数字图像处理边缘检测.ppt

第六章 图像分割和分析,6.1 图像分割 6.2 特征表示与描述 6.3 识别与解释,6.1 图像分割(Image Segmentation),6.1.1 图像分割引言 6.1.2 间断分割（非连续性分割） 6.1.3 边缘连接法 6.1.4 阈值分割法（相似性分割） 6.1.5 基于区域的分割(相似性分割） 6.1.6 数学形态学图像处理,6.1.1 图像分割引言,1 图像分析的概念 从图像中提取信息的技术。 2 图像分析系统的基本构成,预处理,知识库,6.1.1 图像分割引言,3 图像分析系统的构成,6.1.1 图像分割引言,2 图像分割的概念 在对图像的研究和应用中，人们往往仅对图像中的某些部分感兴趣，这些部分一般称为目标或前景。 为了辨识和分析目标，需要将有关区域分离提取出来，在此基础上对目标进一步利用，如进行特征提取和测量。 图像分割就是指把图像分成各具特性的区域，并提取出感兴趣目标的技术和过程。,6.1.1 图像分割引言,3 图像分割的基本策略 特性可以是灰度、颜色、纹理等，目标可以对应单个区域，也可以对应多个区域 图像分割的基本策略，基于灰度值的两个基本特性： 1) 不连续性不连续性是基于特性（如灰度）的不连续变化分割图像，如边缘检测 2) 相似性根据制定的准则将图像分割为相似的区域，如阈值处理、区域生长,6.1.2 间断(Discontinuities)分割（非连续性分割）,6.1.2.1 点检测 6.1.2.2 线检测 6.1.2.3 边缘检测,6.1.2.1 点检测,R = (-1 * 8 * 8 + 128 * 8) / 9 = (120 * 8) / 9 = 960 / 9 = 106 设 ：阈值：T = 64 R T,6.1.2.1 点检测,点检测算法描述 设定阈值 T，如T = 32、64、128等,并计算高通滤波值R。 如果R值等于0，说明当前检测点的灰度值与周围点的相同。 当R的值足够大时，说明该点的值与周围的点非常不同，是孤立点。通过阈值T来判断 若|R| T，则检测到一个孤立点。,6.1.2.2 线检测,线检测(Line Detection) 通过比较典型模板的计算值，确定一个点是否在某个方向的线上。,6.1.2.2 线检测,用4种模板分别计算 R水平 = -6 + 30 = 24 R45度 = -14 + 14 = 0 R垂直 = -14 + 14 = 0 R135度 = -14 + 14 = 0,6.1.2.2 线检测,线的检测算法描述 依次计算4个方向的典型检测模板，得到Ri i=1,2,3,4 如 |Ri| |Rj| ，ji，那么这个点被称为在方向上更接近模板i 所代表的线。 设计任意方向的检测模板 可能大于33 模板系数和为0 感兴趣的方向的系数大。,6.1.2.3 边缘检测(Edge Detection),1 边缘的定义 图像中灰度发生突变或不连续的微小区域（一组相连的像素集合）,即是两个具有相对不同灰度值特性的区域的边界线。 在一幅图像中，边缘有方向和幅度两个特性。一般认为沿边缘走向的灰度变化较为平缓，而垂直于边缘走向的灰度变化剧烈。即灰度梯度指向边缘的垂直方向。,6.1.2.3 边缘检测,2 基本思想 计算局部微 分算子。,6.1.2.3 边缘检测,6.1.2.3 边缘检测,二阶微分：通过拉普拉斯来计算 特点：二阶微分在亮的一边是正的，在暗的一边是负的。常数部分为零。,6.1.2.3 边缘检测,6.1.2.3 边缘检测,3 梯度算子(Gradient operators) 函数f(x,y)在(x,y)处的梯度为一个向量： f = f / x , f / yT 计算这个向量的大小为： |f| = mag(f ) = (f / x)2 +(f / y)21/2 近似为: |f| |Gx| + | Gy | 梯度的方向角为： (x,y) = arctan(Gy / Gx),6.1.2.3 边缘检测,6.1.2.3 边缘检测,Gx = (z7 + z8 + z9) - (z1 + z2 + z3) Gy = (z3 + z6 + z9) - (z1 + z4 + z7) 梯度值： |f | | Gx | + | Gy |,6.1.2.3 边缘检测,6.1.2.3 边缘检测,Sobel（Prewitt）梯度算子的使用与分析 1) 直接计算Gx 、 Gy可以检测到边的存在， 以及从暗到亮，从亮到暗的变化。 2) 仅计算| Gx |，产生最强的响应是正交 于x轴的边； | Gy |则是正交于y轴的边。,6.1.2.3 边缘检测,4 拉普拉斯(the Laplacian) 1) 二维函数f(x,y)的拉普拉斯是一个二阶的微分，定义为： 2f = 2f / x2 + 2f / y2 可以用多种方式将其表示为数字形式。对于一个33的区域，经验上被推荐最多的形式是： 2f = 4z5 (z2 + z4 + z6 + z8),6.1.2.3 边缘检测,2) 拉普拉斯算子的分析： 缺点：对噪声的敏感；会产生双边效果； 不能检测出边的方向。 应用：拉普拉斯算子不直接用于边的检测， 通常只起辅助的角色。 检测一个像素是在边的亮的一边还是暗的一边。 利用二阶导数零交叉，确定边的位置。,6.1.2.3 边缘检测,5 马尔（Marr)算子 实际中，可将图像与如下2-D高斯函数的拉普拉斯作卷积，以消除噪声。,其中是高斯分布的均方差。如果令r2=x2+y2, 那么根据求拉普拉斯的定义式，有,这个公式一般叫高斯型的拉普拉斯算子(Laplacian of a Gaussian,LoG)。,6.1.2.3 边缘检测,这是一个轴对称函数，它的剖面图如下：,6.1.2.3 边缘检测,上述算子2h也称为马尔算子。由于图像的形状，有时被称为墨西哥草帽函数。 先做高斯平滑，然后再用2对图像做卷积来找边缘，等价于用2h对图像做卷积。 因为2h的平滑性质能减少噪声的影响，所以当边缘模糊或噪声较大时。利用2h检测过零点能提供较可靠的边缘位置。,6.1.2.3 边缘检测,例如：右图显示了一个对2h近似的55模板。这种近似不是唯一的。其目的是得到2h本质的形状；即，一个正的中心项，周围被一个相邻的负值区域围绕（这个负值区域从原点开始作为距离的函数在值上是增加的），并被一个零值的外部区域所包围。,系数的总和也必须为零，以便在灰度级不变的区域中模板的响应为零。,与梯度算子比较：,6.1.2.3 边缘检测,6.1.3 边缘连接(Edge Linking),6.1.3.1 局部连接处理（边界闭合） 6.1.3.2 Hough变换,6.1.3 边缘连接法,边缘连接法 边缘连接的意义边缘检测算法的后处理。 由于噪声、不均匀的照明等原因，边界的特征很少能够被完整地描述，在亮度不一致的地方会中断。 因此典型的边检测算法后面总要跟随着连接过程，用来归整边像素，成为有意义的边。,6.1.3.1 局部连接处理（边界闭合）,1 连接处理的时机和目的 时机：对做过边缘检测的图像进行。 目的：连接间断的边。,6.1.3.1 局部连接处理（边界闭合）,2 连接处理的原理 1)做过边缘检测后，对每个边缘点(x,y)的邻域内像素的特点进行分析。 2)分析在一个小的邻域（33或55）中进行。 3)用比较梯度算子的响应强度和梯度方向确定两个点是否同属一条边。,6.1.3.1 局部连接处理（边界闭合）,通过比较梯度，确定两个点的连接性： 对于点(x,y)，判断其是否与邻域内的点 (x,y)相似，当： |f (x,y)| |f (x,y)| T 其中T是一个非负的阈值。,6.1.3.1 局部连接处理（边界闭合）,比较梯度向量的方向角 对于点(x,y)，判断其是否与邻域内的点 (x,y)的方向角相似，当： | (x,y) (x,y)| A 其中A是一个角度阈值。,6.1.3.1 局部连接处理（边界闭合）,当梯度值和方向角都是相似的，则点(x,y)，与边点界(x,y)是连接的。,6.1.3.2 霍夫(Hough)变换,问题的提出 Hough变换的基本思想 算法实现 Hough变换的扩展,6.1.3.2 Hough变换,1 Hough变换(HT)问题的提出 在找出边缘点集之后，需要连接，形成完整的边缘图形描述。,2 Hough变换的基本思想,例如为了检测任意方向和位置的直线。该直线在原始图像空间（x,y)的直线方程为： y=kx+q （斜截式） 它与参数空间上的一个点(k,q)相对应。,过(x0,y0)的一组直线，在参数空间中可用一条直线表示。,所以，在图像中一条直线上，在参数空间中为一个点，在参数空间中找到这个点，就可以找到在x,y空间中对应的这条线的两个参数。,6.1.3.2 Hough变换,把每一个点（指过每一点的一组线）都变换到k,q坐标中，各对应一条直线，共10条线，10条线交于一点(k0,q0)，这点所对应的k,q值就是x,y空间中这10个点共线的线的参数，则它在x-y空间上对应于直线y= k0 x+q0 。,6.1.3.2 Hough变换,对于分布在两条直线上的点，就可以在参数空间中找到两个聚类点。,6.1.3.2 Hough变换,1962年由霍夫（Hough）向美国申请专利，用来检测图像中的直线和曲线。后经Rosenfeld把它引用到图像处理中，提出用一个二维累积数组作霍夫变换。 为了用程序实现，要准备一个表示k-q空间的二维数组，每通过一个轨迹，就在数组元素中加上1，在对应于边缘点所有的轨迹都画出之后，就可以提取具有较大值的数组元素，这就是边缘。 以上方法的毛病是：用了直线斜率和截距，若斜率无穷大，则在k,q空间中k非常大。,4 Hough变换算法实现 76年由Duda和Hart作了改进，把用斜率和截距的表示变成用法线和法线与X轴的夹角表示。即：,如果设这条直线通过图像上的点(x0,y0)，则： = x0cos+ y0sin,6.1.3.2 Hough变换,-空间上的一点对应于x-y空间上的一条直线。 相反，用上式表示的-空间的轨迹，就表示了在x-y空间通过(x0,y0)点的所有直线群。 对图像中所有的边缘点施以同样的操作，便求出在-空间各条轨迹集中的位置 ( 0,0 )，它在x-y空间上对应于直线0= xcos0+ ysin0，这样直线将被检测出来。 可以取02或- 。,6.1.3.2 Hough变换,6.1.3.2 Hough变换,6.1.3