Python图像处理之Hough变换检测直线
一、 前言
霍夫变换是一种特征检测(feature extraction),被广泛应用在图像分析(image analysis)、计算机视觉(computer vision)以及数位影像处理(digital image processing)。由RichardDuda和PeterHart在公元1972年发明,并称之为广义霍夫变换(generalizedHoughtransform),广义霍夫变换和更早前1962年的PaulHough的专利有关。经典的霍夫变换是侦测图片中的直线,之后,霍夫变换不仅能识别直线,也能够识别任何形状,常见的有圆形、椭圆形。1981年,因为DanaH.Ballard的一篇期刊论文"Generalizing the Hough transform to detect arbitrary shapes",让霍夫变换开始流行于计算机视觉界。霍夫变换是用来辨别找出物件中的特征,例如:线条。他的算法流程大致如下,给定一个物件、要辨别的形状的种类,算法会在参数空间(parameter space)中执行投票来决定物体的形状,而这是由累加空间(accumulator space)里的局部最大值(local maximum)来决定。
二、Hough 变换
一条直线可由两个点A=(x1,y1)和B=(x2,y2)确定(笛卡尔坐标)
另一方面,y=kx+b也可以写成关于(k,q)的函数表达式(霍夫空间):
空间变换过程如下图:
变换后的空间成为霍夫空间。即:笛卡尔坐标系中一条直线,对应霍夫空间的一个点。
反过来同样成立(霍夫空间的一条直线,对应笛卡尔坐标系的一个点):
笛卡尔坐标系中两个点对应霍夫空间两条线:
如果笛卡尔坐标系三个点共线,对应的霍夫空间的三条线相交于一点
霍夫变换的后处理的基本方式:选择由尽可能多直线汇成的点。但是,按照直角坐标系表示的话会出现下图的情况:当图像空间中点共的线垂直于x轴时,斜率无限大,在霍夫空间无法找到交点。因而,人们最终引入了极坐标的表示法。
极坐标下的霍夫直线检测原理与直角坐标系下完全一致,唯一需要重新推导的是与霍夫空间的极坐标参数函数:
化简便可得到:
r=xcosθ+ysinθ
如果对于一个给定点(x0,y0),意味着每一对(r,θ)代表一条通过点(xθ,yθ)的直线。我们在极坐标对极径极角平面绘出所有通过它的直线, 将得到一条正弦曲线. 例如, 对于给定点(x0=8和y0=6) 我们可以绘出下图 (在平面):
极坐标与笛卡尔坐标的转换公式,从极坐标转换(r,θ)在笛卡尔坐标系(x,y):
从笛卡儿坐标转换 (x,y) 到极坐标(r,θ):
在极坐标系下,其实是一样的:极坐标的点→霍夫空间的直线,只不过霍夫空间不再是[k,q]的参数,而是(r,θ)。
三、直线检测
通过上面的介绍可知,画出x−y坐标空间中的点在参数空间中对应的曲线,然后计算参数空间中曲线的交点,就能求得待求的参数。但还有一个问题,当参数空间中的曲线存在多个交点时,如何挑选出最有可能的解呢?
具体计算时,可将参数空间划分为所谓的累加单元A(θ,ρ)。如图下图所示,对于x−y平面的每一个非背景点(xk,yk),令 θ等于每个可取的细分值,根据θ=−xkθ+yk计算出对应的ρ值,每计算出一组 A(θ,ρ),则令A(θ,ρ)=A(θ,ρ)+1。计算所有结果后,找到A(θ,ρ)的峰值对应的θ和ρ,即可检测直线。(θmin,θmax)和(ρmin,ρmax)是期望的参数范围:0°≤θ≤180°和−D≤θ≤D, D是图像对角线的长度。 θ和ρ的细分数量决定了检测结果的精度。
投票过程可以观看下面的GIF,
左边上青色的点代表图像上的像素点,黄色的代表对各个点不同角度搜索。右半边是投票盘,颜色越浅代表票数越多。
四、代码实现
1.hough检测
def lines_detector_hough(img,ThetaDim=None, DistStep=None, threshold=None, halfThetaWindowSize=2, halfDistWindowSize=None): ''' :param img: 经过边缘检测得到的二值图 :param ThetaDim: hough空间中theta轴的刻度数量(将[0,pi)均分为多少份),反应theta轴的粒度,越大粒度越细 :param DistStep: hough空间中dist轴的划分粒度,即dist轴的最小单位长度 :param threshold: 投票表决认定存在直线的起始阈值 :return: 返回检测出的所有直线的参数(theta,dist)和对应的索引值, ''' row,col= edge.shape if ThetaDim == None: ThetaDim = 90 if DistStep == None: DistStep = 1 # 计算距离分段数量 MaxDist = np.sqrt(row ** 2 + col ** 2) DistDim = int(np.ceil(MaxDist / DistStep)) if halfDistWindowSize == None: halfDistWindowSize = int(DistDim /50) # 建立投票 accumulator = np.zeros((ThetaDim, DistDim)) # theta的范围是[0,pi). 在这里将[0,pi)进行了线性映射.类似的,也对Dist轴进行了线性映射 # sinTheta = [np.sin(t * np.pi / ThetaDim) for t in range(ThetaDim)] cosTheta = [np.cos(t * np.pi / ThetaDim) for t in range(ThetaDim)] #计算距离(rho) for i in range(row): for j in range(col): if not edge[i, j] == 0: for k in range(ThetaDim): accumulator[k][int(round((i * cosTheta[k] + j * sinTheta[k]) * DistDim / MaxDist))] += 1 M = accumulator.max() #--------------------------------------- #非极大抑制 if threshold == None: threshold = int(M * 1.369/ 10) result = np.array(np.where(accumulator > threshold)) # 阈值化 #获得对应的索引值 temp = [[], []] for i in range(result.shape[1]): eight_neiborhood = accumulator[ max(0, result[0, i] - halfThetaWindowSize + 1):min(result[0, i] + halfThetaWindowSize, accumulator.shape[0]), max(0, result[1, i] - halfDistWindowSize + 1):min(result[1, i] + halfDistWindowSize, accumulator.shape[1])] if (accumulator[result[0, i], result[1, i]] >= eight_neiborhood).all(): temp[0].append(result[0, i]) temp[1].append(result[1, i]) #记录原图所检测的坐标点(x,y) result_temp= np.array(temp) #------------------------------------------------------------- result = result_temp.astype(np.float64) result[0] = result[0] * np.pi / ThetaDim result[1] = result[1] * MaxDist / DistDim return result,result_temp
2.画直线代码
def drawLines(lines, edge, color=(255, 0, 0), err=3): ''' :param lines: 检测后的直线参数 :param edge: 原图 :param color: 直线的颜色 :param err:检测的可接受的误差值 :return: 无 ''' if len(edge.shape) == 2: result = np.dstack((edge, edge, edge)) else: result = edge Cos = np.cos(lines[0]) Sin = np.sin(lines[0]) for i in range(edge.shape[0]): for j in range(edge.shape[1]): e = np.abs(lines[1] - i * Cos - j * Sin) if (e < err).any(): result[i, j] = color plt.imshow(result, cmap='gray') plt.axis('off') plt.show()
3.画hough空间代码
def data_img(data): ''' :param data: 直线上含有的点(x,y) :return: 输出hough空间图像 ''' fig = plt.figure() # 新建画布 ax = axisartist.Subplot(fig, 111) # 使用axisartist.Subplot方法创建一个绘图区对象ax fig.add_axes(ax) ax.axis[:].set_visible(False) # 隐藏原来的实线矩形 ax.axis["x"] = ax.new_floating_axis(0, 0, axis_direction="bottom") # 添加x轴 ax.axis["y"] = ax.new_floating_axis(1, 0, axis_direction="bottom") # 添加y轴 ax.axis["x"].set_axisline_style("->", size=1.0) # 给x坐标轴加箭头 ax.axis["y"].set_axisline_style("->", size=1.0) # 给y坐标轴加箭头 t = np.arange(-np.pi / 2, np.pi / 2, 0.1) ax.annotate(text='x', xy=(2 * math.pi, 0), xytext=(2 * math.pi, 0.1)) # 标注x轴 ax.annotate(text='y', xy=(0, 1.0), xytext=(-0.5, 1.0)) # 标注y轴 for i in range(data.shape[1]): rho = data[0][i] * np.cos(t) + data[1][i] * np.sin(t) plt.plot(t, rho) plt.show()
4.检测结果
以上就是Python图像处理之Hough变换检测直线的详细内容,更多关于Python检测直线的资料请关注脚本之家其它相关文章!
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