边缘检测算子研究

边缘检测算子研究

0图像中边缘信息的检测边缘是提取目标和背景的边界线。只有检测到边缘信息，我们才能从背景中分离目标，识别目标区域的识别、图像分割和图像滤波，并将边缘信息接收到尽可能短的图像分析数据处理中的大数据量。图像中边缘检测主要是针对图像灰度变化的度量检测和定位,就是检测图像特性变化的位置。由于边缘检测本身所具有的难度,目前的研究仍然存在的问题是没有一种可以普遍使用的检测算法和一个通用的检测评价标准,所以对图像边缘检测评价的研究和对评价系数的研究越来越得到人们的关注。1有某一个质量上的邻域像元,有边缘检测主要是通过检测每个像素和其邻域的状态来确定该像元是否位于一个物体的边界上。假如某一个像元位于一个物体的边界上,那么其邻域像元灰度值的变化就会相对比较大。边缘检测常用的几种算子有:Roberts、Sobel、Prewitt、Laplacian和Canny等。1.1边缘垂直梯度Roberts算子是一种以斜向偏差分的梯度计算为核心的检测算法。其中,梯度大小表示边缘的强度,其方向与边缘走向垂直,实际上该算子是旋转±45°后两个垂直方向上微分结果的求和过程。该算子在水平和垂直方向检测效果较好,定位精度相对较高,同时对具有较陡梯度的低噪声图像效果较好。1.2soper算子算子Sobel算子主要是以像素上下左右相邻点的灰度加权算法为核心的检测算法。Sobel算子能提供较为精确的边缘的方向信息,对类似噪声信息的信号具有平滑作用。但是由于在加权过程中伪边缘的出现,影响了其边缘定位精度。由加权信号算法可知,该算子对灰度渐变和噪声较多的图像处理得较好。1.3边缘检测结果输出该算子同Sobel算子相似,也是水平和垂直两个卷积和,对图像中的每个像素点做卷积,取最大值作为边缘检测结果输出。该算子即边缘样板算子,由理想的边缘子图像构成。它的基本原理是依次用边缘样板去比对图像信息,由被检测区域最相似的模板给出一个检测最大值作为算子图像边缘的输出。该算子除了能很好地对边缘点进行检测以外,还能抑制噪声的影响。因此在一般处理对象中,对灰度和噪声较多的图像处理得较好。1.4阶导数的检测Laplacian算子是利用边缘在拐点位置处的二阶导数为零的性质来对图像进行边缘检测的。它就是一个标量,属于各个方向同向性的运算,对灰度突变较敏感,是与边缘方向无关的一种边缘检测算子。1.5最佳边缘检测模板的确定Canny算子是利用局部极值检测边缘的方法。算法在实际存在的边缘点与检测的边缘点存在一一对应的基础上,采用最优化数值方法得到该算子的最佳边缘检测模板。对于不同的情况,选用不同的方法。如阶跃型的边缘,高斯函数的一阶导数与Canny最优边缘检测器的形状相近,利用二维高斯函数的对称性和分解性可以计算高斯函数在任一方向上的方向导数与图像的卷积。因此,在实际应用中可以通过选取高斯函数的一阶导数作为阶跃边缘的次最优检测算子。2阈值对边缘检测的影响本实验针对同一图像的不同算子进行不同阈值的规定,并分别对设定不同阈值的图像进行边缘检测,并进行仿真分析。2.1提取边缘检测利用MATLAB对不同算子进行默认阈值的确定,分别得出了5种算子对原图像进行边缘检测的默认阈值T,见表1。利用MATLAB对表1设定默认阈值进行边缘检测仿真,如图1所示。在默认阈值情况下,Prewitt算子和Sobel算子提取的轮廓明显而且连续;而Roberts算子和Laplacian算子提取的轮廓不连续现象比较严重;Canny算子得到的图像更完整,对图像边缘检测的结果相对较好。一般可以根据查看边缘的需要来设定阈值的大小,但最佳阈值不容易得到。2.2阈值大小时边缘检测效果根据以上实验得出的每个算子的默认阈值,分别设定4个阈值0.25、0.2、0.1、0.05,对每个阈值进行不同算子的边缘检测。MATLAB仿真图像如图2~图5所示。分析对比图2~图5可以得出如下结论:(1)阈值为0.25时Canny算子检查效果最佳;阈值为0.2、0.1、0.05时Roberts算子和Canny算子效果都较好,其余算子的图像相对有较多不连续点;Laplacian算子检测图片几乎看不清,说明所选阈值相对较大。整体来看,阈值愈小边缘检测的效果相对愈好。(2)同一算子阈值越小检测的图像边缘信息越丰富、越完整;反之,阈值越大丢失的边缘信息越多。(3)Sobel算子根据像素点上下左右邻点灰度加权差在边缘处达到极值这一现象进行检测,它提供较为精确的边缘方向信息的同时,导致边缘定位精度较低。3不同阈值下差值的matlab边缘检测仿真通过对各算子方差值的设定分析其对边缘检测效果的影响。设阈值为0.05的Canny算子的方差值分别为0.05、1、2、3,其MATLAB边缘检测仿真如图6所示。从图6可知,对同一图像的同一算子进行边缘检测,同一阈值下方差值越大图像的平滑度越大,平滑效果越明显、简单,但同时也会丢掉一些信息。因此在现实的研究中,要根据不同的实验研究情况选用合适的方差值。4仿真研究的基本程序边缘检测的方法有很多,本文仅仅对5种经典常用的算子比较分析了各自的优缺点及适用范围,并对阈