OpenCV3边缘检测:Canny算子/Sobel算子/Laplace算子/Scharr滤波器

边缘检测的一般步骤

1）滤波：边缘检测的算法主要是基于图像强度的一阶和二阶导数，但导数通常对噪声很敏感，因此必须采用滤波器来改善与噪声有关的边缘检测器的性能。常见的滤波方法主要有高斯滤波，即采用离散化的高斯函数产生一组归一化的高斯核（具体见“高斯滤波原理及其编程离散化实现方法”一文），然后基于高斯核函数对图像灰度矩阵的每一点进行加权求和。
2）增强：增强边缘的基础是确定图像各点邻域强度的变化值。增强算法可以将图像灰度点邻域强度值有显著变化的点凸显出来。在具体编程实现时，可通过计算梯度幅值来确定。
3）检测：经过增强的图像，往往邻域中有很多点的梯度值比较大，而在特定的应用中，这些点并不是我们要找的边缘点，所以应该采用某种方法来对这些点进行取舍。实际工程中，常用的方法是通过阈值化方法来检测。
另外，需要注意，下文中讲到的​​​Laplace​​​算子，​​sobel​​​算子和​​Scharr​​算子都是带方向的。

Canny边缘检测算法以Canny的名字命名，被很多人推崇为当今最优的边缘检测的算法。

其中，Canny 的目标是找到一个最优的边缘检测算法，让我们看一下最优边缘检测的三个主要评价标准:
1.低错误率: 标识出尽可能多的实际边缘，同时尽可能的减少噪声产生的误报。
2.高定位性: 标识出的边缘要与图像中的实际边缘尽可能接近。
3.最小响应: 图像中的边缘只能标识一次，并且可能存在的图像噪声不应标识为边缘。
为了满足这些要求 Canny 使用了变分法，这是一种寻找满足特定功能的函数的方法。最优检测使用四个指数函数项的和表示，但是它非常近似于高斯函数的一阶导数。

Sobel 算子是一个主要用作边缘检测的离散微分算子 (discrete differentiation operator)。 它Sobel算子结合了高斯平滑和微分求导，用来计算图像灰度函数的近似梯度。
Laplacian 算子是n维欧几里德空间中的一个二阶微分算子，定义为梯度​​grad()​​​的散度​​div()​​​。
**Laplacian( )**函数其实主要是利用sobel算子的运算。它通过加上sobel算子运算出的图像x方向和y方向上的导数，来得到我们载入图像的拉普拉斯变换结果。
scharr一般我就直接称它为滤波器，而不是算子。它在OpenCV中主要是配合Sobel算子的运算而存在的。

示例

//-----------------------------------【头文件包含部分】---------------------------------------
//    描述：包含程序所依赖的头文件
//---------------------------------------------------------------------------------------------- 
#include "pch.h"
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>
#include <opencv2/imgproc/imgproc.hpp>

//-----------------------------------【命名空间声明部分】--------------------------------------
//    描述：包含程序所使用的命名空间
//----------------------------------------------------------------------------------------------- 
using namespace cv;


//-----------------------------------【全局变量声明部分】--------------------------------------
//    描述：全局变量声明
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
//原图，原图的灰度版，目标图
Mat g_srcImage, g_srcGrayImage, g_dstImage;

//Canny边缘检测相关变量
Mat g_cannyDetectedEdges;
int g_cannyLowThreshold = 1;//TrackBar位置参数  

//Sobel边缘检测相关变量
Mat g_sobelGradient_X, g_sobelGradient_Y;
Mat g_sobelAbsGradient_X, g_sobelAbsGradient_Y;
int g_sobelKernelSize = 1;//TrackBar位置参数  

//Scharr滤波器相关变量
Mat g_scharrGradient_X, g_scharrGradient_Y;
Mat g_scharrAbsGradient_X, g_scharrAbsGradient_Y;


//-----------------------------------【全局函数声明部分】--------------------------------------
//    描述：全局函数声明
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
static void ShowHelpText();
static void on_Canny(int, void*);//Canny边缘检测窗口滚动条的回调函数
static void on_Sobel(int, void*);//Sobel边缘检测窗口滚动条的回调函数
void Scharr();//封装了Scharr边缘检测相关代码的函数


//-----------------------------------【main( )函数】--------------------------------------------
//    描述：控制台应用程序的入口函数，我们的程序从这里开始
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
int main(int argc, char** argv)
{
  //改变console字体颜色
  system("color 2F");

  //显示欢迎语
  ShowHelpText();

  //载入原图
  g_srcImage = imread("1.jpg");
  if (!g_srcImage.data) { printf("读取srcImage错误~！ \n"); return false; }

  //显示原始图
  namedWindow("【原始图】");
  imshow("【原始图】", g_srcImage);

  // 创建与src同类型和大小的矩阵(dst)
  g_dstImage.create(g_srcImage.size(), g_srcImage.type());

  // 将原图像转换为灰度图像
  cvtColor(g_srcImage, g_srcGrayImage, CV_BGR2GRAY);

  // 创建显示窗口
  namedWindow("【效果图】Canny边缘检测", CV_WINDOW_AUTOSIZE);
  namedWindow("【效果图】Sobel边缘检测", CV_WINDOW_AUTOSIZE);

  // 创建trackbar
  createTrackbar("参数值：", "【效果图】Canny边缘检测", &g_cannyLowThreshold, 120, on_Canny);
  createTrackbar("参数值：", "【效果图】Sobel边缘检测", &g_sobelKernelSize, 3, on_Sobel);

  // 调用回调函数
  on_Canny(0, 0);
  on_Sobel(0, 0);

  //调用封装了Scharr边缘检测代码的函数
  Scharr();

  //轮询获取按键信息，若按下Q，程序退出
  while ((char(waitKey(1)) != 'q')) {}

  return 0;
}


//-----------------------------------【ShowHelpText( )函数】----------------------------------
//    描述：输出一些帮助信息
//----------------------------------------------------------------------------------------------
static void ShowHelpText()
{
  //输出一些帮助信息
  printf("\n\n\t嗯。运行成功，请调整滚动条观察图像效果~\n\n"
    "\t按下“q”键时，程序退出~!\n");
}


//-----------------------------------【on_Canny( )函数】----------------------------------
//    描述：Canny边缘检测窗口滚动条的回调函数
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
void on_Canny(int, void*)
{
  // 先使用 3x3内核来降噪
  blur(g_srcGrayImage, g_cannyDetectedEdges, Size(3, 3));

  // 运行我们的Canny算子
  Canny(g_cannyDetectedEdges, g_cannyDetectedEdges, g_cannyLowThreshold, g_cannyLowThreshold * 3, 3);

  //先将g_dstImage内的所有元素设置为0 
  g_dstImage = Scalar::all(0);

  //使用Canny算子输出的边缘图g_cannyDetectedEdges作为掩码，来将原图g_srcImage拷到目标图g_dstImage中
  g_srcImage.copyTo(g_dstImage, g_cannyDetectedEdges);

  //显示效果图
  imshow("【效果图】Canny边缘检测", g_dstImage);
}



//-----------------------------------【on_Sobel( )函数】----------------------------------
//    描述：Sobel边缘检测窗口滚动条的回调函数
//-----------------------------------------------------------------------------------------
void on_Sobel(int, void*)
{
  // 求 X方向梯度
  Sobel(g_srcImage, g_sobelGradient_X, CV_16S, 1, 0, (2 * g_sobelKernelSize + 1), 1, 1, BORDER_DEFAULT);
  convertScaleAbs(g_sobelGradient_X, g_sobelAbsGradient_X);//计算绝对值，并将结果转换成8位

  // 求Y方向梯度
  Sobel(g_srcImage, g_sobelGradient_Y, CV_16S, 0, 1, (2 * g_sobelKernelSize + 1), 1, 1, BORDER_DEFAULT);
  convertScaleAbs(g_sobelGradient_Y, g_sobelAbsGradient_Y);//计算绝对值，并将结果转换成8位

  // 合并梯度
  addWeighted(g_sobelAbsGradient_X, 0.5, g_sobelAbsGradient_Y, 0.5, 0, g_dstImage);

  //显示效果图
  imshow("【效果图】Sobel边缘检测", g_dstImage);

}


//-----------------------------------【Scharr( )函数】----------------------------------
//    描述：封装了Scharr边缘检测相关代码的函数
//-----------------------------------------------------------------------------------------
void Scharr()
{
  // 求 X方向梯度
  Scharr(g_srcImage, g_scharrGradient_X, CV_16S, 1, 0, 1, 0, BORDER_DEFAULT);
  convertScaleAbs(g_scharrGradient_X, g_scharrAbsGradient_X);//计算绝对值，并将结果转换成8位

  // 求Y方向梯度
  Scharr(g_srcImage, g_scharrGradient_Y, CV_16S, 0, 1, 1, 0, BORDER_DEFAULT);
  convertScaleAbs(g_scharrGradient_Y, g_scharrAbsGradient_Y);//计算绝对值，并将结果转换成8位

  // 合并梯度
  addWeighted(g_scharrAbsGradient_X, 0.5, g_scharrAbsGradient_Y, 0.5, 0, g_dstImage);

  //显示效果图
  imshow("【效果图】Scharr滤波器", g_dstImage);
}