数字影像线特征提取.ppt

河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 1、什么是点特征？ 2、 试述Moravec算子、Forstner和SUSAN 算子的原理、计算过程和各自特点。 3、 分别给出Moravec、Forstner和SUSAN 算子的程序框图，并编程实验。 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 数字摄影测量数字摄影测量 Digital Digital photogrammetryphotogrammetry 问题的提出 什么是线特征？ 如何提取线特征？ 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取线特征提取 内 容 安 排 一、数字影像线特征的特点 二、一阶差分算子 三、二阶差分算子 六、特征分割法 四、Laplace 算子，LOG算子 五、Canny算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 一、数字影像线特征的特点 线特征是指影像的“边缘”与“线”，“ 边缘”可定义为影像局部区域特征不相同的那 些区域间的分界线，而“线”则可以认为是具 有很小宽度的、其中间区域具有相同的影像特 征的边缘对，也就是距离很小的一对边缘构成 一条线。 线特征提取算子线特征提取算子 1、线特征 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 线特征提取算子线特征提取算子 1、线特征 重要性： 线特征存在于目标与背景、目标与目标、区 域与区域之间因此它是图像分割所依赖的重 要特征，也是纹理特征的重要信息源和形状特 征的基础。 一、数字影像线特征的特点 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 线特征提取算子线特征提取算子 1、线特征 特性： 沿边缘走向的灰度变化平缓，而垂直于边缘 走向的灰度变化剧烈。 边缘（线）是具有幅值（强度）（ magnitude)和方向（direction)的矢量（vector variable)。 一、数字影像线 特征的特点 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 线特征提取算子线特征提取算子 1、线特征 三种类型：阶跃型、房顶型和线条型(脉冲型)。 一、数字影像线 特征的特点 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 2、线特征提取算子 定义： 线特征提取算子是指运用某种算法使图像中的 “线”更为突出的算子，通常也称边缘检测算子 。 一、数字影像线特征的特点 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 2、线特征提取算子 线特征提取算子的类型： 1）使用近似图像函数一阶导数的算子 2）基于图像函数二阶导数过零点的算子 3）将图像函数与边缘的参数模型相匹配的算子 根据使用的技术方法分为三类： 一、数字影像线特征的特点 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 二、一阶差分算子 对一个灰度函数g(x,y)，其梯度定义为一 个向量： 它的两个重要的特性是： （1）向量Gg(x,y)的方向是函数g(x,y)在（x,y ）处最大增加率的方向； （2）Gg(x,y)的模为 就等于最大增加率。 1、梯度算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 1、梯度算子 在数字影像中，导数的计算通常用差分 予以近似，则梯度算子即差分算子为: 为了简化运算，通常用差分绝对值之 和进一步近似为 ： 对于一给定的阈值T，当 时， 则认为像素（i,j）是边缘上的点。 + - + - i j 二、一阶差分算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 2、Roberts梯度算子 Roberts梯度定义为 : 容易证明其模为 ： 用差分近似表示导数，则有 : 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 + - + - i j 二、一阶差分算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 北 如果仅对某一方向的边缘感兴趣，可利 用以下所示的方向差分算子进行边缘检测： 3、方向差分算子 二、一阶差分算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 北 东 南 西 东北 东南 西南 西北 3、方向差分算子 二、一阶差分算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 4、Prewitt算子 二、一阶差分算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 5、Sobel算子 二、一阶差分算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 1、方向二阶差分算子（提取“线”） 此时二阶差分算子为 : 相应于纵向与两个对角方向的二阶差分算子为 ： 三、二阶差分算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 1、方向二阶差分算子（提取“线”） 需要在纵横方向同时检测时的算子为 : 三、二阶差分算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 再加上两个对角方向同时检测的二维算子为 : 三、二阶差分算子 1、方向二阶差分算子（提取“线”） 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 1、拉普拉斯算子 拉普拉斯（Laplace)算子定义为 : 若g(x,y)的傅立叶变换为G(u,v)，则 的傅立叶变换为 ： 四、Laplacian 算子，LOG算子 故拉普拉斯算子实际上是一高通滤波器。？ 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 1、拉普拉斯算子 四、Laplacian 算子，LOG算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 四、Laplacian 算子，LOG算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 同理可得： 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 算子是一高通滤滤波器 得证 四、Laplacian 算子，LOG算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 1、拉普拉斯算子 对于数字影像，拉普拉斯算子定义为 : 通常将上式乘以-1，则拉普拉斯算子即成为原 灰度函数与矩阵（称为卷积核或掩膜）的卷积。 然后取其符号变化的点，既通过零的点的边缘。 四、Laplacian 算子，LOG算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 1、拉普拉斯算子 Laplace算子是各向同性的导数算子，具有 旋转不变性。 四、Laplacian 算子，LOG算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 2、高斯-拉普拉斯算子（LOG算子） 在提取边缘时，利用高斯函数先进行低通 滤波，然后再利用拉普拉斯算子进行高通滤波 并提取零交叉点，这就是高斯-拉普拉斯算子 或称为LOG算子。 高斯滤波函数为 ： 则低通滤波结果为 ： 再经拉普拉斯算子处理得 四、Laplacian 算子，LOG算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 2、高斯-拉普拉斯算子（LOG算子） 不难证明 即LOG算子以 为卷积核，对 原灰度函数进行卷积运算后提取零交叉点 为边缘点。 四、Laplacian 算子，LOG算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 1、Canny算子是最优的阶梯型边缘检测算子， 它给出了判断边缘提取方法性能的标准： 1） 检测标准 不丢失重要的边缘，不应有虚假的边缘。 2）定位标准 实际边缘与检测到的边缘位置之间的偏差最小。 3）单边缘响应标准 将多个边缘响应降低为单个边缘响应。 五、 Canny算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 2、基本原理 先利用高斯函数对图像进行低通滤波； 然后对图像中的每个像素进行处理，寻找边 缘的位置及在该位置的边缘法向，并采用一 种称之为“非极值抑制”的技术在边缘法向 寻找局部最大值；最后对边缘图像做滞后阈 值化处理，消除虚假响应。 五、 Canny算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 F沿方向n的一阶导数为： 边缘的法向n可以按下式估计： 边缘位于Fn与图像g卷积在方向n的局部最大位置处： 2、基本原理 五、 Canny算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 1）将图像g(x,y)与高斯函数F做卷积。 2）对每个像素进行处理，估计边缘的位置和法向。 3）在法向上寻找二阶导数的零交叉点，确定边缘 的位置。 4）对边缘图像做滞后阈值化处理，消除虚假响应。 3、提取过程 五、 Canny算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 将Canny三个准则结合起来可以获得最优的检测 算子，因此Canny算子具有很好的边缘检测性能 。算 法中具体通过2个阈值来分别检测强边缘和弱边缘； 当且仅当弱边缘与强边缘连接时，弱边缘才被输出。 所以，Canny算法不容易受噪声的干扰，能够在噪声 和边缘检测间取得较好的平衡，于是能检测出真正的 弱边缘。 五、 Canny算子 4、Canny算子的优点 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系 数字摄影测量学 Digital Photogrammetry 3-3 3-3 线特征提取算子线特征提取算子 四、特征分割法 影像段:由灰度度梯度最大点和两个“突出 点”（梯度很小）组成。 z s1 s2 河南理工大学测绘学院遥感科学与技术系