二维图像中的Hessian矩阵(及MATLAB代码)


一、图像中Hessian矩阵的定义及公式推导

对于二维图像 f ( x , y ) f(x,y) f(x,y),在点 x , y x,y x,y处的Hessian矩阵定义为:
H ( x , y ) = [ I x x I x y I x y I y y ] H(x,y)= \left[ \begin{matrix} I_{xx} & I_{xy} \\ I_{xy} &I_{yy} \\ \end{matrix} \right] H(x,y)=[IxxIxyIxyIyy]


其中 I x x I_{xx} Ixx为高斯二阶微分 ∂ 2 G ( x , y ) ∂ x 2 \frac{\partial^2G(x,y)}{\partial x^2} x22G(x,y)与图像 f ( x , y ) f(x,y) f(x,y)的卷积:
I x x = ∂ 2 G ( x , y ) ∂ x 2 ∗ f ( x , y ) I_{xx}=\frac{\partial^2G(x,y)}{\partial x^2}*f(x,y) Ixx=x22G(x,y)f(x,y)
G ( x , y ) = 1 2 π σ 2 e − x 2 + y 2 2 σ 2 G(x,y)=\frac{1}{2π\sigma^2}e^{-\frac{x^2+y^2}{2\sigma^2}} G(x,y)=2πσ21e2σ2x2+y2
将两式结合,有:
I x x = 1 2 π σ 4 ( x 2 s i g m a 2 − 1 ) ∂ 2 G ( x , y ) ∂ x 2 ∗ f ( x , y ) I_{xx}=\frac{1}{2π\sigma^4}(\frac{x^2}{sigma^2}-1)\frac{\partial^2G(x,y)}{\partial x^2}*f(x,y) Ixx=2πσ41(sigma2x21)x22G(x,y)f(x,y)
同理可得 I x y 、 I y y I_{xy}、I_{yy} IxyIyy


二、MATLAB代码

代码如下(示例):

function [Dxx,Dxy,Dyy] = Hessian2D(I,Sigma)
[X,Y]   = ndgrid(-round(3*Sigma):round(3*Sigma));
DGaussxx = 1/(2*pi*Sigma^4) * (X.^2/Sigma^2 - 1) .* exp(-(X.^2 + Y.^2)/(2*Sigma^2));
DGaussxy = 1/(2*pi*Sigma^6) * (X .* Y)           .* exp(-(X.^2 + Y.^2)/(2*Sigma^2));
DGaussyy = DGaussxx';

Dxx = imfilter(I,DGaussxx,'conv');
Dxy = imfilter(I,DGaussxy,'conv');
Dyy = imfilter(I,DGaussyy,'conv');
end

### 如何在 MATLAB 中计算 Hessian 矩阵 #### 使用符号工具箱计算解析表达式的 Hessian 矩阵 当处理的是一个具体的数学函数时,可以利用MATLAB的符号运算功能来获取该函数的Hessian矩阵。下面是一个简单的例子: ```matlab syms x y z; f = x^2 + y^2 + z^2 + y*z*x; % 定义一个多变量函数 H = hessian(f, [x, y, z]); % 计算其对应的Hessian矩阵 disp(H); ``` 这段代码展示了如何通过`hessian()`命令直接得到给定函数关于指定变量列表的海森矩阵[^2]。 #### 对于图像数据应用高斯滤波器后的Hessian矩阵估计 针对图像处理领域内的应用场景,通常会先对原始灰度图施加不同尺度下的各向异性高斯平滑操作,之后再分别估算出沿X轴和Y轴方向的一阶及二阶微分响应值作为构建最终Hessian矩阵的基础成分。具体做法如下所示: ```matlab % 加载测试图片并转换为双精度浮点型格式 img = imread('your_image_file.png'); grayImg = rgb2gray(img); % 如果输入图为彩色则需转成单通道灰度模式 doubleGrayImg = im2double(grayImg); sigma = 1; % 设定用于卷积核的标准差参数σ大小 [Gx,Gy] = gradient(doubleGrayImg .* fspecial('gaussian', round(3*sigma)*2+1,sigma)); [Hxx,Hxy] = gradient(Gx.*fspecial('gaussian',round(3*sigma)*2+1,sigma)); [Hyx,Hyx] = gradient(Gy.*fspecial('gaussian',round(3*sigma)*2+1,sigma)); Hyy = Hyx; figure(); imshowpair(sqrt(abs(Hxx)), sqrt(abs(Hyy)),'montage'); title(['|Hxx| and |Hyy| with sigma=',num2str(sigma)]); colormap gray; colorbar; ``` 上述脚本片段实现了基于高斯导数模型对二维离散化空间域内任意位置处局部结构特征的有效捕捉,并可视化展示所获得的结果[^4]。 #### 借助Frangi算法进行血管增强的应用实例 特别地,在医学影像分析任务中,为了突出显示管状物体比如血管等目标区域,经常采用一种名为Frangi滤波的技术方案。它本质上就是通过对原图实施多分辨率变换后提取出来的Hessian描述子来进行形态学特性评估的过程。以下是简化版本的核心部分摘录: ```matlab function outImgs = frangiFilter(inImg,varargin) ... options.minScale = varargin{find(strcmp(varargin,'minScale'),1)+1}; options.maxScale = varargin{find(strcmp(varargin,'maxScale'),1)+1}; scales = linspace(options.minScale,options.maxScale,floor((options.maxScale-options.minScale)/0.7)+1); for i=1:length(scales), scale=scales(i); Dxx = imgaussfilt2(Dxx,scale); Dxy = imgaussfilt2(Dxy,scale); Dyy = imgaussfilt2(Dyy,scale); detH(:,:,i) = (Dxx.*Dyy - Dxy.^2)./(eps+(Dxx+Dyy).^2/4); traceH(:,:,i) = Dxx + Dyy; ... end Rb = zeros(size(inImg)); S = zeros(size(inImg)); [~,idx]=max(detH,[],3); for j=1:numel(idx(:)) k = idx(j); Rb(j) = detH(j,k)/(traceH(j,k)^2+eps); S(j) = abs(traceH(j,k)).^(1/3)*(detH(j,k)<0)-... ((abs(traceH(j,k)))<tau).*exp(-Rb(j)^2/(2*(alpha^2))); end outImgs.Rb=S>beta; end ``` 此段程序逻辑上遵循了经典的Frangi方法论框架,即依次遍历多个可能的空间频率范围选项组合,进而综合考量每一级放大倍率条件下测得的各项指标得分情况以决定最佳匹配程度的位置分布状况[^3]。
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