CV算法:Hough Transform

  • 用途:

Line Detection by Hough transformation
Hough Transform

用来检测出可以用公式描述的形状,比如直线,圆,椭圆等等。

  • 原理

直线可以用下面的格式来描述,θ和r是直线的参数,根据下图和勾股定理即可得出。



建立参数空间(Hough Space),即θ作为横轴,r作为纵轴,对于原始图像的具体的一个点,有无数的直线穿过它,也就是有无数多个(θ,r)的值,我们将其画在参数空间上,得到一条类似正弦曲线。我们从格式也可以得知,x0cosθ + y0sinθ = r,可知这是两条正弦曲线的叠加。


对于每一个点我们都这样做会得到很多条正弦曲线,其中会有一些很明显的交点的坐标就是我们要求的直线对应的参数。

  • 具体的实现


1.预处理,使用Canny边缘检测得到一幅黑白图片。
2.对于每一个点,计算可能的参数进行累加,也就是将参数空间分割后对每个空间上参数个数分别进行计数。可能这样的计算复杂度会很高,但其实我们首先把每个格子划大一点,然后不断地细分。
3.施加阈值或者其他的限制得到有限的几对参数。
4.将无限长的直线转化为有限长的直线。

累加器

将参数空间分割成一个个小小的空间,然后每个参数对(对应一条直线)落在这个范围就进行计数。累加器的分辨率(数量多少)决定了计算出参数的精度。一般r是以像素点,θ是以度数作为单位的。
每个累加器维数由参数个数决定,比如直线有2个参数,参数空间也是2维的,累加器就是分割参数空间的,所以也是2维的。

限制无线长度直线个数

限定阈值,然后要注意有些相邻的参数可能其实在真实中是同一条直线,需要增加suppression neighborhood

无限变有限

可以在计算累加器的时候把原始的点也保存,这样可能会增加内存的使用,减少分辨率可以减少内存的使用——也就是把原始点一个间隔一个间隔地保存,而且有直线方程在,只保留x/y即可。
也可以用无限长的直线上的点反过来来搜索原图——Progressive Probabilistic Hough Transform

  • 更快的算法 PPHT(Progressive Probabilistic Hough Transform)

大致是随机选择一些点,然后还是计算累加器,超过某个阈值后的直线,再回到原图根据直线找到对应的点,看数量是否超另外一个阈值,是输出这条直线,然后继续。

  • opencv实践

参数介绍,

src_gray: Input image (grayscale). 
circles: A vector that stores sets of 3 values: x_{c}, y_{c}, r for each detected circle. 
HOUGH_GRADIENT: Define the detection method. Currently this is the only one available in OpenCV. 
dp = 1: The inverse ratio of resolution. 
min_dist = src_gray.rows/8: Minimum distance between detected centers. 
中心点最短距离,多个圆相近只要1个,增加这个参数
param_1 = 200: Upper threshold for the internal Canny edge detector. 
Canny上限,转化之前会先用Canny搞出边界,计算梯度后要用上限确定初步保留哪些边界,用200左右,具体可以用Canny函数计算后测量下。
param_2 = 100*: Threshold for center detection. 
越大需要的组成圆的点要越多,这个是最重要的参数,如果检测出很多圆来,那么增加这个可以减少
min_radius = 0: Minimum radio to be detected. If unknown, put zero as default. max_radius = 0: Maximum radius to be detected. If unknown, put zero as default.

可以将下面HoughCircles的参数20,200分别调小看会发生什么。

#include "opencv2/opencv.hpp"
#include "opencv2/highgui.hpp"
#include "opencv2/imgproc.hpp"
#include "main.h"
using namespace cv;


int main() {
    Mat src, src_gray,edges;

    src = imread("coin.jpg");

    //去噪
    GaussianBlur(src, src, Size(3, 3), 0, 0, BORDER_DEFAULT);

    cvtColor(src, src_gray, COLOR_BGR2GRAY);

    //Canny(src_gray, edges, 50, 150);
    //imshow("edges", edges);
    imshow("src1", src);

    vector<Vec3f> circles;
    HoughCircles(src_gray, circles, HOUGH_GRADIENT,1,20,150,200);
    for (auto c : circles) {
        Point center(cvRound(c[0]), cvRound(c[1]));
        int radius = cvRound(c[2]);
        circle(src, center, 3, Scalar(0, 255, 0));
        circle(src, center, radius, Scalar(0, 0, 255),2);
    }

    imshow("src2", src);

END:
    waitKey(0);
    system("pause");
    return 0;
}
  • HoughLines

HoughLinesP是线段,实际使用体验并不好,检测的结果是这样的,参数怎么调都调不好。



rho:
以像素为距离的距离分辨率
theta:
以弧度为单位的角度分辨率
threshold:
投票门限
srn:

stn:
min_theta:
max_theta = CV_PI

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