• 图像处理------ 一阶微分应用 (转载)


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    图像处理之一阶微分应用

    一:数学背景

    首先看一下一维的微分公式Δf = f(x+1) – f(x), 对于一幅二维的数字图像f(x,y)而言,需要完

    成XY两个方向上的微分,所以有如下的公式:

    分别对X,Y两个方向上求出它们的偏微分,最终得到梯度Delta F.

    对于离散的图像来说,一阶微分的数学表达相当于两个相邻像素的差值,根据选择的梯度算

    子不同,效果可能有所不同,但是基本原理不会变化。最常见的算子为Roberts算子,其它

    常见还有Sobel,Prewitt等算子。以Roberts算子为例的X,Y的梯度计算演示如下图:

    二:图像微分应用

    图像微分(梯度计算)是图像边缘提取的重要的中间步骤,根据X,Y方向的梯度向量值,可以

    得到如下两个重要参数振幅magnitude, 角度theta,计算公式如下:

    Theta = tan-1(yGradient/xGradient)

    magnitude表示边缘强度信息

    theta预言边缘的方向走势。

    假如对一幅数字图像,求出magnitude之后与原来每个像素点对应值相加,则图像边缘将被

    大大加强,轮廓更加明显,是一个很典型的sharp filter的效果。

    三:程序效果

    X, Y梯度效果,及magnitude效果

    图像微分的Sharp效果:

    四:程序源代码

    [java] view plain copy
    1. package com.process.blur.study;  
    2.   
    3. import java.awt.image.BufferedImage;  
    4.   
    5. // roberts operator  
    6. // X direction 1, 0  
    7. //             0,-1  
    8. // Y direction 0, 1  
    9. //            -1, 0  
    10.   
    11. public class ImageGradientFilter extends AbstractBufferedImageOp {  
    12.     public final static int X_DIRECTION = 0;  
    13.     public final static int Y_DIRECTION = 2;  
    14.     public final static int XY_DIRECTION = 4;  
    15.       
    16.     private boolean sharp;  
    17.     private int direction;  
    18.       
    19.     public ImageGradientFilter() {  
    20.         direction = XY_DIRECTION; // default;  
    21.         sharp = false;  
    22.     }  
    23.       
    24.     public boolean isSharp() {  
    25.         return sharp;  
    26.     }  
    27.   
    28.     public void setSharp(boolean sharp) {  
    29.         this.sharp = sharp;  
    30.     }  
    31.   
    32.     public int getDirection() {  
    33.         return direction;  
    34.     }  
    35.   
    36.     public void setDirection(int direction) {  
    37.         this.direction = direction;  
    38.     }  
    39.   
    40.     @Override  
    41.     public BufferedImage filter(BufferedImage src, BufferedImage dest) {  
    42.         int width = src.getWidth();  
    43.         int height = src.getHeight();  
    44.   
    45.         if (dest == null )  
    46.             dest = createCompatibleDestImage( src, null );  
    47.   
    48.         int[] inPixels = new int[width*height];  
    49.         int[] outPixels = new int[width*height];  
    50.         getRGB( src, 0, 0, width, height, inPixels );  
    51.         int index = 0;  
    52.         double mred, mgreen, mblue;  
    53.         int newX, newY;  
    54.         int index1, index2, index3;  
    55.         for(int row=0; row<height; row++) {  
    56.             int ta = 0, tr = 0, tg = 0, tb = 0;  
    57.             for(int col=0; col<width; col++) {  
    58.                 index = row * width + col;  
    59.                   
    60.                 // base on roberts operator  
    61.                 newX = col + 1;  
    62.                 newY = row + 1;  
    63.                 if(newX > 0 && newX < width) {  
    64.                     newX = col + 1;  
    65.                 } else {  
    66.                     newX = 0;  
    67.                 }  
    68.                   
    69.                 if(newY > 0 && newY < height) {  
    70.                     newY = row + 1;  
    71.                 } else {  
    72.                     newY = 0;  
    73.                 }  
    74.                 index1 = newY * width + newX;  
    75.                 index2 = row * width + newX;  
    76.                 index3 = newY * width + col;  
    77.                 ta = (inPixels[index] >> 24) & 0xff;  
    78.                 tr = (inPixels[index] >> 16) & 0xff;  
    79.                 tg = (inPixels[index] >> 8) & 0xff;  
    80.                 tb = inPixels[index] & 0xff;  
    81.                   
    82.                 int ta1 = (inPixels[index1] >> 24) & 0xff;  
    83.                 int tr1 = (inPixels[index1] >> 16) & 0xff;  
    84.                 int tg1 = (inPixels[index1] >> 8) & 0xff;  
    85.                 int tb1 = inPixels[index1] & 0xff;  
    86.                   
    87.                 int xgred = tr -tr1;  
    88.                 int xggreen = tg - tg1;  
    89.                 int xgblue = tb - tb1;  
    90.                   
    91.                 int ta2 = (inPixels[index2] >> 24) & 0xff;  
    92.                 int tr2 = (inPixels[index2] >> 16) & 0xff;  
    93.                 int tg2 = (inPixels[index2] >> 8) & 0xff;  
    94.                 int tb2 = inPixels[index2] & 0xff;  
    95.                   
    96.                 int ta3 = (inPixels[index3] >> 24) & 0xff;  
    97.                 int tr3 = (inPixels[index3] >> 16) & 0xff;  
    98.                 int tg3 = (inPixels[index3] >> 8) & 0xff;  
    99.                 int tb3 = inPixels[index3] & 0xff;  
    100.                   
    101.                 int ygred = tr2 - tr3;  
    102.                 int yggreen = tg2 - tg3;  
    103.                 int ygblue = tb2 - tb3;  
    104.                   
    105.                 mred = Math.sqrt(xgred * xgred + ygred * ygred);  
    106.                 mgreen = Math.sqrt(xggreen * xggreen + yggreen * yggreen);  
    107.                 mblue = Math.sqrt(xgblue * xgblue + ygblue * ygblue);  
    108.                 if(sharp) {  
    109.                     tr = (int)(tr + mred);  
    110.                     tg = (int)(tg + mgreen);  
    111.                     tb = (int)(tb + mblue);  
    112.                     outPixels[index] = (ta << 24) | (clamp(tr) << 16) | (clamp(tg) << 8) | clamp(tb);  
    113.                 } else {  
    114.                     outPixels[index] = (ta << 24) | (clamp((int)mred) << 16) | (clamp((int)mgreen) << 8) | clamp((int)mblue);  
    115.                     // outPixels[index] = (ta << 24) | (clamp((int)ygred) << 16) | (clamp((int)yggreen) << 8) | clamp((int)ygblue);  
    116.                     // outPixels[index] = (ta << 24) | (clamp((int)xgred) << 16) | (clamp((int)xggreen) << 8) | clamp((int)xgblue);  
    117.                 }  
    118.                   
    119.                   
    120.             }  
    121.         }  
    122.         setRGB(dest, 0, 0, width, height, outPixels );  
    123.         return dest;  
    124.     }  
    125.   
    126.     public static int clamp(int c) {  
    127.         if (c < 0)  
    128.             return 0;  
    129.         if (c > 255)  
    130.             return 255;  
    131.         return c;  
    132.     }  
    133. }  
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