基于霍夫变换的直线检测技术

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基于霍夫变换的直线检测技术

唐佳林１王镇波２张鑫鑫１

（１．北京理工大学珠海学院信息学院２．中山大学智能交通研究中心）

［摘要］直线检测是数字图像处理的重要内容，在道路识别，建筑物识别，医学图像分析等领域都有十分重要的应用。通过对已经

受直线中的间隙和噪声影响较小。在Ｍａｔｌａｂ获得的图像进行边缘检测，然后用Ｈｏｕｇｈ变换对边缘检测进行直线检测。该方法简单，

环境下对该方法进行了仿真实验，并对图像中直线目标进行了检测，结果表明用该方法对图像中直线目标进行检测是快速有效的。［关键词］Ｈｏｕｇｈ变换边缘检测

直线检测引言

人工图像和卫星影像中，大多数物体都是由直线组成的。在图像处理中，对直线的识别和定位就显得十分重要。同时，工程上对直线物体或图标进行模式识别和定位是一个常见的问题。所以寻求一种快速的直线检测方法非常重要。Ｈｏｕｇｈ变换是一种用来在边缘增强处理后的

圆、椭图像中，提取边缘特征的简便而有效的方法，它能够提取直线、

［１－２］

圆、二次曲线甚至是任意形状的边缘。

Ｈｏｕｇｈ变换在计算机视觉、军事防御、办公自动化等领域都得到了

［３］

普遍的关注和广泛的应用。其基本思想是将原图像变换到参数空间，用大多数边界点满足某种参数形式来描述图像中的线，通过设置累加器进行累积，求得峰值对应的点所需要的信息。Ｈｏｕｇｈ变换以其对局部缺损的不敏感，对随机噪声的鲁棒性以及适于并行处理等优良特性，备

模式识别和计算机视觉领域学者的青睐。Ｈｏｕｇｈ变换的突受图像处理、

出优点就是可以将图像中较为困难的全局检测问题转换为参数空间中相对容易解决的局部峰值检测问题。

１．Ｈｏｕｇｈ变换原理

出ρ；

并将该单元的累加器（５）在参数空间中，找到ρ和α所对应得单元，

加１，即Ｑ（ｉ，ｊ）＝Ｑ（ｉ，ｊ）＋１；

（６）当直角坐标系中的点都经过（３）（４）两步遍历后，检验参数空间中每个累加器的值，累加器最大的单元所对应的ρ和α即为直角坐标系中的直线方程式（１－１）的参数。

当直角坐标系中的点分布在Ｒ条直线附近时，可在第５步检测累加

ｋ＝１，２，…，Ｒ），器时，取出累加器中前Ｒ个值最大的单元所对应的ρｋ和αｋ（

以ρｋ和αｋ为直角坐标系中直线方程式（１－２）的参数，即可同时实现多条直线的检测。

由此可见，Ｈｏｕｇｈ变换的基本策略是：用图像空间的边缘数据点计算参数空间中的参考点的可能轨迹，并在一个累加器中给计算出参考

该峰值表明在图像空间上有一共线点较多的点的计数，最后选出峰值。

即按照Ｑ（ｉ，ｊ）＝Ｑ（ｉ，ｊ）＋１确直线，该直线的参数由累加器的ρ和α决定，

定，则图像空间中满足该式的点（ｘ，ｙ）就组成了该直线。

３．用Ｈｏｕｇｈ变换进行直线检测要实现数字图像的直线检测，对图像进行预处理是必不可少的。进行图像处理的第一步就是要对图像进行图像灰度与二值化处理。若是对整幅图像进行Ｈｏｕｇｈ变换，会减慢Ｈｏｕｇｈ变换的速度，所以为了提高Ｈｏｕｇｈ变换的计算速度，还需要对图像采用边缘检测，即从图像平面中提取边缘点或特征点，对这些特征点进行Ｈｏｕｇｈ变换。

３．１边缘检测

图像边缘是一个图像的重要特征，是计算机模式识别，视觉等的基

首础，边缘检测是图像处理过程中的一个重要环节。检测物体边缘时，

先粗略检测其轮廓点，然后把原来检测到的轮廓点连接到一起，同时检测、连接遗漏的边界点并去除虚假的边界点。

边缘检测的算法很多，如ｌｏｇ算子，ｓｏｂｅｌ算子，ｐｒｅｗｉｔｔ算子，Ｒｏｂｅｒｔｓ

ｏｇ算子常产生双边界，ｓｏｂｅｌ算子算子，ｃａｎｎｙ算子等。而在边缘检测中ｌ

又往往会形成不闭合区域等，而ｃａｎｎｙ算子是最优的阶梯型边缘检测算法。本文采用ｃａｎｎｙ算子进行图像的边缘检测。

３．２结果分析

图２和图３是显示了ｈｏｕｇｈ变换后直线检测的效果。

图１直线检测中的Ｈｏｕｇｈ变换

１９６２年，ＰａｕｌＨｏｕｇｈ根据数学对偶性原理提出了检测图像直线的方法，此后该方法被不断地研究和发展，主要应用于模式识别领域中对

其原理如图１所示，平面直角坐标系中的直线二值图像进行直线检测。

Ｌ表达为：

ｙ＝ｋｘ＋ｂ（１－１）

１－１），直线Ｌ上不同的点（ｘ，ｙ）在参其中，ｋ为斜率，ｂ为截距。据式（

数空间中被变换为一族相交于Ｐ点的直线。显然，若能确定参数空间中的Ｐ点（局部最大值），就实现了直线的检测。

平面中任意一条直线也可以用极坐标方程来表示，即可以用ρ和α两个参数确定下来，对于图像空间任意点，其函数关系为：

ρ＝ｘｃｏｓα＋ｙｓｉｎα（１－２）

（即原点到直线的垂直线的长度），α确其中ρ为原点到直线的距离

定了直线的方向（即原点到直线的垂直线与ｘ轴方向的夹角）。如果对位于同一直线Ｌ上的ｎ个点进行上述变换，则原图像空间ｎ个点在参数空间中对应地得到ｎ条正弦曲线，并且这些曲线相交于同一点。

２．Ｈｏｕｇｈ变换实现方法

工程中的实验数据和图像处理中的二值边缘图，通常都是离散数据，因此，根据Ｈｏｕｇｈ变换性质，可按下列步骤实现Ｈｏｕｇｈ变换：

（１）在ρ和α合适的最大值和最小值之间建立一个离散的参数空间；

ｍ为ρ的等份数，ｎ为α的等份数）个单（２）将参数空间量化成ｍ×ｎ（

元，并设置累加器矩阵；

（３）给参数空间中的每个单元分配一个累加器Ｑ（ｉ，ｊ），并把累加器的初始值置为零；

（４）取出直角坐标系中的点（ｘ１，ｙ１）代入式（１－２），并以量化的α值计算

图２ｈｏｕｇｈ变换检测直线效果图

（下转第３５页）

基金项目：本文系广东省科技厅２００９年度创新基金项目（２００９ＣＤ０５５）。作者简介：唐佳林（１９８２－），男，湖南邵阳人，硕士研究生，主要研究方向为数字图像处理及模式识别技术；王镇波（１９８７－），男，广东梅州人，博士研究生，研究方向为数字图像处理技术及其在交通中的应用。

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笔者做了以下课题的设置，如表１所示。

表１课题设置课题名称要求

废物再利用

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整个设计主题出发，结合材料与工艺，实现设计方案的生产可行性。并

且动手制作，实现设计方案的实体化，推敲设计方案的合理性，反思材料与工艺的选择恰当与否。力求在设计时综合考虑材料的理化属性（传

、感知属性、文化属性、商业属性和环境属性。统材料工艺学的内容）

（３）建立课程综合考核体系

设计材料及加工工艺是实践性很强的课程，材料特性与加工方法不是利用文字答在纸面上就能确定对知识的掌握。对于学生来说，不能

在课程的考核上应结合平时的课题作业完成情况、动仅以试卷定成绩。

手能力、分析问题与解决问题的能力，给出客观的综合成绩评定。

（４）增强课程教学的师资队伍在今天的工业设计教育体系中，教师扮演着重要的角色。目前国内工业设计教育力量还比较薄弱，大多教师的产品设计实践经验还比较少。我校工业设计专业教师队伍年轻化，设计思想活跃大胆，但毕竟应用知识的能力还有待于提高。教师应该不断关注新材料、新工艺、新技术的发展和在产品设计中的应用，不断提高自身专业知识的修养，积极参与设计实践，并以最快的速度运用到教学中去，让学生接受设计的前沿知识。

四、结语

工业设计是紧随时代发展的应用型学科，社会的需求就是教学的任务。产品造型设计者应当从社会化生产工艺与造型设计结合的角度深入了解各种材料和制造工艺，形成设计人员创意实现的理论基础，从而有效地辅助产品概念的发挥，推进设计向现实产品转化。工业设计专业设计材料及加工工艺教学改革的实质性探索，对促进我国工业设计专业发展和教学改革，对专业教学队伍建设以及专业教学质量的提高，都具有重要的理论与实践意义。

参考文献［１］赵秀栩等．工业产品造型设计、材料及工艺［Ｊ］．武汉汽车工业大学学报，１９９９，２１（３）：４１－４４．

［２］马宁伟．电子产品结构材料特性及其选择方法［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２０１０．４：２２－２３．

［３］赵佳寅．造物“选”材·“适”之为良———无机非金属材料在产品设计中的工艺适合性研究［Ｄ］．武汉：武汉理工大学，２００７．

［４］艾险峰．造物“选”材·“适”之为良———产品设计中新材料选用的相适性研究［Ｄ］．武汉：武汉理工大学，２００７．

［５］张红岩，郭志源．环保意识在产品设计选材中的体现与应用［Ｊ］．机械研究与应用，２００２，１５（２）：７４－７７．

［６］张公明．关于对工业设计专业教学中《材料与工艺》课程的思考［Ｊ］．艺术与设计（理论），２００７，（２）：９６．

利用废旧物品，制作有实用价值的小产品。拆解、

—找到废旧物品———拆解废旧物品———利用明确主题——

适合的工具制作；

—观察、分析、思考———明确主题———或：收集废旧物品——

利用适合的工具制作。

步骤

以．ｐｐｔ电子文件记录并整理：

制作过程，总结制作中的优缺点、日后有待于改进的设计、

报告要求

方向。含：设计主题（或目标）、制作材料、制作过程、制作成品功能介绍、制作最终的实体模型、制作的心得体会。通过拆解废旧物品再利用，可以达到以下目的：

一方面：锻炼学生的思考能力，这些废材是金属？塑料？陶瓷？棉线？……它们是柔软、坚硬？光滑、粗糙？……即从材料的固有特性和派生特性思考材料，理解材料。

另一方面，在利用工具制作的过程中，即利用不同的工具剪、割、粘、缝、钉、订、绑、拧、缠等，真正体会材料的物理属性和生理心理属性，使得课本中材料的特性不再显得枯燥无味。制作的结果不论精致、粗糙，学生都在制作过程中体会了一些材料的特性，并且自己实现了用材料思考设计，做到从材料角度构思，在材料美的感染下，把构思和想象与材料的材质效果相融合而进行设计创作。

同时，制作的工艺精细与否？选择的工具合适与否？这些问题都决定着制作的成品呈现出来的感官效应，在制作结束后，反思如何才能做得更好？这样也会促进学生积极进取。

在这样的学习过程中，利用废旧物品积累材料和制作的知识，也是一种“绿色”的学习方式，在一定意义上也可以说是变废为宝。在个人课题实践中，让学生充分发挥主观能动性和创造性，培养学生的知识应用

信息获取和选择能力、动手实践能力、创新能力。能力、（２）建立设计材料及加工工艺课程群教学模式

材料及加工工艺知识的熟练掌握不能仅依靠一门课程的力量，应该结合本专业其他相关课程进行巩固。依据我校新的人才培养方案，材料及加工工艺课程（第三学期）应充分应用于其他的设计理论或者设计制作课程，如立体构成（第四学期），人机工程学（第五学期），产品模型制作（第五学期）等，使得材料与工艺不再是纸上谈兵，在这些相关课程中加强学生对材料及工艺的不断认识和理解。在后续的设计专题中，从（上接第３２页）科研信息及最新动向，为学院科研决策提供支持。科研管理人员可以通过平台管理全院的科研项目、科研成果、科研经费及数据汇总、人员情况等，还可以在线组织科研申报与评审、项目中期检查、教师年度科研工作量考核、科研年度统计、发送通知、文件等多项工作，极大地提高科研管理功效。

２．６加强科研管理队伍自身建设，促进科研快速发展高职院校科研水平的高低，不仅与学院科研管理理念和机制有关，更与是否拥有一支高素质管理队伍有关。科研管理工作是一个系统工程，从选题、立项、质量目标、经费使用、课题文件资料档案，直至课题的结题鉴定、成果的发表及推广等，涉及到如教育学、管理学、会计学、档案学、合同法、知识产权保护法及文字处理能力、政策把握度、信息获取及处理等专业知识和职业技能。因此，建立和完善一整套提高科研管理队伍综合素质的政策措施就显得十分重要。在人员编制上，坚持定员定岗，定职定责；在业务水平和工作能力提高上，走内培与外引相结合之

引进急需的；以培养、造就一支精通路，做到稳定现有的，培养未来的、（上接第３３页）

业务、善于管理的知识化、专职化、专家化的相对稳定的科研管理队伍，

确保管理创新可持续发展。

总之，高职院校教师科研能力的提升是一个系统的、理性的过程，存在着诸多影响因素，需要政府、社会、学院和教师的不断努力才能实现。高职学院要根据自身条件及专业特色，不断适应社会发展方式转变和区域经济结构调整需求，制定科研规划，创新管理机制，全面提升服务经济社会发展的能力。

参考文献［１］国家中长期教育改革和发展规划纲要（２０１０－２０２０）［Ｚ］．２０１０－０７－２９．

［２］杨晓冬．创新高职科研管理模式凸现高职特色科研内涵［Ｊ］．管理科学研究，２００９，９．Ｐ２８～２９．

［３］刘兆媛．浅析高职院校科研管理现状及对策［Ｊ］．中国科技博览，２００９，２１．Ｐ２１８．边线在进行边缘检测的时候，出现了断点或者是歪曲，所以无法检测到。图３显示，圆型部分也有一小段检测为直线，这是由于在进行直线形状判定的时候，设定判定条件过于宽松所致。通过以上分析，Ｈｏｕｇｈ变换能实现快速有效的直线检测，同时也存在一些不足。参考文献

［１］杨顺辽．《基于Ｈｏｕｇｈ变换提取直线的改进方法研究》［Ｊ］《．电脑与信息技术》，２００６，１４（５）：２９－３１．

［２］夏磊，蔡超，周成平等．《一种用Ｈｏｕｇｈ变换检测圆的快速算法》［Ｊ］《．计算机应用研究》，２００７，２４（１０）：１９７－１９９．

［３］王光华，王峰，刘文涛．《一种关于图像识别制导中直线目标的检测方法》［Ｊ］《．弹丸与制导学报》，２００８，２８（１）：６４－

６６．

图３ｈｏｕｇｈ变换检测直线效果图

从图２和图３的检测结果来看，Ｈｏｕｇｈ变换基本能将所有的直线

有部分墙壁的边线并未检测出来，这是由于这些检测出来。图２显示，