基于模板濾波的已知角度直線檢測(cè)方法

謝 晴

（梧州學(xué)院，梧州 543002）

0 引言

直線是最常見(jiàn)、最基本的幾何特征之一，廣泛存在于自然界和很多人造物中，是大多數(shù)物體的邊緣形狀的表現(xiàn)形式。在很多應(yīng)用中，我們需要利用數(shù)字圖像處理技術(shù)識(shí)別出這些直線特征，以便作為模式識(shí)別和圖像分割等后續(xù)研究的基礎(chǔ)，比如對(duì)航拍圖像中飛機(jī)場(chǎng)跑道線的識(shí)別等。針對(duì)目前大多數(shù)生活小區(qū)、銀行、交通路口等安裝的固定攝像頭所監(jiān)控的角度固定、很多地方安裝的太陽(yáng)能的集熱面板與水平面的夾角都為45°以及寶石刻面琢型中刻面之間的角度固定的實(shí)際情況，本文提出一種基于模板濾波的已知角度直線檢測(cè)方法。

1 現(xiàn)有直線檢測(cè)算法

現(xiàn)有的直線檢測(cè)算法主要有兩大類[1]：一類是通過(guò)對(duì)圖像的處理，得到目標(biāo)的邊界點(diǎn)集合，然后利用霍夫變換（Hough Transform，以下簡(jiǎn)稱Hough變換）提取目標(biāo)邊界上的直線；另一類是在對(duì)圖像預(yù)處理后，直接獲取目標(biāo)的邊界線集合，然后在該集合中進(jìn)行直線段識(shí)別。第一類方法中的Hough變換檢測(cè)直線方法是所有直線檢測(cè)方法中最經(jīng)典的方法，該方法具有較強(qiáng)的抗噪能力，對(duì)直線斷裂不敏感，具有較高的可靠性和較好的魯棒性。但傳統(tǒng)的Hough變換需要占用較大的內(nèi)存空間、變換計(jì)算量大，因此難以應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，其應(yīng)用范圍有所限制。第二類直線檢測(cè)方法一般是先對(duì)目標(biāo)邊界進(jìn)行鏈碼跟蹤，然后在得到的鏈碼串集合中進(jìn)行直線段提取[2]。和Hough變換方法相比，這類方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，

具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，能比較方便地得到線段的長(zhǎng)度、方向等信息。但是，現(xiàn)有算法在識(shí)別直線時(shí)都不考慮直線的角度，其目的是盡量將圖像中的所有直線識(shí)別出來(lái)，但在某些應(yīng)用中，我們通常只對(duì)一些固定角度的直線感興趣，比如，固定攝像頭所監(jiān)控的范圍內(nèi)的直線或航拍圖像中大多數(shù)目標(biāo)的輪廓線與水平面的夾角都是已知的，因此，本文提出基于模板濾波的直線檢測(cè)新方法，專門對(duì)已知角度直線的檢測(cè)進(jìn)行研究。

2 基于模板濾波的已知角度直線檢測(cè)算法

2.1 原理

基于模板濾波的已知角度直線檢測(cè)算法基于空域?yàn)V波的原理，即事先定義一個(gè)直線檢測(cè)模板，在圖像中逐點(diǎn)移動(dòng)，位于直線上的點(diǎn)將對(duì)模板產(chǎn)生較大的響應(yīng)，設(shè)置合適的閾值，認(rèn)為響應(yīng)大于閾值的點(diǎn)位于直線上，從而識(shí)別出直線段。本文設(shè)計(jì)的水平直線檢測(cè)模板如圖1（a）所示，以水平線檢測(cè)模板為例，當(dāng)水平線檢測(cè)模板在圖像上逐點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，位于水平直線上的點(diǎn)將對(duì)模板產(chǎn)生較大的響應(yīng)，為了判斷某點(diǎn)是否位于水平直線上，就需要設(shè)置一個(gè)閾值，也就是模板的輸出門限。本文設(shè)計(jì)的垂直線、與水平方向呈45°、135°的直線檢測(cè)模板如圖1（b）～圖（d）所示。

圖1 直線檢測(cè)模板示例

2.2 基于模板濾波的已知角度直線檢測(cè)算法步驟

基于模板濾波的已知角度直線檢測(cè)算法步驟：1）讀取灰度圖像；

2）根據(jù)直線角度，設(shè)計(jì)直線檢測(cè)模板；

3）用直線檢測(cè)模板對(duì)圖像濾波，設(shè)置合適的模板輸出門限，檢測(cè)出直線。

可以看出，直線檢測(cè)模板的設(shè)計(jì)是本算法的核心，下面介紹檢測(cè)模板的構(gòu)造方法。

2.3 直線檢測(cè)模板構(gòu)造方法

首先根據(jù)直線角度計(jì)算出直線的斜率k，由斜率確定模板的尺寸，最后設(shè)置合適的模板系數(shù)。由于直線y=kx+b與y=kx是平行的位置關(guān)系，本文以一般直線y=kx的檢測(cè)為例討論直線檢測(cè)模板的構(gòu)造方法，步驟如下：

1）由直線角度計(jì)算出斜率k；

2）根據(jù)斜率k計(jì)算出檢測(cè)模板的尺寸；

3）確定模板系數(shù)。

由于直線斜率取值情況的復(fù)雜性，經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，本文確定了直線斜率k和直線檢測(cè)模板尺寸之間的關(guān)系，下面分兩種情況說(shuō)明：

1）k=n和k=1/n（n為整數(shù)）

當(dāng)直線角度在(0°, 45°)或(135°, 180°)范圍時(shí)，檢測(cè)模板的行數(shù)設(shè)為3，列數(shù)設(shè)+1（|k|表示取斜率k的絕對(duì)值）；當(dāng)直線角度在(45°, 90°)或(90°, 135°)范圍時(shí)，檢測(cè)模板的行數(shù)可設(shè)為2|k|+1，列數(shù)設(shè)為3。

2）k=b/a（a、b為整數(shù)）

當(dāng)直線斜率k表示為b/a形式時(shí)，可設(shè)直線檢測(cè)模板的行數(shù)為2|b|+1，列數(shù)為2|a|+1，其中，|a|和|b|表示取a、b的絕對(duì)值。

確定好直線檢測(cè)模板的尺寸后，就可以確定模板的系數(shù)，依據(jù)是要使得模板中所有系數(shù)的總和為0，因?yàn)閳D像中灰度級(jí)恒定的區(qū)域來(lái)自模板的響應(yīng)應(yīng)該為零。為了便于描述，本文將位于直線上的像素點(diǎn)稱為關(guān)鍵點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)在模板中的對(duì)應(yīng)系數(shù)稱為關(guān)鍵系數(shù)，其余的系數(shù)為非關(guān)鍵系數(shù)。為了準(zhǔn)確的檢測(cè)出直線，位于直線上的點(diǎn)對(duì)模板的響應(yīng)要大于直線以外的點(diǎn)，因此，關(guān)鍵系數(shù)的值應(yīng)盡可能大于非關(guān)鍵系數(shù)，故本文將關(guān)鍵系數(shù)的值設(shè)為正數(shù)，非關(guān)鍵系數(shù)的值設(shè)為負(fù)數(shù)，關(guān)鍵系數(shù)的總和和非關(guān)鍵系數(shù)的絕對(duì)值之和要相等。

圖2 直線y=x

圖3 直線y=x的檢測(cè)模板

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果1

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果2

3 實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)果分析

限于篇幅，本文列舉以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文提出的基于模板濾波直線檢測(cè)算法檢測(cè)效果比較好，和經(jīng)典的Hough變換檢測(cè)直線方法相比，本算法簡(jiǎn)單，模板構(gòu)造方便。從時(shí)間方面來(lái)說(shuō)，算法的執(zhí)行時(shí)間短，執(zhí)行速度快。比如，直線濾波步驟所花費(fèi)的時(shí)間僅0.453秒，直線檢測(cè)也只用了0.443秒，均快于Hough變換直線檢測(cè)方法；從空間方面來(lái)說(shuō)，由于檢測(cè)模板的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)二維矩陣，其尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原始圖像，因此無(wú)需太多額外存儲(chǔ)空間，克服了Hough變換檢測(cè)直線方法需要占用大量存儲(chǔ)空間的缺陷。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于模板濾波的已知角度直線檢測(cè)算法可以快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)出特定角度的直線而忽略對(duì)研究問(wèn)題無(wú)用的直線，為需要檢測(cè)出特定角度直線的應(yīng)用領(lǐng)域提供了新的解決途徑和思路。當(dāng)然，本算法也有不足之處，根據(jù)一些特殊角度設(shè)置的檢測(cè)模板會(huì)出現(xiàn)尺寸過(guò)大的情況，如何對(duì)本算法進(jìn)行改進(jìn)，使檢測(cè)模板的構(gòu)造更加簡(jiǎn)單，以及如何更加科學(xué)、合理的設(shè)置模板的輸出門限是今后的一個(gè)研究方向。

[1] 毛偉民, 蘆俊, 朱衛(wèi)良, 胡志川. 基于邊緣檢測(cè)的載帶壓痕檢測(cè)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制. 2010, 18(7).

[2] Bi Y,Zhao J G,Zhang D H.Research On Power Communication Network and Power Quality Monitoring Using OPNET[z].Industrial Electronics and Applications.2007,507-511.