplot(121),plt.imshow(img,cmap=plt.cm.gray),plt.title('原图')
plt.xticks([]), plt.yticks([])
plt.subplot(122),plt.imshow(Scale_abs,cmap = plt.cm.gray),plt.title('Laplacian检测后结果')
plt.xticks([]), plt.yticks([])
plt.show()

4 Canny边缘检测

Canny 边缘检测算法是一种非常流行的边缘检测算法，是 John F. Canny 于 1986年提出的，被认为是最优的边缘检测算法。

4.1 原理

Canny边缘检测算法是由4步构成，分别介绍如下：

• 第一步：噪声去除
  由于边缘检测很容易受到噪声的影响，所以首先使用$5\ast 5$高斯滤波器去除噪声，在图像平滑那一章节中已经介绍过。
• 第二步：计算图像梯度

对平滑后的图像使用 Sobel 算子计算水平方向和竖直方向的一阶导数（$Gx$ 和 $Gy$）。根据得到的这两幅梯度图（$Gx$ 和 $Gy$）找到边界的梯度和方向，公式如下:
$$Edge\underline{}Gradient(G)=\sqrt{G_x^2+G_y^2}$$

$$Angle(\theta )=ta{n}^{-1}\frac{G_y}{G_x}$$
如果某个像素点是边缘，则其梯度方向总是垂直与边缘垂直。梯度方向被归为四类：垂直，水平，和两个对角线方向。

• 第三步：非极大值抑制
  在获得梯度的方向和大小之后，对整幅图像进行扫描，去除那些非边界上的点。对每一个像素进行检查，看这个点的梯度是不是周围具有相同梯度方向的点中最大的。如下图所示：
  
  A点位于图像的边缘，在其梯度变化方向，选择像素点B和C，用来检验A点的梯度是否为极大值，若为极大值，则进行保留，否则A点被抑制，最终的结果是具有“细边”的二进制图像。

• 第四步：滞后阈值

现在要确定真正的边界。 我们设置两个阈值： $minVal$ 和 $maxVal$。 当图像的灰度梯度高于 $maxVal$时被认为是真的边界， 低于 $minVal$ 的边界会被抛弃。如果介于两者之间的话，就要看这个点是否与某个被确定为真正的边界点相连，如果是就认为它也是边界点，如果不是就抛弃。如下图：

如上图所示，A 高于阈值 $maxVal$ 所以是真正的边界点，C 虽然低于 $maxVal$但高于 $minVal$ 并且与 A 相连，所以也被认为是真正的边界点。而 B 就会被抛弃，因为低于 $maxVal$而且不与真正的边界点相连。所以选择合适的 $maxVal$和 $minVal$ 对于能否得到好的结果非常重要。

4.2 应用

在OpenCV中要实现Canny检测使用的API:

canny = cv2.Canny(image, threshold1, threshold2)

参数：

• image:灰度图，
• threshold1: minval，较小的阈值将间断的边缘连接起来
• threshold2: maxval，较大的阈值检测图像中明显的边缘

示例：

import cv2 as cv
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
# 1 图像读取
img = cv.imread('./image/horse.jpg',0)
# 2 Canny边缘检测
lowThreshold = 0
max_lowThreshold = 100
canny = cv.Canny(img, lowThreshold, max_lowThreshold) 
# 3 图像展示
plt.figure(figsize=(10,8),dpi=100)
plt.subplot(121),plt.imshow(img,cmap=plt.cm.gray),plt.title('原图')
plt.xticks([]), plt.yticks([])
plt.subplot(122),plt.imshow(canny,cmap = plt.cm.gray),plt.title('Canny检测后结果')
plt.xticks([]), plt.yticks([])
plt.show()

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总结

1. 边缘检测的原理

   • 基于搜索：利用一阶导数的最大值获取边界
   • 基于零穿越：利用二阶导数为0获取边界

2. Sobel算子

   • 基于搜索的方法获取边界
   • cv.sobel()
   • cv.convertScaleAbs()
   • cv.addweights()

3. Laplacian算子

   • 基于零穿越获取边界
   • cv.Laplacian()

4. Canny算法
   流程：

   • 噪声去除：高斯滤波
   • 计算图像梯度：sobel算子，计算梯度大小和方向
   • 非极大值抑制：利用梯度方向像素来判断当前像素是否为边界点
   • 滞后阈值：设置两个阈值，确定最终的边界

5. 算子比较

算子	优缺点比较
Roberts	对具有陡峭的低噪声的图像处理效果较好，但利用Roberts算子提取边缘的结果是边缘比较粗，因此边缘定位不是很准确
Sobel	对灰度渐变和噪声较多的图像处理效果比较好，Sobel算子对边缘定位比较准确
Kirsch	对灰度渐变和噪声较多的图像处理效果较好
Prewitt	对灰度渐变和噪声较多的图像处理效果较好
Laplacian	对图像中的阶跃性边缘点定位准确，对噪声非常敏感，丢失一部分边缘的方向信息，造成一些不连续的检测边缘
LoG	LoG算子经常出现双边缘像素边界，而且该检测算法对噪声比较敏感，所以很少用LoG算子检测边缘，而是用来判断边缘像素是位于图像的明区还是暗区
Canny	此方法不容易受噪声的干扰，能够检测到真正的弱边缘。在edge函数中，最有效的边缘检测方法是Canny方法。该方法的优点在于使用两种不同的阈值分别检测强边缘和弱边缘，并且仅当弱边缘和强边缘相连时，才将弱边缘包含在输出图像中。因此，这种方法不容易被噪声”填充“，更容易检测出真正的弱边缘。