Hough變換原理

Hough變換原理

　　

一、簡單介紹

Hough變換是圖像進行中從圖像中識别幾何形狀的基本方法之一。Hough變換的基本原理在于利用點與線的對偶性，将原始圖像空間的給定的曲線通過曲線表達形式變為參數空間的一個點。這樣就把原始圖像中給定曲線的檢測問題轉化為尋找參數空間中的峰值問題。也即把檢測整體特性轉化為檢測局部特性。比如直線、橢圓、圓、弧線等。

二、Hough變換的基本思想

設已知一黑白圖像上畫了一條直線，要求出這條直線所在的位置。我們知道，直線的方程可以用y=k*x+b 來表示，其中k和b是參數，分别是斜率和截距。過某一點(x0,y0)的所有直線的參數都會滿足方程y0=kx0+b。即點(x0,y0)确定了一族直線。方程y0=kx0+b在參數k--b平面上是一條直線，(你也可以是方程b=-x0*k+y0對應的直線)。這樣，圖像x--y平面上的一個前景像素點就對應到參數平面上的一條直線。我們舉個例子說明解決前面那個問題的原理。設圖像上的直線是y=x, 我們先取上面的三個點：A(0,0), B(1,1), C(22)。可以求出，過A點的直線的參數要滿足方程b=0, 過B點的直線的參數要滿足方程1=k+b, 過C點的直線的參數要滿足方程2=2k+b, 這三個方程就對應着參數平面上的三條直線，而這三條直線會相交于一點(k=1,b=0)。　同理，原圖像上直線y=x上的其它點(如(3,3),(4,4)等)　對應參數平面上的直線也會通過點(k=1,b=0)。這個性質就為我們解決問題提供了方法，就是把圖像平面上的點對應到參數平面上的線，最後通過統計特性來解決問題。假如圖像平面上有兩條直線，那麼最終在參數平面上就會看到兩個峰值點，依此類推。

簡而言之，Hough變換思想為：在原始圖像坐标系下的一個點對應了參數坐标系中的一條直線，同樣參數坐标系的一條直線對應了原始坐标系下的一個點，然後，原始坐标系下呈現直線的所有點，它們的斜率和截距是相同的，是以它們在參數坐标系下對應于同一個點。這樣在将原始坐标系下的各個點投影到參數坐标系下之後，看參數坐标系下有沒有聚集點，這樣的聚集點就對應了原始坐标系下的直線。

在實際應用中，y=k*x+b形式的直線方程沒有辦法表示x=c形式的直線(這時候，直線的斜率為無窮大)。是以實際應用中，是采用參數方程p=x*cos(theta)+y*sin(theta)。這樣，圖像平面上的一個點就對應到參數p---theta平面上的一條曲線上，其它的還是一樣。

三、Hough變換推廣

1、已知半徑的圓

    其實Hough變換可以檢測任意的已知表達形式的曲線，關鍵是看其參數空間的選擇，參數空間的選擇可以根據它的表達形式而定。比如圓的表達形式為 ，是以當檢測某一半徑的圓的時候，可以選擇與原圖像空間同樣的空間作為參數空間。那麼圓圖像空間中的一個圓對應了參數空間中的一個點，參數空間中的一個點對應了圖像空間中的一個圓，圓圖像空間中在同一個圓上的點，它們的參數相同即a，b相同，那麼它們在參數空間中的對應的圓就會過同一個點（a，b），是以，将原圖像空間中的所有點變換到參數空間後，根據參數空間中點的聚集程度就可以判斷出圖像空間中有沒有近似于圓的圖形。如果有的話，這個參數就是圓的參數。

2、未知半徑的圓

    對于圓的半徑未知的情況下，可以看作是有三個參數的圓的檢測，中心和半徑。這個時候原理仍然相同，隻是參數空間的維數升高，計算量增大。圖像空間中的任意一個點都對應了參數空間中的一簇圓曲線。 ，其實是一個圓錐型。參數空間中的任意一個點對應了圖像空間中的一個圓。

3、橢圓

橢圓有5個自由參數，是以它的參數空間是5維的，是以他的計算量非常大，是以提出了許多的改進算法。

四、總結

圖像空間中的在同一個圓，直線，橢圓上的點，每一個點都對應了參數空間中的一個圖形，在圖像空間中這些點都滿足它們的方程這一個條件，是以這些點，每個投影後得到的圖像都會經過這個參數空間中的點。也就是在參數空間中它們會相交于一點。是以，當參數空間中的這個相交點的越大的話，那麼說明元圖像空間中滿足這個參數的圖形越飽滿。越象我們要檢測的東西。

       Hough變換能夠查找任意的曲線，隻要你給定它的方程。Hough變換在檢驗已知形狀的目标方面具有受曲線間斷影響小和不受圖形旋轉的影響的優點，即使目标有稍許缺損或污染也能被正确識别。