如何在OpenCV中使用基于深度學(xué)習(xí)的邊緣檢測(cè)？

什么是邊緣檢測(cè)？

邊緣檢測(cè)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)中一個(gè)非常古老的問(wèn)題，它涉及到檢測(cè)圖像中的邊緣來(lái)確定目標(biāo)的邊界，從而分離感興趣的目標(biāo)。最流行的邊緣檢測(cè)技術(shù)之一是Canny邊緣檢測(cè)，它已經(jīng)成為大多數(shù)計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究人員和實(shí)踐者的首選方法。讓我們快速看一下Canny邊緣檢測(cè)。

Canny邊緣檢測(cè)算法

1983年，John Canny在麻省理工學(xué)院發(fā)明了Canny邊緣檢測(cè)。它將邊緣檢測(cè)視為一個(gè)信號(hào)處理問(wèn)題。其核心思想是，如果你觀察圖像中每個(gè)像素的強(qiáng)度變化，它在邊緣的時(shí)候非常高。

在下面這張簡(jiǎn)單的圖片中，強(qiáng)度變化只發(fā)生在邊界上。所以，你可以很容易地通過(guò)觀察像素強(qiáng)度的變化來(lái)識(shí)別邊緣。

現(xiàn)在，看下這張圖片。強(qiáng)度不是恒定的，但強(qiáng)度的變化率在邊緣處最高。(微積分復(fù)習(xí)：變化率可以用一階導(dǎo)數(shù)(梯度)來(lái)計(jì)算。)

Canny邊緣檢測(cè)器通過(guò)4步來(lái)識(shí)別邊緣：

去噪：因?yàn)檫@種方法依賴于強(qiáng)度的突然變化，如果圖像有很多隨機(jī)噪聲，那么會(huì)將噪聲作為邊緣。所以，使用5×5的高斯濾波器平滑你的圖像是一個(gè)非常好的主意。

梯度計(jì)算：下一步，我們計(jì)算圖像中每個(gè)像素的強(qiáng)度的梯度(強(qiáng)度變化率)。我們也計(jì)算梯度的方向。

梯度方向垂直于邊緣，它被映射到四個(gè)方向中的一個(gè)(水平、垂直和兩個(gè)對(duì)角線方向)。

非極大值抑制：現(xiàn)在，我們想刪除不是邊緣的像素(設(shè)置它們的值為0)。你可能會(huì)說(shuō)，我們可以簡(jiǎn)單地選取梯度值最高的像素，這些就是我們的邊。然而，在真實(shí)的圖像中，梯度不是簡(jiǎn)單地在只一個(gè)像素處達(dá)到峰值，而是在臨近邊緣的像素處都非常高。因此我們?cè)谔荻确较蛏先?×3附近的局部最大值。

遲滯閾值化：在下一步中，我們需要決定一個(gè)梯度的閾值，低于這個(gè)閾值所有的像素都將被抑制(設(shè)置為0)。而Canny邊緣檢測(cè)器則采用遲滯閾值法。遲滯閾值法是一種非常簡(jiǎn)單而有效的方法。我們使用兩個(gè)閾值來(lái)代替只用一個(gè)閾值：

高閾值 = 選擇一個(gè)非常高的值，這樣任何梯度值高于這個(gè)值的像素都肯定是一個(gè)邊緣。

低閾值 = 選擇一個(gè)非常低的值，任何梯度值低于該值的像素絕對(duì)不是邊緣。

在這兩個(gè)閾值之間有梯度的像素會(huì)被檢查，如果它們和邊緣相連，就會(huì)留下，否則就會(huì)去掉。

遲滯閾值化

Canny 邊緣檢測(cè)的問(wèn)題：

由于Canny邊緣檢測(cè)器只關(guān)注局部變化，沒(méi)有語(yǔ)義(理解圖像的內(nèi)容)理解，精度有限(很多時(shí)候是這樣)。

Canny邊緣檢測(cè)器在這種情況下會(huì)失敗，因?yàn)闆](méi)有理解圖像的上下文

語(yǔ)義理解對(duì)于邊緣檢測(cè)是至關(guān)重要的，這就是為什么使用機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)的基于學(xué)習(xí)的檢測(cè)器比canny邊緣檢測(cè)器產(chǎn)生更好的結(jié)果。

OpenCV中基于深度學(xué)習(xí)的邊緣檢測(cè)

OpenCV在其全新的DNN模塊中集成了基于深度學(xué)習(xí)的邊緣檢測(cè)技術(shù)。你需要OpenCV 3.4.3或更高版本。這種技術(shù)被稱為整體嵌套邊緣檢測(cè)或HED，是一種基于學(xué)習(xí)的端到端邊緣檢測(cè)系統(tǒng)，使用修剪過(guò)的類似vgg的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像到圖像的預(yù)測(cè)任務(wù)。

HED利用了中間層的輸出。之前的層的輸出稱為side output，將所有5個(gè)卷積層的輸出進(jìn)行融合，生成最終的預(yù)測(cè)。由于在每一層生成的特征圖大小不同，它可以有效地以不同的尺度查看圖像。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：整體嵌套邊緣檢測(cè)

HED方法不僅比其他基于深度學(xué)習(xí)的方法更準(zhǔn)確，而且速度也比其他方法快得多。這就是為什么OpenCV決定將其集成到新的DNN模塊中。以下是這篇論文的結(jié)果：

在OpenCV中訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)邊緣檢測(cè)的代碼

OpenCV使用的預(yù)訓(xùn)練模型已經(jīng)在Caffe框架中訓(xùn)練過(guò)了，可以這樣加載：

shdownload_pretrained.sh

網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)crop層，默認(rèn)是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的，所以我們需要自己實(shí)現(xiàn)一下。

classCropLayer(object):
def__init__(self,params,blobs):
self.xstart=0
self.xend=0
self.ystart=0
self.yend=0

#Ourlayerreceivestwoinputs.Weneedtocropthefirstinputblob
#tomatchashapeofthesecondone(keepingbatchsizeandnumberofchannels)
defgetMemoryShapes(self,inputs):
inputShape,targetShape=inputs[0],inputs[1]
batchSize,numChannels=inputShape[0],inputShape[1]
height,width=targetShape[2],targetShape[3]

self.ystart=(inputShape[2]-targetShape[2])//2
self.xstart=(inputShape[3]-targetShape[3])//2
self.yend=self.ystart+height
self.xend=self.xstart+width

return[[batchSize,numChannels,height,width]]

defforward(self,inputs):
return[inputs[0][:,:,self.ystart:self.yend,self.xstart:self.xend]]

現(xiàn)在，我們可以重載這個(gè)類，只需用一行代碼注冊(cè)該層。

cv.dnn_registerLayer('Crop',CropLayer)

現(xiàn)在，我們準(zhǔn)備構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)圖并加載權(quán)重，這可以通過(guò)OpenCV的dnn.readNe函數(shù)。

net=cv.dnn.readNet(args.prototxt,args.caffemodel)

現(xiàn)在，下一步是批量加載圖像，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行它們。為此，我們使用cv2.dnn.blobFromImage方法。該方法從輸入圖像中創(chuàng)建四維blob。

blob=cv.dnn.blobFromImage(image,scalefactor,size,mean,swapRB,crop)

其中：

image：是我們想要發(fā)送給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推理的輸入圖像。

scalefactor：圖像縮放常數(shù)，很多時(shí)候我們需要把uint8的圖像除以255，這樣所有的像素都在0到1之間。默認(rèn)值是1.0，不縮放。

size：輸出圖像的空間大小。它將等于后續(xù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為blobFromImage輸出所需的輸入大小。

swapRB：布爾值，表示我們是否想在3通道圖像中交換第一個(gè)和最后一個(gè)通道。OpenCV默認(rèn)圖像為BGR格式，但如果我們想將此順序轉(zhuǎn)換為RGB，我們可以將此標(biāo)志設(shè)置為True，這也是默認(rèn)值。

mean：為了進(jìn)行歸一化，有時(shí)我們計(jì)算訓(xùn)練數(shù)據(jù)集上的平均像素值，并在訓(xùn)練過(guò)程中從每幅圖像中減去它。如果我們?cè)谟?xùn)練中做均值減法，那么我們必須在推理中應(yīng)用它。這個(gè)平均值是一個(gè)對(duì)應(yīng)于R, G, B通道的元組。例如Imagenet數(shù)據(jù)集的均值是R=103.93, G=116.77, B=123.68。如果我們使用swapRB=False，那么這個(gè)順序?qū)⑹?B, G, R)。

crop：布爾標(biāo)志，表示我們是否想居中裁剪圖像。如果設(shè)置為True，則從中心裁剪輸入圖像時(shí)，較小的尺寸等于相應(yīng)的尺寸，而其他尺寸等于或大于該尺寸。然而，如果我們將其設(shè)置為False，它將保留長(zhǎng)寬比，只是將其調(diào)整為固定尺寸大小。

在我們這個(gè)場(chǎng)景下：

inp=cv.dnn.blobFromImage(frame,scalefactor=1.0,size=(args.width,args.height),
mean=(104.00698793,116.66876762,122.67891434),swapRB=False,
crop=False)

現(xiàn)在，我們只需要調(diào)用一下前向方法。

net.setInput(inp)
out=net.forward()
out=out[0,0]
out=cv.resize(out,(frame.shape[1],frame.shape[0]))
out=255*out
out=out.astype(np.uint8)
out=cv.cvtColor(out,cv.COLOR_GRAY2BGR)
con=np.concatenate((frame,out),axis=1)
cv.imshow(kWinName,con)

結(jié)果：

中間的圖像是人工標(biāo)注的圖像，右邊是HED的結(jié)果

中間的圖像是人工標(biāo)注的圖像，右邊是HED的結(jié)果。

審核編輯：劉清