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找圓演算法((HoughCircles)總結與優化

找圓演算法((HoughCircles)總結與優化
    Opencv內部提供了一個基於Hough變換理論的找圓演算法,HoughCircle與一般的擬合圓演算法比起來,各有優勢:優勢:HoughCircle對噪聲點不怎麼敏感,並且可以在同一個圖中找出多個圓;反觀擬合圓演算法,單純的擬合結果容易受噪聲點的影響,且不支援一個輸入中找多個圓
缺點:原始的Hough變換找圓,計算量很大,而且如果對查詢圓的半徑不加控制,不但運算量巨大,而且精度也不足,在輸入噪聲點不多的情況下,找圓效果遠不如擬合找圓;為了提高找圓精度,相比擬合法,需要提供更多的引數加以控制,引數要求比較嚴格,且總體穩定性不佳
    OpenCV內的HoughCircles對基礎的Hough變換找圓做了一定的優化來提高速度,它不再是在引數空間畫出一個完整的圓來進行投票,而只是計算輪廓點處的梯度向量,然後根據搜尋的半徑R在該梯度方向距離輪廓點距離R的兩邊各投一點,最後根據投票結果圖確定圓心位置,其示意圖如圖1
<ignore_js_op> 圖1是比較理想的情況,輪廓點1-6的梯度方向都經過了點7,因此都給點7投了一票,點7得分最高,也正是我們所要找的圓心;同時由此可以看出基於引數空間投票法來確定圓心,8-12點就算有投票,但由於投票太散,對整個投票結果也幾乎不存在干擾,因而其天生抗干擾能力要比擬合法好
不過在這種思想優化下,也存在致命的缺陷,如圖2:
<ignore_js_op> 

實際情況是該點算出的梯度方向其實總是有誤差的,有時因為影象原因或結構原因,偏差甚至超過30度;圖2中由於梯度方向不精確,7點基本沒有獲得投票,反而不如ABC點。因此實際使用中HoughCircle的效果並沒有想象中的理想,情況往往如下列所述:
(參與投票的輪廓點如圖3的右圖,噪點非常多,比想要查詢的輪廓本身還多,而且斷斷續續的,顯然這種情況擬合法不適用)
1、半徑範圍限定不好時,如圖3,可能找到的圓非常多且雜亂無章

<ignore_js_op><ignore_js_op> 
2、在此情況下,如果只輸出一個圓(Opencv的HoughCircle會預設按照投票結果的累加值排序,最好的圓是這樣的,竟然差這麼多
<ignore_js_op> 

3、假設我們找的東西的半徑我們是知道的,變化不大(+-8%),現在限定下半徑。。。找出的排的靠前的圓是這樣的;再看下預設最好的圓。。。
<ignore_js_op><ignore_js_op> 半徑好像接近了一點,還是好坑爹啊。。。

4、常規來說,使用該函式的時候,為避免找到太多的幾乎重合的圓,找圓的最小距離都設在一個比較合理的值(比如大於半徑1/5),這樣在找多個圓的時候,就不會找出太多重合的圓了;不過這裡我試下不限制最小距離,如下
,預設排序下得分最高的幾個圓如左圖:
<ignore_js_op><ignore_js_op> 貌似預設最好的圓並沒有任何改善

    很多初次使用該函式的看到這,或許就就覺得HoughCircles效果不咋地。。。本人剛開始使用時也感覺Opencv提供的這個演算法太不穩定了,只能對某一個圖調出相對好一點的效果,換一個圖或者只改動其中某一個引數,找出來的圓就不知道跑哪去了,而且變化太大了。。。
    觀察細心的可能發現了,第4步中的左圖找出的眾多圓其實已經比前面找出的圓靠譜很多了,而且這麼多圓必定有一個圓就是我想要找的圓,只是按照投票分數排序下,最好的圓偏差較大。
    但究其演算法優化本身,輪廓梯度定位出來的圓心投票本來精度就低(如圖2),自然找出來的圓會有很多是錯誤的,但如果輪廓點足夠多,找出的正確的圓必定也是存在的,只是按照票數方法來評價可能排序會比較靠後,但畢竟也是出現了的;此處只需做個小小的優化,改下評價方法,優化下排序,結果就很接近了

    <ignore_js_op> 這是經過優化排序方法後找出的最好的圓
    找出來的圓中與實際輪廓重合度最高的圓一般就是我們要找的圓;因此我們可以通過HoughCircles來找出一批差不多的圓(如步驟4),然後畫出這些圓,和實際輪廓比對一下,按實際重合畫素的總數排序,這時分數最高的圓就如上面的結果圖!HoughCircles優化一下還是很給力的! 【關鍵是可重入性。但是從原理到應用,甚至用於演算法庫提交,都值得來做】