Python图像锐化及边缘检测(Roberts、Prewitt、Sobel、Lapllacian、Canny、LOG)-Toy模板网

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图像锐化概述

算法方法介绍

代码实现

效果展示

图像锐化概述

图像锐化(image sharpening)是补偿图像的轮廓，增强图像的边缘及灰度跳变的部分，使图像变得清晰，分为空间域处理和频域处理两类。图像锐化是为了突出图像上地物的边缘、轮廓，或某些线性目标要素的特征。这种滤波方法提高了地物边缘与周围像元之间的反差，因此也被称为边缘增强。

算法方法介绍

Python图像锐化及边缘检测(Roberts、Prewitt、Sobel、Lapllacian、Canny、LOG)

Roberts算子，又称罗伯茨算子，是一种最简单的算子，是一种利用局部差分算子寻找边缘的算子。他采用对角线方向相邻两像素之差近似梯度幅值检测边缘。检测垂直边缘的效果好于斜向边缘，定位精度高，对噪声敏感,无法抑制噪声的影响。

Python图像锐化及边缘检测(Roberts、Prewitt、Sobel、Lapllacian、Canny、LOG)

Prewitt算子是一种一阶微分算子的边缘检测，利用像素点上下、左右邻点的灰度差，在边缘处达到极值检测边缘，去掉部分伪边缘，对噪声具有平滑作用。其原理是在图像空间利用两个方向模板与图像进行邻域卷积来完成的，这两个方向模板一个检测水平边缘，一个检测垂直边缘。

Python图像锐化及边缘检测(Roberts、Prewitt、Sobel、Lapllacian、Canny、LOG)

索贝尔算子是把图像中每个像素的上下左右四领域的灰度值加权差，在边缘处达到极值从而检测边缘。索贝尔算子主要用作边缘检测。索贝尔算子不但产生较好的检测效果，而且对噪声具有平滑抑制作用，但是得到的边缘较粗，且可能出现伪边缘。

在边缘检测中，常用的一种模板是Sobel 算子。Sobel 算子有两个，一个是检测水平边缘的；另一个是检测垂直边缘的。与Prewitt算子相比，Sobel算子对于象素的位置的影响做了加权，可以降低边缘模糊程度，因此效果更好。

Python图像锐化及边缘检测(Roberts、Prewitt、Sobel、Lapllacian、Canny、LOG)

Laplacian（拉普拉斯）算子是一种二阶导数算子，其具有旋转不变性，可以满足不同方向的图像边缘锐化（边缘检测）的要求。通常情况下，其算子的系数之和需要为零。

Python图像锐化及边缘检测(Roberts、Prewitt、Sobel、Lapllacian、Canny、LOG)

Scharr算子是对Sobel算子差异性的增强，因此两者之间的在检测图像边缘的原理和使用方式上相同。Scharr算子的边缘检测滤波的尺寸为3×3，因此也有称其为Scharr滤波器。可以通过将滤波器中的权重系数放大来增大像素值间的差异，弥补Sobel算子对图像中较弱的边缘提取效果较差的缺点。

Python图像锐化及边缘检测(Roberts、Prewitt、Sobel、Lapllacian、Canny、LOG)

Canny边缘检测是一种非常流行的边缘检测算法，是John Canny在1986年提出的。它是一个多阶段的算法，即由多个步骤构成。

应用高斯滤波来平滑图像，目的是去除噪声
找寻图像的强度梯度（intensity gradients）
应用非最大抑制（non-maximum suppression）技术来消除边误检（本来不是但检测出来是）
应用双阈值的方法来决定可能的（潜在的）边界
利用滞后技术来跟踪边界

最优边缘检测的特征：

低错误率: 标识出尽可能多的实际边缘，同时尽可能的减少噪声产生的误报
高定位性: 标识出的边缘要与图像中的实际边缘尽可能接近
最小响应: 图像中的边缘只能标识一次

设置两个阈值，其中一个为高阈值 maxVal，另一个为低阈值 minVal。根据当前边缘像素的梯度值（指的是梯度幅度，下同）与这两个阈值之间的关系，判断边缘的属性。具体步骤为：
（1）如果当前边缘像素的梯度值大于或等于 maxVal，则将当前边缘像素标记为强边缘。
（2）如果当前边缘像素的梯度值介于 maxVal 与 minVal 之间，则将当前边缘像素标记为虚
边缘（需要保留）。
（3）如果当前边缘像素的梯度值小于或等于 minVal，则抑制当前边缘像素。
当函数 cv2.Canny()的参数 threshold1 和 threshold2 的值较小时，能够捕获更多的边缘信息

Python图像锐化及边缘检测(Roberts、Prewitt、Sobel、Lapllacian、Canny、LOG)

Laplace算子对通过图像进行操作实现边缘检测的时，对离散点和噪声比较敏感。于是，首先对图像进行高斯卷积滤波进行降噪处理，再采用Laplace算子进行边缘检测，就可以提高算子对噪声和离散点的Robust, 这一个过程中Laplacian of Gaussian(LOG)算子就诞生了。

代码实现

#encoding:utf-8
import cv2  
import numpy as np  
import matplotlib.pyplot as plt

#读取图像
img = cv2.imread('1.bmp',cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
lenna_img = img #cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)

#灰度化处理图像
grayImage = img #cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

#高斯滤波
gaussianBlur = cv2.GaussianBlur(grayImage, (3,3), 0)

#阈值处理
#ret, binary = cv2.threshold(gaussianBlur, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)
#自适应阈值处理
binary = cv2.adaptiveThreshold(src=gaussianBlur,maxValue=255,adaptiveMethod=cv2.ADAPTIVE_THRESH_MEAN_C,thresholdType=cv2.THRESH_BINARY,blockSize=11,C=1)  


#Roberts算子
kernelx = np.array([[-1,0],[0,1]], dtype=int)
kernely = np.array([[0,-1],[1,0]], dtype=int)
x = cv2.filter2D(binary, cv2.CV_16S, kernelx)
y = cv2.filter2D(binary, cv2.CV_16S, kernely)
absX = cv2.convertScaleAbs(x)     
absY = cv2.convertScaleAbs(y)    
Roberts = cv2.addWeighted(absX, 0.5, absY, 0.5, 0)

#Prewitt算子
kernelx = np.array([[1,1,1],[0,0,0],[-1,-1,-1]], dtype=int)
kernely = np.array([[-1,0,1],[-1,0,1],[-1,0,1]], dtype=int)
x = cv2.filter2D(binary, cv2.CV_16S, kernelx)
y = cv2.filter2D(binary, cv2.CV_16S, kernely)
absX = cv2.convertScaleAbs(x)  
absY = cv2.convertScaleAbs(y)    
Prewitt = cv2.addWeighted(absX,0.5,absY,0.5,0)

#Sobel算子
x = cv2.Sobel(binary, cv2.CV_16S, 1, 0)
y = cv2.Sobel(binary, cv2.CV_16S, 0, 1)    
absX = cv2.convertScaleAbs(x)   
absY = cv2.convertScaleAbs(y)    
Sobel = cv2.addWeighted(absX, 0.5, absY, 0.5, 0)

#拉普拉斯算法
dst = cv2.Laplacian(binary, cv2.CV_16S, ksize = 3)
Laplacian = cv2.convertScaleAbs(dst)

# Scharr算子
x = cv2.Scharr(gaussianBlur, cv2.CV_32F, 1, 0) #X方向
y = cv2.Scharr(gaussianBlur, cv2.CV_32F, 0, 1) #Y方向
absX = cv2.convertScaleAbs(x)       
absY = cv2.convertScaleAbs(y)
Scharr = cv2.addWeighted(absX, 0.5, absY, 0.5, 0)

#Canny算子
Canny = cv2.Canny(gaussianBlur, 20, 30)

#先通过高斯滤波降噪
gaussian = cv2.GaussianBlur(grayImage, (3,3), 0)
 
#再通过拉普拉斯算子做边缘检测
dst = cv2.Laplacian(gaussian, cv2.CV_16S, ksize = 3)
LOG = cv2.convertScaleAbs(dst)

#效果图
fig = plt.figure(figsize=(10, 10))#设置大小
titles = ['Source Image', 'Binary Image', 'Roberts Image',
          'Prewitt Image','Sobel Image', 'Laplacian Image',
          'Scharr Image', 'Canny Image', 'LOG Image']  
images = [lenna_img, binary, Roberts,
          Prewitt, Sobel, Laplacian,
          Scharr, Canny, LOG]  
for i in np.arange(9):  
   plt.subplot(3,3,i+1),plt.imshow(images[i],'gray')  
   plt.title(titles[i])  
   plt.xticks([]),plt.yticks([])  
plt.show()  
fig.savefig('fig-sharp.jpg',bbox_inches='tight')