
圖像處理之Harris角度檢測算法
Harris角度檢測是通過數學計算在圖像上發現角度特征的一種算法,而且其具有旋轉不
變性的特質。OpenCV中的Shi-Tomasi角度檢測就是基于Harris角度檢測改進算法。
基本原理:
角度是一幅圖像上最明顯與重要的特征,對于一階導數而言,角度在各個方向的變化是
最大的,而邊緣區域在只是某一方向有明顯變化。一個直觀的圖示如下:
數學原理:
基本數學公式如下:
其中W(x, y)表示移動窗口,I(x, y)表示像素灰度值強度,范圍為0~255。根據泰勒級數
計算一階到N階的偏導數,最終得到一個Harris矩陣公式:
根據Harris的矩陣計算矩陣特征值,然后計算Harris角度響應值:
其中K為系數值,通常取值范圍為0.04 ~ 0.06之間。
算法詳細步驟
第一步:計算圖像X方向與Y方向的一階高斯偏導數Ix與Iy
第二步:根據第一步結果得到Ix^2 , Iy^2與Ix*Iy值
第三步:高斯模糊第二步三個值得到Sxx, Syy, Sxy
第四部:定義每個像素的Harris矩陣,計算出矩陣的兩個特質值
第五步:計算出每個像素的R值
第六步:使用3X3或者5X5的窗口,實現非最大值壓制
第七步:根據角度檢測結果計算,最提取到的關鍵點以綠色標記,顯示在原圖上。
程序關鍵代碼解讀:
第一步計算一階高斯偏導數的Ix與Iy值代碼如下:
filter.setDirectionType(GaussianDerivativeFilter.X_DIRECTION); BufferedImage xImage = filter.filter(grayImage, null); getRGB( xImage, 0, 0, width, height, inPixels ); extractPixelData(inPixels, GaussianDerivativeFilter.X_DIRECTION, height, width); filter.setDirectionType(GaussianDerivativeFilter.Y_DIRECTION); BufferedImage yImage = filter.filter(grayImage, null); getRGB( yImage, 0, 0, width, height, inPixels ); extractPixelData(inPixels, GaussianDerivativeFilter.Y_DIRECTION, height, width);
關于如何計算高斯一階與二階偏導數請看這里:
http://blog.csdn.net/jia20003/article/details/16369143
http://blog.csdn.net/jia20003/article/details/7664777
第三步:分別對第二步計算出來的三個值,單獨進行高斯
模糊計算,代碼如下:
private void calculateGaussianBlur(int width, int height) { int index = 0; int radius = (int)window_radius; double[][] gw = get2DKernalData(radius, sigma); double sumxx = 0, sumyy = 0, sumxy = 0; for(int row=0; row<height; row++) { for(int col=0; col<width; col++) { for(int subrow =-radius; subrow<=radius; subrow++) { for(int subcol=-radius; subcol<=radius; subcol++) { int nrow = row + subrow; int ncol = col + subcol; if(nrow >= height || nrow < 0) { nrow = 0; } if(ncol >= width || ncol < 0) { ncol = 0; } int index2 = nrow * width + ncol; HarrisMatrix whm = harrisMatrixList.get(index2); sumxx += (gw[subrow + radius][subcol + radius] * whm.getXGradient()); sumyy += (gw[subrow + radius][subcol + radius] * whm.getYGradient()); sumxy += (gw[subrow + radius][subcol + radius] * whm.getIxIy()); } } index = row * width + col; HarrisMatrix hm = harrisMatrixList.get(index); hm.setXGradient(sumxx); hm.setYGradient(sumyy); hm.setIxIy(sumxy); // clean up for next loop sumxx = 0; sumyy = 0; sumxy = 0; } } }
第六步:非最大信號壓制(non-max value suppression)
這個在邊源檢測中是為了得到一個像素寬的邊緣,在這里則
是為了得到準確的一個角點像素,去掉非角點值。代碼如下:
/*** * we still use the 3*3 windows to complete the non-max response value suppression */ private void nonMaxValueSuppression(int width, int height) { int index = 0; int radius = (int)window_radius; for(int row=0; row<height; row++) { for(int col=0; col<width; col++) { index = row * width + col; HarrisMatrix hm = harrisMatrixList.get(index); double maxR = hm.getR(); boolean isMaxR = true; for(int subrow =-radius; subrow<=radius; subrow++) { for(int subcol=-radius; subcol<=radius; subcol++) { int nrow = row + subrow; int ncol = col + subcol; if(nrow >= height || nrow < 0) { nrow = 0; } if(ncol >= width || ncol < 0) { ncol = 0; } int index2 = nrow * width + ncol; HarrisMatrix hmr = harrisMatrixList.get(index2); if(hmr.getR() > maxR) { isMaxR = false; } } } if(isMaxR) { hm.setMax(maxR); } } } }
運行效果:
程序完整源代碼:
package com.gloomyfish.image.harris.corner; import java.awt.image.BufferedImage; import java.util.ArrayList; import java.util.List; import com.gloomyfish.filter.study.GrayFilter; public class HarrisCornerDetector extends GrayFilter { private GaussianDerivativeFilter filter; private List<HarrisMatrix> harrisMatrixList; private double lambda = 0.04; // scope : 0.04 ~ 0.06 // i hard code the window size just keep it' size is same as // first order derivation Gaussian window size private double sigma = 1; // always private double window_radius = 1; // always public HarrisCornerDetector() { filter = new GaussianDerivativeFilter(); harrisMatrixList = new ArrayList<HarrisMatrix>(); } @Override public BufferedImage filter(BufferedImage src, BufferedImage dest) { int width = src.getWidth(); int height = src.getHeight(); initSettings(height, width); if ( dest == null ) dest = createCompatibleDestImage( src, null ); BufferedImage grayImage = super.filter(src, null); int[] inPixels = new int[width*height]; // first step - Gaussian first-order Derivatives (3 × 3) - X - gradient, (3 × 3) - Y - gradient filter.setDirectionType(GaussianDerivativeFilter.X_DIRECTION); BufferedImage xImage = filter.filter(grayImage, null); getRGB( xImage, 0, 0, width, height, inPixels ); extractPixelData(inPixels, GaussianDerivativeFilter.X_DIRECTION, height, width); filter.setDirectionType(GaussianDerivativeFilter.Y_DIRECTION); BufferedImage yImage = filter.filter(grayImage, null); getRGB( yImage, 0, 0, width, height, inPixels ); extractPixelData(inPixels, GaussianDerivativeFilter.Y_DIRECTION, height, width); // second step - calculate the Ix^2, Iy^2 and Ix^Iy for(HarrisMatrix hm : harrisMatrixList) { double Ix = hm.getXGradient(); double Iy = hm.getYGradient(); hm.setIxIy(Ix * Iy); hm.setXGradient(Ix*Ix); hm.setYGradient(Iy*Iy); } // 基于高斯方法,中心點化窗口計算一階導數和,關鍵一步 SumIx2, SumIy2 and SumIxIy, 高斯模糊 calculateGaussianBlur(width, height); // 求取Harris Matrix 特征值 // 計算角度相應值R R= Det(H) - lambda * (Trace(H))^2 harrisResponse(width, height); // based on R, compute non-max suppression nonMaxValueSuppression(width, height); // match result to original image and highlight the key points int[] outPixels = matchToImage(width, height, src); // return result image setRGB( dest, 0, 0, width, height, outPixels ); return dest; } private int[] matchToImage(int width, int height, BufferedImage src) { int[] inPixels = new int[width*height]; int[] outPixels = new int[width*height]; getRGB( src, 0, 0, width, height, inPixels ); int index = 0; for(int row=0; row<height; row++) { int ta = 0, tr = 0, tg = 0, tb = 0; for(int col=0; col<width; col++) { index = row * width + col; ta = (inPixels[index] >> 24) & 0xff; tr = (inPixels[index] >> 16) & 0xff; tg = (inPixels[index] >> 8) & 0xff; tb = inPixels[index] & 0xff; HarrisMatrix hm = harrisMatrixList.get(index); if(hm.getMax() > 0) { tr = 0; tg = 255; // make it as green for corner key pointers tb = 0; outPixels[index] = (ta << 24) | (tr << 16) | (tg << 8) | tb; } else { outPixels[index] = (ta << 24) | (tr << 16) | (tg << 8) | tb; } } } return outPixels; } /*** * we still use the 3*3 windows to complete the non-max response value suppression */ private void nonMaxValueSuppression(int width, int height) { int index = 0; int radius = (int)window_radius; for(int row=0; row<height; row++) { for(int col=0; col<width; col++) { index = row * width + col; HarrisMatrix hm = harrisMatrixList.get(index); double maxR = hm.getR(); boolean isMaxR = true; for(int subrow =-radius; subrow<=radius; subrow++) { for(int subcol=-radius; subcol<=radius; subcol++) { int nrow = row + subrow; int ncol = col + subcol; if(nrow >= height || nrow < 0) { nrow = 0; } if(ncol >= width || ncol < 0) { ncol = 0; } int index2 = nrow * width + ncol; HarrisMatrix hmr = harrisMatrixList.get(index2); if(hmr.getR() > maxR) { isMaxR = false; } } } if(isMaxR) { hm.setMax(maxR); } } } } /*** * 計算兩個特征值,然后得到R,公式如下,可以自己推導,關于怎么計算矩陣特征值,請看這里: * http://www.sosmath.com/matrix/eigen1/eigen1.html * * A = Sxx; * B = Syy; * C = Sxy*Sxy*4; * lambda = 0.04; * H = (A*B - C) - lambda*(A+B)^2; * * @param width * @param height */ private void harrisResponse(int width, int height) { int index = 0; for(int row=0; row<height; row++) { for(int col=0; col<width; col++) { index = row * width + col; HarrisMatrix hm = harrisMatrixList.get(index); double c = hm.getIxIy() * hm.getIxIy(); double ab = hm.getXGradient() * hm.getYGradient(); double aplusb = hm.getXGradient() + hm.getYGradient(); double response = (ab -c) - lambda * Math.pow(aplusb, 2); hm.setR(response); } } } private void calculateGaussianBlur(int width, int height) { int index = 0; int radius = (int)window_radius; double[][] gw = get2DKernalData(radius, sigma); double sumxx = 0, sumyy = 0, sumxy = 0; for(int row=0; row<height; row++) { for(int col=0; col<width; col++) { for(int subrow =-radius; subrow<=radius; subrow++) { for(int subcol=-radius; subcol<=radius; subcol++) { int nrow = row + subrow; int ncol = col + subcol; if(nrow >= height || nrow < 0) { nrow = 0; } if(ncol >= width || ncol < 0) { ncol = 0; } int index2 = nrow * width + ncol; HarrisMatrix whm = harrisMatrixList.get(index2); sumxx += (gw[subrow + radius][subcol + radius] * whm.getXGradient()); sumyy += (gw[subrow + radius][subcol + radius] * whm.getYGradient()); sumxy += (gw[subrow + radius][subcol + radius] * whm.getIxIy()); } } index = row * width + col; HarrisMatrix hm = harrisMatrixList.get(index); hm.setXGradient(sumxx); hm.setYGradient(sumyy); hm.setIxIy(sumxy); // clean up for next loop sumxx = 0; sumyy = 0; sumxy = 0; } } } public double[][] get2DKernalData(int n, double sigma) { int size = 2*n +1; double sigma22 = 2*sigma*sigma; double sigma22PI = Math.PI * sigma22; double[][] kernalData = new double[size][size]; int row = 0; for(int i=-n; i<=n; i++) { int column = 0; for(int j=-n; j<=n; j++) { double xDistance = i*i; double yDistance = j*j; kernalData[row][column] = Math.exp(-(xDistance + yDistance)/sigma22)/sigma22PI; column++; } row++; } // for(int i=0; i<size; i++) { // for(int j=0; j<size; j++) { // System.out.print("\t" + kernalData[i][j]); // } // System.out.println(); // System.out.println("\t ---------------------------"); // } return kernalData; } private void extractPixelData(int[] pixels, int type, int height, int width) { int index = 0; for(int row=0; row<height; row++) { int ta = 0, tr = 0, tg = 0, tb = 0; for(int col=0; col<width; col++) { index = row * width + col; ta = (pixels[index] >> 24) & 0xff; tr = (pixels[index] >> 16) & 0xff; tg = (pixels[index] >> 8) & 0xff; tb = pixels[index] & 0xff; HarrisMatrix matrix = harrisMatrixList.get(index); if(type == GaussianDerivativeFilter.X_DIRECTION) { matrix.setXGradient(tr); } if(type == GaussianDerivativeFilter.Y_DIRECTION) { matrix.setYGradient(tr); } } } } private void initSettings(int height, int width) { int index = 0; for(int row=0; row<height; row++) { for(int col=0; col<width; col++) { index = row * width + col; HarrisMatrix matrix = new HarrisMatrix(); harrisMatrixList.add(index, matrix); } } } }
數據分析咨詢請掃描二維碼
若不方便掃碼,搜微信號:CDAshujufenxi
解碼數據基因:從數字敏感度到邏輯思維 每當看到超市貨架上商品的排列變化,你是否會聯想到背后的銷售數據波動?三年前在零售行 ...
2025-05-23在本文中,我們將探討 AI 為何能夠加速數據分析、如何在每個步驟中實現數據分析自動化以及使用哪些工具。 數據分析中的AI是什么 ...
2025-05-20當數據遇見人生:我的第一個分析項目 記得三年前接手第一個數據分析項目時,我面對Excel里密密麻麻的銷售數據手足無措。那些跳動 ...
2025-05-20在數字化運營的時代,企業每天都在產生海量數據:用戶點擊行為、商品銷售記錄、廣告投放反饋…… 這些數據就像散落的拼圖,而相 ...
2025-05-19在當今數字化營銷時代,小紅書作為國內領先的社交電商平臺,其銷售數據蘊含著巨大的商業價值。通過對小紅書銷售數據的深入分析, ...
2025-05-16Excel作為最常用的數據分析工具,有沒有什么工具可以幫助我們快速地使用excel表格,只要輕松幾步甚至輸入幾項指令就能搞定呢? ...
2025-05-15數據,如同無形的燃料,驅動著現代社會的運轉。從全球互聯網用戶每天產生的2.5億TB數據,到制造業的傳感器、金融交易 ...
2025-05-15大數據是什么_數據分析師培訓 其實,現在的大數據指的并不僅僅是海量數據,更準確而言是對大數據分析的方法。傳統的數 ...
2025-05-14CDA持證人簡介: 萬木,CDA L1持證人,某電商中廠BI工程師 ,5年數據經驗1年BI內訓師,高級數據分析師,擁有豐富的行業經驗。 ...
2025-05-13CDA持證人簡介: 王明月 ,CDA 數據分析師二級持證人,2年數據產品工作經驗,管理學博士在讀。 學習入口:https://edu.cda.cn/g ...
2025-05-12CDA持證人簡介: 楊貞璽 ,CDA一級持證人,鄭州大學情報學碩士研究生,某上市公司數據分析師。 學習入口:https://edu.cda.cn/g ...
2025-05-09CDA持證人簡介 程靖 CDA會員大咖,暢銷書《小白學產品》作者,13年頂級互聯網公司產品經理相關經驗,曾在百度、美團、阿里等 ...
2025-05-07相信很多做數據分析的小伙伴,都接到過一些高階的數據分析需求,實現的過程需要用到一些數據獲取,數據清洗轉換,建模方法等,這 ...
2025-05-06以下的文章內容來源于劉靜老師的專欄,如果您想閱讀專欄《10大業務分析模型突破業務瓶頸》,點擊下方鏈接 https://edu.cda.cn/g ...
2025-04-30CDA持證人簡介: 邱立峰 CDA 數據分析師二級持證人,數字化轉型專家,數據治理專家,高級數據分析師,擁有豐富的行業經驗。 ...
2025-04-29CDA持證人簡介: 程靖 CDA會員大咖,暢銷書《小白學產品》作者,13年頂級互聯網公司產品經理相關經驗,曾在百度,美團,阿里等 ...
2025-04-28CDA持證人簡介: 居瑜 ,CDA一級持證人國企財務經理,13年財務管理運營經驗,在數據分析就業和實踐經驗方面有著豐富的積累和經 ...
2025-04-27數據分析在當今信息時代發揮著重要作用。單因素方差分析(One-Way ANOVA)是一種關鍵的統計方法,用于比較三個或更多獨立樣本組 ...
2025-04-25CDA持證人簡介: 居瑜 ,CDA一級持證人國企財務經理,13年財務管理運營經驗,在數據分析就業和實踐經驗方面有著豐富的積累和經 ...
2025-04-25在當今數字化時代,數據分析師的重要性與日俱增。但許多人在踏上這條職業道路時,往往充滿疑惑: 如何成為一名數據分析師?成為 ...
2025-04-24