ITK-Canny边缘检测

作者：翟天保Steven
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Canny边缘检测原理

Canny边缘检测是一种多步骤的图像处理算法，用于提取图像中的边缘，被广泛认为是边缘检测的最优方法之一。Canny边缘检测算法的设计目标是：

检测尽可能多的边缘。
确保边缘点的定位准确。
确保单一边缘响应，即避免检测到虚假的边缘。

Canny边缘检测算法可以分为以下几个主要步骤：

1.高斯平滑（Gaussian Smoothing）：

首先使用高斯滤波器对图像进行平滑处理，以减少噪声的影响。
高斯滤波器通过卷积运算对图像进行平滑，使用的高斯核的方差可以由用户定义。平滑处理后的图像能更好地保留实际的边缘信息，同时去除细小的噪声。

2.计算图像梯度（Gradient Calculation）：

通过Sobel算子等方法计算图像的梯度强度和方向。
梯度计算主要目的是找到图像中灰度变化最大的地方，这些地方通常是边缘所在的位置。
计算得到的梯度方向用于在后续步骤中进行非最大抑制。

3.非最大抑制（Non-Maximum Suppression）：

在梯度方向上对梯度幅值进行抑制，即对每个像素，检查其梯度幅值是否是梯度方向上局部的最大值，如果不是，将其设为零。
这一步骤的目的是细化边缘，使得边缘更加准确。

4.双阈值检测（Double Thresholding）：

使用两个阈值（高阈值和低阈值）来确定边缘像素。
高于高阈值的像素被认为是强边缘。
低于低阈值的像素被认为是非边缘。
在高阈值和低阈值之间的像素，如果与强边缘相连，则被认为是弱边缘。

5.边缘连接（Edge Tracking by Hysteresis）：

利用双阈值检测的结果，通过滞后跟踪来连接边缘。
从强边缘像素开始，通过追踪其四周的弱边缘像素，将这些弱边缘像素也标记为边缘。
最终得到精确的边缘检测结果。

环境准备

参见：Windows下用CMake编译ITK及配置测试_itk配置-CSDN博客

功能解析

1.引入必要的头文件：

#include <itkImage.h>
#include <itkImageFileReader.h>
#include <itkImageFileWriter.h>
#include <itkCannyEdgeDetectionImageFilter.h>
#include <itkRescaleIntensityImageFilter.h>
#include <itkJPEGImageIOFactory.h>
#include <itkCastImageFilter.h>

2.初始化图像类型和读写器：

typedef itk::Image<unsigned char, 2> CharImageType;
typedef itk::Image<float, 2> FloatImageType;
typedef itk::ImageFileReader<CharImageType> ReaderType;
typedef itk::ImageFileWriter<CharImageType> WriterType;
itk::JPEGImageIOFactory::RegisterOneFactory();
ReaderType::Pointer reader = ReaderType::New();
WriterType::Pointer writer = WriterType::New();

其中CharImageType是常规图像格式，FloatImageType是float型图像。之所以用float是因为Canny不支持UChar类型，因此后续要进行格式转换。

3.设置文件名：

// 设置
reader->SetFileName("test.jpg");            // 要读取的文件名
writer->SetFileName("canny_output.jpg");    // 写入的文件名

reader->SetFileName("test.jpg") 设置要读取的图像文件的名称。
writer->SetFileName("canny_output.jpg") 设置要写入的图像文件的名称。

4.类型转换：

// 类型转换
typedef itk::CastImageFilter<CharImageType, FloatImageType> CastFilterType;
CastFilterType::Pointer castfilter = CastFilterType::New();
castfilter->SetInput(reader->GetOutput());

5.创建Canny边缘检测过滤器，并配置参数：

// 创建Canny边缘检测过滤器
typedef itk::CannyEdgeDetectionImageFilter<FloatImageType, FloatImageType> FilterType;
FilterType::Pointer filter = FilterType::New();
filter->SetInput(castfilter->GetOutput());
// 设置参数
filter->SetVariance(3.0);
filter->SetLowerThreshold(10);
filter->SetUpperThreshold(20);
filter->SetMaximumError(0.5);

6.类型转换：

// 将浮点图像转换为unsigned char类型
typedef itk::RescaleIntensityImageFilter<FloatImageType, CharImageType> RescaleFilterType;
RescaleFilterType::Pointer castfilter2 = RescaleFilterType::New();
castfilter2->SetInput(filter->GetOutput());

7.连接过滤器输出到写入器并执行写入操作：

writer->SetInput(castfilter2->GetOutput());
try
{
    writer->Update();
}
catch (itk::ExceptionObject &error)
{
    std::cerr << "Error: " << error << std::endl;
    return EXIT_FAILURE;
}

完整代码

#include <itkImage.h>
#include <itkImageFileReader.h>
#include <itkImageFileWriter.h>
#include <itkCannyEdgeDetectionImageFilter.h>
#include <itkRescaleIntensityImageFilter.h>
#include <itkJPEGImageIOFactory.h>
#include <itkCastImageFilter.h>

int main()
{
	// 初始化
	typedef itk::Image<unsigned char, 2> CharImageType;
	typedef itk::Image<float, 2> FloatImageType;
	typedef itk::ImageFileReader<CharImageType> ReaderType;
	typedef itk::ImageFileWriter<CharImageType> WriterType;
	itk::JPEGImageIOFactory::RegisterOneFactory();
	ReaderType::Pointer reader = ReaderType::New();
	WriterType::Pointer writer = WriterType::New();

	// 设置
	reader->SetFileName("test.jpg");            // 要读取的文件名
	writer->SetFileName("canny_output.jpg");    // 写入的文件名

	// 类型转换
	typedef itk::CastImageFilter<CharImageType, FloatImageType> CastFilterType;
	CastFilterType::Pointer castfilter = CastFilterType::New();
	castfilter->SetInput(reader->GetOutput());

	// 创建Canny边缘检测过滤器
	typedef itk::CannyEdgeDetectionImageFilter<FloatImageType, FloatImageType> FilterType;
	FilterType::Pointer filter = FilterType::New();
	filter->SetInput(castfilter->GetOutput());

	// 设置参数
	filter->SetVariance(3.0);
	filter->SetLowerThreshold(10);
	filter->SetUpperThreshold(20);
	filter->SetMaximumError(0.5);

	// 将浮点图像转换为unsigned char类型
	typedef itk::RescaleIntensityImageFilter<FloatImageType, CharImageType> RescaleFilterType;
	RescaleFilterType::Pointer castfilter2 = RescaleFilterType::New();
	castfilter2->SetInput(filter->GetOutput());

	// 输出
	writer->SetInput(castfilter2->GetOutput());
	try
	{
		writer->Update();
	}
	catch (itk::ExceptionObject &error)
	{
		std::cerr << "Error: " << error << std::endl;
		return EXIT_FAILURE;
	}

	std::cout << "Canny edge detection completed successfully." << std::endl;
	return EXIT_SUCCESS;
}