如何在OpenCV中使用基于深度学习的边缘检测？

什么是边缘检测？

边缘检测是计算机视觉中一个非常古老的问题，它涉及到检测图像中的边缘来确定目标的边界，从而分离感兴趣的目标。最流行的边缘检测技术之一是Canny边缘检测，它已经成为大多数计算机视觉研究人员和实践者的首选方法。让我们快速看一下Canny边缘检测。

Canny边缘检测算法

1983年，John Canny在麻省理工学院发明了Canny边缘检测。它将边缘检测视为一个信号处理问题。其核心思想是，如果你观察图像中每个像素的强度变化，它在边缘的时候非常高。

在下面这张简单的图片中，强度变化只发生在边界上。所以，你可以很容易地通过观察像素强度的变化来识别边缘。

现在，看下这张图片。强度不是恒定的，但强度的变化率在边缘处最高。(微积分复习：变化率可以用一阶导数(梯度)来计算。)

Canny边缘检测器通过4步来识别边缘：

去噪：因为这种方法依赖于强度的突然变化，如果图像有很多随机噪声，那么会将噪声作为边缘。所以，使用5×5的高斯滤波器平滑你的图像是一个非常好的主意。

梯度计算：下一步，我们计算图像中每个像素的强度的梯度(强度变化率)。我们也计算梯度的方向。

梯度方向垂直于边缘，它被映射到四个方向中的一个(水平、垂直和两个对角线方向)。

非极大值抑制：现在，我们想删除不是边缘的像素(设置它们的值为0)。你可能会说，我们可以简单地选取梯度值最高的像素，这些就是我们的边。然而，在真实的图像中，梯度不是简单地在只一个像素处达到峰值，而是在临近边缘的像素处都非常高。因此我们在梯度方向上取3×3附近的局部最大值。

迟滞阈值化：在下一步中，我们需要决定一个梯度的阈值，低于这个阈值所有的像素都将被抑制(设置为0)。而Canny边缘检测器则采用迟滞阈值法。迟滞阈值法是一种非常简单而有效的方法。我们使用两个阈值来代替只用一个阈值：

高阈值 = 选择一个非常高的值，这样任何梯度值高于这个值的像素都肯定是一个边缘。

低阈值 = 选择一个非常低的值，任何梯度值低于该值的像素绝对不是边缘。

在这两个阈值之间有梯度的像素会被检查，如果它们和边缘相连，就会留下，否则就会去掉。

迟滞阈值化

Canny 边缘检测的问题：

由于Canny边缘检测器只关注局部变化，没有语义(理解图像的内容)理解，精度有限(很多时候是这样)。

Canny边缘检测器在这种情况下会失败，因为没有理解图像的上下文

语义理解对于边缘检测是至关重要的，这就是为什么使用机器学习或深度学习的基于学习的检测器比canny边缘检测器产生更好的结果。

OpenCV中基于深度学习的边缘检测

OpenCV在其全新的DNN模块中集成了基于深度学习的边缘检测技术。你需要OpenCV 3.4.3或更高版本。这种技术被称为整体嵌套边缘检测或HED，是一种基于学习的端到端边缘检测系统，使用修剪过的类似vgg的卷积神经网络进行图像到图像的预测任务。

HED利用了中间层的输出。之前的层的输出称为side output，将所有5个卷积层的输出进行融合，生成最终的预测。由于在每一层生成的特征图大小不同，它可以有效地以不同的尺度查看图像。

网络结构：整体嵌套边缘检测

HED方法不仅比其他基于深度学习的方法更准确，而且速度也比其他方法快得多。这就是为什么OpenCV决定将其集成到新的DNN模块中。以下是这篇论文的结果：

在OpenCV中训练深度学习边缘检测的代码

OpenCV使用的预训练模型已经在Caffe框架中训练过了，可以这样加载：

shdownload_pretrained.sh

网络中有一个crop层，默认是没有实现的，所以我们需要自己实现一下。

classCropLayer(object):
def__init__(self,params,blobs):
self.xstart=0
self.xend=0
self.ystart=0
self.yend=0

#Ourlayerreceivestwoinputs.Weneedtocropthefirstinputblob
#tomatchashapeofthesecondone(keepingbatchsizeandnumberofchannels)
defgetMemoryShapes(self,inputs):
inputShape,targetShape=inputs[0],inputs[1]
batchSize,numChannels=inputShape[0],inputShape[1]
height,width=targetShape[2],targetShape[3]

self.ystart=(inputShape[2]-targetShape[2])//2
self.xstart=(inputShape[3]-targetShape[3])//2
self.yend=self.ystart+height
self.xend=self.xstart+width

return[[batchSize,numChannels,height,width]]

defforward(self,inputs):
return[inputs[0][:,:,self.ystart:self.yend,self.xstart:self.xend]]

现在，我们可以重载这个类，只需用一行代码注册该层。

cv.dnn_registerLayer('Crop',CropLayer)

现在，我们准备构建网络图并加载权重，这可以通过OpenCV的dnn.readNe函数。

net=cv.dnn.readNet(args.prototxt,args.caffemodel)

现在，下一步是批量加载图像，并通过网络运行它们。为此，我们使用cv2.dnn.blobFromImage方法。该方法从输入图像中创建四维blob。

blob=cv.dnn.blobFromImage(image,scalefactor,size,mean,swapRB,crop)

其中：

image：是我们想要发送给神经网络进行推理的输入图像。

scalefactor：图像缩放常数，很多时候我们需要把uint8的图像除以255，这样所有的像素都在0到1之间。默认值是1.0，不缩放。

size：输出图像的空间大小。它将等于后续神经网络作为blobFromImage输出所需的输入大小。

swapRB：布尔值，表示我们是否想在3通道图像中交换第一个和最后一个通道。OpenCV默认图像为BGR格式，但如果我们想将此顺序转换为RGB，我们可以将此标志设置为True，这也是默认值。

mean：为了进行归一化，有时我们计算训练数据集上的平均像素值，并在训练过程中从每幅图像中减去它。如果我们在训练中做均值减法，那么我们必须在推理中应用它。这个平均值是一个对应于R, G, B通道的元组。例如Imagenet数据集的均值是R=103.93, G=116.77, B=123.68。如果我们使用swapRB=False，那么这个顺序将是(B, G, R)。

crop：布尔标志，表示我们是否想居中裁剪图像。如果设置为True，则从中心裁剪输入图像时，较小的尺寸等于相应的尺寸，而其他尺寸等于或大于该尺寸。然而，如果我们将其设置为False，它将保留长宽比，只是将其调整为固定尺寸大小。

在我们这个场景下：

inp=cv.dnn.blobFromImage(frame,scalefactor=1.0,size=(args.width,args.height),
mean=(104.00698793,116.66876762,122.67891434),swapRB=False,
crop=False)

现在，我们只需要调用一下前向方法。

net.setInput(inp)
out=net.forward()
out=out[0,0]
out=cv.resize(out,(frame.shape[1],frame.shape[0]))
out=255*out
out=out.astype(np.uint8)
out=cv.cvtColor(out,cv.COLOR_GRAY2BGR)
con=np.concatenate((frame,out),axis=1)
cv.imshow(kWinName,con)

结果：

中间的图像是人工标注的图像，右边是HED的结果

中间的图像是人工标注的图像，右边是HED的结果。

审核编辑：刘清