算法解剖系列-Canny边缘检测原理及实现

本文详细介绍Canny边缘检测算法的基本原理与实现步骤,包括高斯滤波平滑图像、计算梯度幅值与方向、非极大值抑制及双阈值检测等内容。

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基本原理

  • 须满足条件:抑制噪声;精确定位边缘。
  • 从数学上表达了三个准则[信噪比准则(低错误率)、定位精度准则、单边缘响应准则],并寻找表达式的最佳解。
  • 属于先平滑后求导的方法。

算法基本步骤

1、1、1使用高斯滤波平滑图像

令f(x,y)表示数据(输入源数据),G(x,y)表示二维高斯函数(卷积操作数),fs(x,y)令f(x,y)表示数据(输入源数据),G(x,y)表示二维高斯函数(卷积操作数),f_s(x,y)f(x,y)表示数据(输入源数据),G(x,y)表示二维高斯函数(卷积操作数),fs(x,y)为卷积平滑后的图像。
G(x,y)=12πσ2e−(x2+y2)2σ2G(x,y)=\frac{1}{2\pi\sigma^2}e^\frac{-(x^2+y^2)}{2\sigma^2} G(x,y)=2πσ21e2σ2(x2+y2)
fs(x,y)=f(x,y)∗G(x,y)f_s(x,y)=f(x,y)\ast G(x,y)fs(x,y)=f(x,y)G(x,y)

Gauss过程Gauss过程Gauss过程
  • 用坐标点(x,y)表示一个3×3的邻域,设中心点的坐标为(0,0)(x,y)表示一个3\times3的邻域,设中心点的坐标为(0,0)(x,y)表示一个3×3的邻域,设中心点的坐标为(0,0),相邻的点以此类推。
  • 计算权重矩阵。设定方差σ2=0.64\sigma^2=0.64σ2=0.64的值,将对应各个坐标点(x,y)(x,y)(x,y)带入二维高斯公式G(x,y)G(x,y)G(x,y)中,得到一个权重矩阵,归一化权重矩阵(矩阵中各个点除以权重之和),得到标准的权重矩阵,即高斯模板。
  • 计算高斯模糊。设在一幅图像中的3×33\times33×3区域内,用各像素点的灰度值乘以对应点的权重。

- 将得到的9个值求和,就是中心点的高斯模糊值。
**具体过程**:
  • 简单来说就是使用GuessGuessGuess模板在原始图像中进行移位、相乘、相加的过程。

2、2、2计算幅值图像,角度图像
补充:求变化率时,对于一元函数,即求导;对于二元函数,求偏导。

数字图像处理中,用一阶有限差分近似求取灰度值的梯度值(变化率)
(即:使差商(Δf/Δx\Delta {f} / \Delta {x}Δfx) 近似取代微商( ∂f/∂x\partial{f} / \partial{x}f/x)。求灰度的变化率,分别取x和y方向上相邻像素做差,代替求取x和y方向一阶偏导)

例:计算一点x方向和yx方向和yx方向和y方向的梯度幅值和方向

上图中显示一段直的边缘线段放大后一部分,每个方块代表一个像素点,用一个方框强调点处边缘的幅值和方向。令灰色像素值为0,白色像素值为1.

如图关于一点为中心的 3×33 \times 33×3 邻域,使用PrewittPrewittPrewitt卷积模板进行计算:

px=[−1−1−1000111],py=[−101−101−101]p_x= \begin{bmatrix} -1&-1&-1\\ 0&0&0\\ 1&1&1 \end{bmatrix} , p_y= \begin{bmatrix} -1&0&1\\ -1&0&1\\ -1&0&1 \end{bmatrix} px=101101101,py=111000111
根据x方向和yx方向和yx方向和y方向的卷积模板,可知,在3×33 \times 33×3邻域中从底部一行像素值减去顶部一行的像素,得到xxx方向的偏导数(梯度);同样,从右边一列像素值减去左边一列的像素,得到yyy方向的偏导数。

xxx方向的梯度: gx=∂f/∂x=(0−0)+(0−1)+(0−1)=−2g_x=\partial{f}/\partial{x}=(0-0)+(0-1)+(0-1)=-2gx=f/x=(00)+(01)+(01)=2
yyy方向的梯度:gy=∂f/∂x=(1−0)+(1−0)+(0−0)=2g_y=\partial{f}/\partial{x}=(1-0)+(1-0)+(0-0)=2gy=f/x=(10)+(10)+(00)=2

由此,可以得到该点梯度的幅值和方向:
M(x,y)=gx2+gy2=22M(x,y)=\sqrt{g_x^2+g_y^2}=2\sqrt{2}M(x,y)=gx2+gy2=22
α(x,y)=arctan[gy/gx]=135°\alpha(x,y)=arctan[g_y/g_x]=135°α(x,y)=arctan[gy/gx]=135°

如下图表示了中心点的梯度向量、方位角以及边缘方向。(任一点的边缘与梯度向量正交)

注意

  • gx,gy,M(x,y)和α(x,y)g_x,g_y,M(x,y)和\alpha(x,y)gx,gy,M(x,y)α(x,y)都是与原图像大小相同的图像。
  • α(x,y)\alpha(x,y)α(x,y)是为了确定梯度的方向,以及确定非极大值抑制时的对比方向;
  • M(x,y)M(x,y)M(x,y)用来确定是否为边缘点,幅值越大,表示像素区域灰度值变化越明显,更能代表边缘点.

Canny 算子卷积模板:
px=[−1−111],py=[1−11−1]p_x= \begin{bmatrix} -1&-1\\ 1&1 \end{bmatrix} , p_y= \begin{bmatrix} 1&-1\\ 1&-1 \end{bmatrix}px=[1111]py=[1111]

p[i,j]=(f[i,j+1]−f[i,j]+f[i+1,j+1]−f[i+1,j])/2p[i,j]=(f[i,j+1]-f[i,j]+f[i+1,j+1]-f[i+1,j])/2p[i,j]=(f[i,j+1]f[i,j]+f[i+1,j+1]f[i+1,j])/2
Q[i,j]=(f[i+1,j]−f[i,j]+f[i+1,j+1]−f[i,j+1])/2Q[i,j]=(f[i+1,j]-f[i,j]+f[i+1,j+1]-f[i,j+1])/2Q[i,j]=(f[i+1,j]f[i,j]+f[i+1,j+1]f[i,j+1])/2
M[i,j]=p[i,j]2+Q[i,j]2M[i,j]=\sqrt{p[i,j]^2+Q[i,j]^2}M[i,j]=p[i,j]2+Q[i,j]2
θ=arctan(Q[i,j]/p[i,j])\theta=arctan(Q[i,j]/p[i,j])θ=arctan(Q[i,j]/p[i,j])

3、3、3对幅值图像进行非极大值抑制

步骤:
1. 对角度在四个方向进行划分,形成新的角度图;
2. 根据角度图(表征着梯度的方向),对幅值进行非极大值抑制。
  • 首先将角度划分成四个方向范围:水平(0°)、−45°、垂直(90°)、+45°(0°)、-45°、垂直(90°)、+45°()45°、垂直(90°)+45°。如下图:
- 接着讨论对3x3区域的四个基本边缘方向进行非极大值抑制。

做法:若中心点(即:访问点)在沿其方向上邻域的梯度幅值最大,则保留;否则,抑制。

4、4、4双阈值检测和连接边缘

  • 选取高阈值TH和低阈值TL,比率为2:1或3:1。(一般取TH=0.3或0.2,TL=0.1T_H和低阈值T_L,比率为2:1或3:1。(一般取T_H=0.3或0.2,T_L=0.1TH和低阈值TL,比率为2:13:1。(一般取TH=0.30.2,TL=0.1
  • 取出非极大值抑制后的图像中的最大梯度幅值,重新定义高低阈值。即:TH×Max,TL×MaxT_H\times{Max},T_L\times{Max}TH×Max,TL×Max。(当然可以自己给定)
  • 将小于TL的点抛弃,赋0;将大于TH的点立即标记(这些点就是边缘点),赋1。将小于T_L的点抛弃,赋0;将大于T_H的点立即标记(这些点就是边缘点),赋1。将小于TL的点抛弃,赋0;将大于TH的点立即标记(这些点就是边缘点),赋1
  • 将大于TL,小于TH的点使用8连通区域确定(即:只有与TH像素连接时才会被接受,成为边缘点,赋1)将大于T_L,小于T_H的点使用8连通区域确定(即:只有与T_H像素连接时才会被接受,成为边缘点,赋1)将大于TL,小于TH的点使用8连通区域确定(即:只有与TH像素连接时才会被接受,成为边缘点,赋1

注意:双阈值做法是将候选像素点拼接成轮廓,轮廓的形成时对这些像素运用滞后性阈值。

算法实现

Matlab代码
clear all;
clc;

I = imread('rice.png');%读图
% I = rgb2gray(I);%灰度转换
I = double(I);%转化为双精度
[H,W] = size(I);%获取图像大小

%%  Step1:使用高斯滤波平滑图像

B = [1 2 1;2 4 2;1 2 1];%高斯滤波系数
B = 1/16.*B;%高斯滤波模板 方差=0.8
A = conv2(I,B,'same');%使用高斯模板进行卷积.计算二维卷积,结果与原图像大小相同 

%%  Step2:计算梯度的幅值图像,角度图像.

%Prewitt梯度模板
dx = [-1 0 1;-1 0 1;-1 0 1];%x方向的梯度模板
dy = [1 1 1; 0 0 0;-1 -1 -1];%y方向的梯度模板
gx = conv2(A,dx,'same');%获取x方向的梯度图像.使用梯度模板进行二维卷积,结果与原图像大小相同
gy = conv2(A,dy,'same');%获取y方向的梯度图像.使用梯度模板进行二维卷积,结果与原图像大小相同
M = sqrt((gx.^2) + (gy.^2));%获取幅值图像.大小与原图像相等.(.^)表示数组乘方
a = atan2(gy,gx);%获取弧度,范围:-pi~pi
a = a*180/pi;%将弧度转换为角度,得到角度图像,与原图像大小相等.

%%  Step3:对幅值图像进行应用非极大值抑制

%首先将角度划分成四个方向范围:水平(0°)、-45°、垂直(90°)、+45°
for i = 1:H
    for j = 1:W
        if((a(i,j) >= -22.5) && (a(i,j) < 0)||(a(i,j) >= 0) && (a(i,j) < 22.5) || (a(i,j) <= -157.5) && (a(i,j) >= -180)||(a(i,j) >= 157.5)&&(a(i,j) <= 180))
            a(i,j) = 0;
        elseif((a(i,j) >= 22.5) && (a(i,j) < 67.5) || (a(i,j) <= -112.5) && (a(i,j) > -157.5))
            a(i,j) = -45;
        elseif((a(i,j) >= 67.5) && (a(i,j) < 112.5) || (a(i,j) <= -67.5) && (a(i,j) >- 112.5))
            a(i,j) = 90;
        elseif((a(i,j) >= 112.5) && (a(i,j) < 157.5) || (a(i,j) <= -22.5) && (a(i,j) > -67.5))
            a(i,j) = 45;  
        end
    end
end
%讨论在 3x3 区域内在该点梯度方向上进行非极大值抑制.获取非极大值抑制图像
Nms = zeros(H,W);%定义一个非极大值图像
for i = 2:H-1
    for j= 2:W-1
        if (a(i,j) == 0 && M(i,j) == max([M(i,j), M(i,j+1), M(i,j-1)]))
            Nms(i,j) = M(i,j);
        elseif (a(i,j) == -45 && M(i,j) == max([M(i,j), M(i+1,j-1), M(i-1,j+1)]))
            Nms(i,j) = M(i,j);
        elseif (a(i,j) == 90 && M(i,j) == max([M(i,j), M(i+1,j), M(i-1,j)]))
            Nms(i,j) = M(i,j);
        elseif (a(i,j) == 45 && M(i,j) == max([M(i,j), M(i+1,j+1), M(i-1,j-1)]))
            Nms(i,j) = M(i,j);
        end;
    end;
end;

%%  Step4:双阈值检测和连接边缘

DT = zeros(H,W);%定义一个双阈值图像
TL = 0.1 * max(max(Nms));%低阈值
TH = 0.3 * max(max(Nms));%高阈值
for i = 1  : H
    for j = 1 : W
        if (Nms(i, j) < TL)
            DT(i,j) = 0;
        elseif (Nms(i, j) > TH)
            DT(i,j) = 1 ;
        %对TL < Nms(i, j) < TH 使用8连通区域确定
        elseif ( Nms(i+1,j) > TH || Nms(i-1,j) >TH || Nms(i,j+1) > TH || Nms(i,j-1) > TH || Nms(i-1, j-1) > TH || Nms(i-1, j+1) > TH || Nms(i+1, j+1) > TH || Nms(i+1, j-1) > TH)
            DT(i,j) = 1;
        end;
    end;
end;
figure, imshow(DT); %最终的边缘检测为二值图像


效果图

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