1. 場(chǎng)景需求

在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域，我們經(jīng)常需要做一些特殊的任務(wù)，而這些任務(wù)中經(jīng)常會(huì)用到直線檢測(cè)算法，比如車(chē)道線檢測(cè)、長(zhǎng)度測(cè)量等。盡管直線檢測(cè)的任務(wù)看起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但是在具體的應(yīng)用過(guò)程中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這里面還是有很大的優(yōu)化空間，本文對(duì)常用的一些比較經(jīng)典的直線檢測(cè)算法進(jìn)行匯總。

2. Hough_line直線檢測(cè)算法

Hough變換是一個(gè)比較有名的計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理算法，該算法可以用來(lái)做很多的任務(wù)，常用的任務(wù)包括直線檢測(cè)、圓檢測(cè)、橢圓檢測(cè)等，下面我們將對(duì)該算法進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析并進(jìn)行代碼實(shí)戰(zhàn)。

2.1 Hough_line實(shí)現(xiàn)步驟

步驟1-首先，它創(chuàng)建一個(gè)二維數(shù)組或累加器（用于保存兩個(gè)參數(shù)的值），并將其初始設(shè)置為零；

步驟2-用r來(lái)表示行，用θ來(lái)表示列；

步驟3-數(shù)組的大小取決于你所需要的精度。假設(shè)您希望角度的精度為1度，則需要180列（直線的最大度數(shù)為180）；

步驟4-對(duì)于r，可能的最大距離是圖像的對(duì)角線長(zhǎng)度。因此，取一個(gè)像素精度，行數(shù)可以是圖像的對(duì)角線長(zhǎng)度。

2.2 Hough_line代碼實(shí)戰(zhàn)

2.3 效果展示與分析

上圖展示了一些Hough_line算法的直線檢測(cè)效果。為了驗(yàn)證該算法的有效性，我選擇了3個(gè)不同的具有挑戰(zhàn)性的場(chǎng)景，建筑物、答題卡和門(mén)。通過(guò)觀察上面的結(jié)果我們可以知道該算法基本上能夠檢測(cè)出圖中的直線，但是檢測(cè)的結(jié)果并不是很好，有很多重復(fù)和漏檢的情況。除此之外，該算法最大的缺點(diǎn)就是需要根據(jù)圖片去調(diào)節(jié)參數(shù)，關(guān)鍵的參數(shù)是lines = cv2.HoughLines(edges,1,np.pi/180, 200) 中的200，該值設(shè)置的越大圖片中檢測(cè)出來(lái)的直線數(shù)量會(huì)越少，你需要根據(jù)你自己的測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.4 HoughP_line代碼實(shí)戰(zhàn)

HoughP_line是Hough_line算法的改進(jìn)版，具有更快的速度和更好的效果。

2.5 效果展示與分析

上圖展示了一些HoughP_line算法的直線檢測(cè)效果。上圖都是使用lines = cv2.HoughLinesP(edges,1,np.pi/180, 80, 30, 10) 這個(gè)固定的參數(shù)來(lái)計(jì)算出結(jié)果的，通過(guò)觀察我們可以發(fā)現(xiàn)，HoughLinesP不僅使用起來(lái)比較方便，基本上不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)參數(shù)；除此之外，該算法能夠獲得更好的直線檢測(cè)效果。因此，當(dāng)你想用Hough直線檢測(cè)算法，建議你優(yōu)先使用HoughP_line算法。

3.?LSD直線檢測(cè)算法

LSD是opencv中集成的一個(gè)直線檢測(cè)算法，該算法的直線檢測(cè)效果優(yōu)于Hough算法，而且具有較好的檢測(cè)速度，推薦使用。

3.1 LSD算法簡(jiǎn)介

LSD快速直線檢測(cè)算法是由Rafael Grompone、Jeremie Jackbowicz、Jean-Michel Morel于2010年發(fā)表在PAMI上的文獻(xiàn)《LSD:a Line Segment Dectctor》中提出的，該算法時(shí)間復(fù)雜度較霍夫變換低。LSD算法通過(guò)對(duì)圖像局部分析，得出直線的像素點(diǎn)集，再通過(guò)假設(shè)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證求解，將像素點(diǎn)集合與誤差控制集合合并，進(jìn)而自適應(yīng)控制誤檢的數(shù)量 。一般來(lái)說(shuō)，要檢測(cè)圖像中的直線，最基本的思想是檢測(cè)圖像中梯度變化較大的像素點(diǎn)集，LSD算法也正是利用梯度信息和行列線（level-line）來(lái)進(jìn)行直線檢測(cè)的。

3.2 LSD代碼實(shí)戰(zhàn)

3.3 效果展示與分析

上圖展示了一些LSD算法的直線檢測(cè)效果。通過(guò)觀察上面的結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)該算法的檢測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Hough和HoughP算法；除此之外，上述的檢測(cè)結(jié)果都是使用LSD算法的默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行執(zhí)行，如果針對(duì)特定的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以取得更好的結(jié)果，這種情況一般是在你的特定需求場(chǎng)景中對(duì)默認(rèn)的一些參數(shù)進(jìn)行微調(diào)操作，往往能獲得意想不到的結(jié)果。

上圖展示了LSD直線檢測(cè)算法的一些超參數(shù)，具體的細(xì)節(jié)請(qǐng)看該鏈接。需要說(shuō)明的是該算法具有3中不同的模式，具體的模式如下圖所示，默認(rèn)情況下使用模式2（即1），但是經(jīng)過(guò)測(cè)試我發(fā)現(xiàn)模式1（即0）通常輸出的效果會(huì)更好一些，具體的情況需要你根據(jù)你的場(chǎng)景進(jìn)行分析。

4.?FLD直線檢測(cè)算法

4.1 FLD算法簡(jiǎn)介

FLD直線檢測(cè)算法是在該論文中被引入的，該論文中嘗試著使用直線特征來(lái)代替原始的SURF點(diǎn)特征進(jìn)行建筑物識(shí)別。與點(diǎn)特征進(jìn)行相比，線特征具有更容易發(fā)現(xiàn)和更好的魯棒性，線特征基本上不會(huì)受到光照、遮擋、視角變化的影響。下面展示了該算法的直線檢測(cè)效果，從圖中我們可以看出，線特征比點(diǎn)特征更好一些。

4.2 FLD算法代碼實(shí)戰(zhàn)

4.3 效果展示與分析

上圖展示了FLD直線檢測(cè)算法的檢測(cè)效果。通過(guò)觀察我們可以發(fā)現(xiàn)該算法具有很好的檢測(cè)效果，基本上可以檢測(cè)出圖中所有的直線，和LSD的性能類(lèi)似，具體使用哪種算法需要你根據(jù)自己的應(yīng)用場(chǎng)景去進(jìn)行選擇。

5.?EDlines直線檢測(cè)算法

5.1 EDlines算法簡(jiǎn)介

EDlines直線檢測(cè)算法是在該論文中提出的。本文提出了一個(gè)快速、無(wú)參數(shù)的線段檢測(cè)器，命名為EDLines (Akinlar and Topal, 2011)，它產(chǎn)生強(qiáng)大的和準(zhǔn)確的結(jié)果，比最快的已知線段檢測(cè)器速度更快，達(dá)到11倍；換句話(huà)說(shuō)，the LSD by Grompone von Gioi et al. (2008a,b, 2010). 我們的探測(cè)器還包括一個(gè)線的驗(yàn)證步驟定于亥姆霍茲原理Helmholtz principle (Desolneux et al., 2008)，這讓它控制錯(cuò)誤檢測(cè)的數(shù)量。EDLines得到的結(jié)果，我們看到的是，LSD非常相似，有所有主要的線段檢測(cè)，并有極少數(shù)誤報(bào)。此外， EDLines運(yùn)行實(shí)時(shí)以炫目的速度為9.45毫秒，約10倍的速度比LSD對(duì)給定的圖像。

5.2 EDlines算法實(shí)現(xiàn)步驟

步驟1-首先，給定一個(gè)灰度圖像，運(yùn)行新的邊緣檢測(cè)、邊緣繪制（ED）算法，產(chǎn)生一套干凈的，像素相鄰的鏈，我們稱(chēng)之為邊緣。邊緣線段直觀地反應(yīng)對(duì)象的邊界。

步驟2-然后，利用直線度準(zhǔn)則，即最小二乘直線擬合法，從生成的像素鏈中提取線段。

步驟3-最后，線的驗(yàn)證步驟定于亥姆霍茲原理Helmholtz principle (Desolneux et al., 2008; Grompone von Gioi et al.,2008a)是用來(lái)消除虛假線段的檢測(cè)。

5.3?效果展示與分析

上圖展示了EDlines直線檢測(cè)算法的檢測(cè)效果。通過(guò)上面的觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)：1）該算法能獲得和LSD類(lèi)似的檢測(cè)結(jié)果；2）該算法抑制了一部分小的誤檢的直線；3）該算法具有更快的運(yùn)行速度，是LSD的10倍左右。

6.?LSWMS直線檢測(cè)算法

6.1 LSWMS算法簡(jiǎn)介

LSWMS是一個(gè)直線檢測(cè)算法。本文介紹了一種精確且實(shí)時(shí)的直線檢測(cè)方法。以前的直線檢測(cè)方法都沒(méi)有使用到圖像場(chǎng)景的先驗(yàn)知識(shí)，因而不需要對(duì)輸入的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。該算法在檢測(cè)精度和檢測(cè)速度之間進(jìn)行了折中，文中使用了一個(gè)高效的采樣方法來(lái)進(jìn)行加速處理，然后，文中使用一種快速的直線增長(zhǎng)算法基于bresenham算法用改進(jìn)的mean-shift算法提供精確的線段，同時(shí)保持穩(wěn)健對(duì)抗噪音。測(cè)試了該策略的性能對(duì)于各種各樣的圖像，將其結(jié)果與流行的最新線段檢測(cè)方法。結(jié)果表明，我們的建議優(yōu)于這些工作同時(shí)考慮了結(jié)果和處理速度。

上圖展示的是LSWMS論文中的結(jié)果。如果感興趣的讀者可以去運(yùn)行在本文的3張測(cè)試圖片上面的效果。

7.?CannyLines直線檢測(cè)算法

7.1 CannyLines算法簡(jiǎn)介

CannyLines算法在該論文中被提出。本文提出了一種魯棒的線段檢測(cè)算法，有效地檢測(cè)出輸入圖像中的線段。首先，提出了一種無(wú)參數(shù)canny算子cannypf，通過(guò)自適應(yīng)地設(shè)置傳統(tǒng)canny算子的低閾值和高閾值，從輸入圖像中穩(wěn)健地提取邊緣映射。其次，提出了直接從邊緣地圖中提取共線點(diǎn)簇的有效像素連接和分割技術(shù)，并基于最小二乘法對(duì)初始線段進(jìn)行擬合。第三，通過(guò)有效的擴(kuò)展和合并，生成更長(zhǎng)、更完整的線段。最后，根據(jù)helmholtz原理對(duì)檢測(cè)到的所有線段進(jìn)行了驗(yàn)證，該原理同時(shí)考慮了梯度方向和幅度信息。在一組有代表性的圖像上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與常用的兩種線段檢測(cè)器lsd和edline相比，我們提出的cannyline線段檢測(cè)器能夠提取出更有意義的線段，特別是在人造場(chǎng)景中。

7.2?效果展示與分析

上圖展示了CannyLines直線檢測(cè)算法的檢測(cè)效果。通過(guò)觀察上圖我們可以發(fā)現(xiàn)該算法能夠獲得更加準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，具有更少的誤檢。該算法主要是提高了邊緣檢測(cè)的效果，具體的效果如下所示：

8.?MCMLSD直線檢測(cè)算法

8.1 MCMLSD算法簡(jiǎn)介

MCMLSD算法出自于該論文。論文中提出了一個(gè)融合兩者優(yōu)點(diǎn)的概率算法。在第一階段，使用全局概率hough方法。在第二階段，在圖像域中分析每個(gè)檢測(cè)到的行，以定位在霍夫圖中生成峰值的線段。通過(guò)將搜索限制在一條直線上，線段的分布線上的點(diǎn)序列可以被建模為馬爾可夫鏈和概率最優(yōu)標(biāo)簽使用標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法精確計(jì)算，在線性時(shí)間內(nèi)。馬爾可夫假設(shè)同時(shí)也產(chǎn)生了一種直觀的排名方法，它使用估計(jì)期望值的邊際后驗(yàn)概率線段上正確標(biāo)記的點(diǎn)的數(shù)目。評(píng)估由此產(chǎn)生的馬爾可夫鏈邊緣線段檢測(cè)器（mcmlsd）我們開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了一種新的定量方法控制分段不足和分段過(guò)量的評(píng)估方法。在YorkUrbanDB數(shù)據(jù)集的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，所提出的MCMLSD方法優(yōu)于以相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)達(dá)到最先進(jìn)水平。

8.2?效果展示與分析

上圖展示了MCMLSD算法的檢測(cè)效果。通過(guò)上面的觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)該算法取得了很好的檢測(cè)效果，但是美中不足的是該算法的運(yùn)行速度比較慢，可能也和matlab代碼有關(guān)吧。

9.?LSM直線檢測(cè)算法

9.1 LSM算法簡(jiǎn)介

LSM算法不僅僅是一個(gè)直線檢測(cè)算法，同時(shí)也是一個(gè)直線合并算法。論文中提出了一種合并這些斷開(kāi)的線段的算法，以恢復(fù)原始的感知準(zhǔn)確的線段。該算法根據(jù)角度和空間接近度對(duì)線段進(jìn)行分組。然后將每組中滿(mǎn)足新的自適應(yīng)合并準(zhǔn)則的線段對(duì)依次合并成一條線段。重復(fù)此過(guò)程，直到不再合并行段。我們還提出了一種定量比較線段檢測(cè)算法的方法。在york-urban數(shù)據(jù)集上的結(jié)果表明，與最新的線段檢測(cè)算法相比，我們的合并線段更接近人類(lèi)標(biāo)記的地面真線段。

9.2?效果展示與分析

上圖展示了直線檢測(cè)算法LSM的檢測(cè)效果。左邊一列表示的是LSD的檢測(cè)結(jié)果，右邊一列表示的是LSM算法的優(yōu)化效果，圖中不同的顏色表示不同的直線。通過(guò)上面的觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)LSM可以將一些間斷的直線合并成一條更長(zhǎng)的直線，這在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中具有很大的用處，但是我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)LSM算法會(huì)錯(cuò)誤的將一些直線進(jìn)行合并，會(huì)造成一些誤差。

10. 總結(jié)

本文對(duì)比較經(jīng)典的直線檢測(cè)算法進(jìn)行了總結(jié)和分析。對(duì)于直線檢測(cè)這個(gè)任務(wù)而言，它在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中具有很多的應(yīng)用，對(duì)于一個(gè)具體的場(chǎng)景，你可以根據(jù)自己的需要從本文中選擇出一個(gè)合適的直線檢測(cè)算法進(jìn)行應(yīng)用，如果你的場(chǎng)景比較簡(jiǎn)單，HoughP_line算法可能就可以滿(mǎn)足你的要求；如果你同時(shí)對(duì)速度和精度有要求，可以選擇使用EDlines等；如果你需要獲得盡可能長(zhǎng)的直線，那么建議你使用LSM直線檢測(cè)算法?？偠灾?，最適合你的場(chǎng)景的算法才是最好的算法。

編輯：黃飛

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