使用Python编写Canny 算法,要求高斯滤波与sobel算法都要手写实现,不能使用现有的函数

时间: 2024-05-07 20:15:40 浏览: 8
以下是使用Python编写Canny算法的示例代码。该代码包括手写的高斯滤波和Sobel算法实现。 ```python import numpy as np import cv2 def gaussian_kernel(size, sigma): """ 生成高斯卷积核 """ kernel = np.zeros((size, size)) center = size // 2 for i in range(size): for j in range(size): x = i - center y = j - center kernel[i, j] = np.exp(-(x**2 + y**2) / (2 * sigma**2)) kernel /= (2 * np.pi * sigma**2) return kernel def convolution(image, kernel): """ 实现卷积操作 """ m, n = image.shape ksize = kernel.shape[0] pad = ksize // 2 padded_image = np.pad(image, pad, mode='edge') result = np.zeros((m, n)) for i in range(pad, m + pad): for j in range(pad, n + pad): patch = padded_image[i-pad:i+pad+1, j-pad:j+pad+1] result[i-pad, j-pad] = np.sum(patch * kernel) return result def sobel(image): """ 计算Sobel算子 """ kernel_x = np.array([[-1, 0, 1], [-2, 0, 2], [-1, 0, 1]]) kernel_y = np.array([[-1, -2, -1], [0, 0, 0], [1, 2, 1]]) dx = convolution(image, kernel_x) dy = convolution(image, kernel_y) magnitude = np.sqrt(dx**2 + dy**2) orientation = np.arctan2(dy, dx) return magnitude, orientation def non_maximum_suppression(magnitude, orientation): """ 非极大值抑制 """ m, n = magnitude.shape result = np.zeros((m, n)) for i in range(1, m-1): for j in range(1, n-1): angle = orientation[i, j] * 180 / np.pi if angle < 0: angle += 180 if (0 <= angle < 22.5) or (157.5 <= angle < 180): if magnitude[i, j] >= magnitude[i, j-1] and magnitude[i, j] >= magnitude[i, j+1]: result[i, j] = magnitude[i, j] elif (22.5 <= angle < 67.5): if magnitude[i, j] >= magnitude[i-1, j-1] and magnitude[i, j] >= magnitude[i+1, j+1]: result[i, j] = magnitude[i, j] elif (67.5 <= angle < 112.5): if magnitude[i, j] >= magnitude[i-1, j] and magnitude[i, j] >= magnitude[i+1, j]: result[i, j] = magnitude[i, j] elif (112.5 <= angle < 157.5): if magnitude[i, j] >= magnitude[i-1, j+1] and magnitude[i, j] >= magnitude[i+1, j-1]: result[i, j] = magnitude[i, j] return result def thresholding(image, low_threshold, high_threshold): """ 阈值处理 """ m, n = image.shape result = np.zeros((m, n)) weak = 50 strong = 255 strong_i, strong_j = np.where(image >= high_threshold) weak_i, weak_j = np.where((image >= low_threshold) & (image < high_threshold)) result[strong_i, strong_j] = strong result[weak_i, weak_j] = weak return result def hysteresis_thresholding(image): """ 双阈值处理 """ weak = 50 strong = 255 m, n = image.shape for i in range(1, m-1): for j in range(1, n-1): if image[i, j] == weak: if (image[i-1:i+2, j-1:j+2] == strong).any(): image[i, j] = strong else: image[i, j] = 0 return image def canny(image, low_threshold, high_threshold, sigma=1.4): """ Canny算法 """ kernel_size = 5 kernel = gaussian_kernel(kernel_size, sigma) smoothed = convolution(image, kernel) magnitude, orientation = sobel(smoothed) suppressed = non_maximum_suppression(magnitude, orientation) thresholded = thresholding(suppressed, low_threshold, high_threshold) result = hysteresis_thresholding(thresholded) return result # 测试代码 image = cv2.imread('lena.png', cv2.IMREAD_GRAYSCALE) result = canny(image, 50, 150) cv2.imshow('input', image) cv2.imshow('output', result) cv2.waitKey() cv2.destroyAllWindows() ``` 在上述代码中,我们首先定义了一个函数 `gaussian_kernel(size, sigma)`,用于生成高斯卷积核。然后定义了函数 `convolution(image, kernel)`,实现了卷积操作。接下来,我们定义了函数 `sobel(image)`,计算Sobel算子并返回梯度幅值和方向。然后,我们定义了函数 `non_maximum_suppression(magnitude, orientation)`,实现了非极大值抑制。接着,我们定义了函数 `thresholding(image, low_threshold, high_threshold)`,实现阈值处理。最后,我们定义了函数 `hysteresis_thresholding(image)`,实现双阈值处理。最终,我们将所有这些函数组合起来,实现了完整的Canny算法。 在测试代码中,我们使用了OpenCV库读取了一张灰度图像。然后,我们调用了 `canny(image, low_threshold, high_threshold)` 函数,并将结果显示在屏幕上。在这个例子中,我们将低阈值设为50,高阈值设为150。你可以调整这些参数,改变Canny算法的表现。

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