基于opencv传统数字图像处理实现车道线检测-python-c++源码+项目说明.zip

<h1 style="text-align: center"> 车道线检测 （Lane Detection）</h1> ## 1、实验内容 本实验使用数字图像处理的基本方法，构建了一个车道线检测模型。该模型可以识别图像中所有的车道线，并得到完整的车道线信息。模型在tuSimple Lane Dataset大小为100的数据子集进行了测试，达到了较好的结果。 ## 2、实现思路 实现车道线检测，主要包含两部分操作 1. 道路图像的处理，主要包括灰度图转换、基于高斯平滑的图像去噪、基于Canny算法的边缘提取 2. 车道线检测方法，主要包括获取感兴趣区域（ROI）、形态学闭运算、基于Hough变换的直线检测 模型的处理流程如下， <img src="./result/image_of_readme/img.png" alt="image-20210214120515919" style="zoom:80%;" /> ### 2.1 道路图像处理 通过对道路图像进行处理，突出图像中的车道线部分。模型将彩色图像转化成灰度图像进行处理，目的是简化模型的复杂度，提高运行效率。 #### 2.1.1 高斯平滑 由于光照、路面情况、拍摄质量等问题，道路图像上存在很多噪声，通过高斯滤波使图像变得平滑，减弱图像中的噪声对结果的影响，提高车道线检测模型的鲁棒性。 高斯平滑就是使用高斯滤波器与原图像进行卷积，得到平滑图像。与均值滤波类似，它们都是取滤波器窗口内像素的加权均值作为输出。高斯滤波器的权值分布满足二维高斯函数。 =e^{-\frac{x^2&plus;y^2}{2\sigma^2}}) 由于高斯平滑是线性离散滤波，因此离散形式的高斯滤波器为 ^2&space;&plus;&space;(j&space;-&space;k&space;-&space;1)^2}{2&space;\sigma&space;^&space;2}}) 本实验采用 $3\times3$ 的高斯滤波器。具体实现为定义 `Kernel` 类实现通用的卷积操作，定义派生类 `GaussianKernel` 实现不同 size 和 $\sigma$ 高斯滤波器的构建的运算，实现接口如下： ```c++ /* Kernel.h */ class Kernel { public: double **data; int size; Kernel(int size); // 空的卷积核 Kernel(Kernel &cp); // 拷贝构造函数 ~Kernel(); double *operator[](const int idx) const; // 卷积操作 template<typename T1, typename T2> void convolve(const Img<T1> &src, Img<T2> &dst, const bool is_clip = true) const; }; class GaussianKernel : public Kernel { public: double sigma; GaussianKernel(const int size, const double sigma); GaussianKernel(GaussianKernel &cp); }; ``` #### 2.1.2 边缘提取 在实验过程中，我曾尝试采用以下方法进行边缘提取的方法。由于在图像中车道线的灰度值较大，因此我设计了一种参数自适应的阈值分割算法，把车道线从图像中抽取出来。具体方法如下：统计图像的灰度分布，选取整体灰度分布相应比例对应的灰度值作为阈值，对图像进行二值化。效果如下：  可以发现，通过阈值分割有效的过滤掉了大部分背景，如山脉、路面、车辆，这为下面的直线检测去除了一定的干扰。但是由于部分图像存在反光或较亮区域，这导致一些车道线丢失，或特征不再明显，如下图。  虽然可以通过求图像梯度的方法将大面积的高亮度区域滤除，但是直接将原图转成二值图像处理，会丢失车道线的细节信息导致结果车道线信息不完整。因此舍弃该方案。 最终采用基于图像梯度的边缘提取方法——Canny算法。Canny主要包含三个步骤： 1. Sobel算子：计算图像梯度 2. 非极大值抑制：去除非边缘的噪点，细化边缘 3. 双阈值：检测并连接边缘 （1）Sobel 算子计算图像梯度 灰度图可以看做灰度值 $h(x,y)$ 关于 $(x,y)$ 坐标的二元函数，计算图像梯度可以通过Sobel算子计算得到。​ * $x$ 方向梯度： ${grad}_x(x,y) = \frac{\partial h(x,y)}{\partial x}$ * $y$ 方向梯度： ${grad}_y(x,y) = \frac{\partial h(x,y)}{\partial x}$ * 梯度幅度： $grad = \sqrt{{grad_x}^2 + {gard_y}^2}$ * 梯度方向：$gard_\theta = arctan(\frac{grad_y}{grad_x})$ 其中计算 $x,y$ 方向的梯度使用Sobel算子对图像进行卷积 <img src="https://latex.codecogs.com/png.latex?grad_x&space;=&space;\begin{bmatrix}&space;-1&space;&&space;0&space;&&space;1&space;\\&space;-2&space;&&space;0&space;&&space;2&space;\\&space;-1&space;&&space;0&space;&&space;1&space;\end{bmatrix}&space;\times&space;img&space;\quad&space;grad_y&space;=&space;\begin{bmatrix}&space;1&space;&&space;2&space;&&space;1&space;\\&space;0&space;&&space;0&space;&&space;0&space;\\&space;-1&space;&&space;-2&space;&&space;-1&space;\end{bmatrix}&space;\times&space;img" title="grad_x = \begin{bmatrix} -1 & 0 & 1 \\ -2 & 0 & 2 \\ -1 & 0 & 1 \end{bmatrix} \times img \quad grad_y = \begin{bmatrix} 1 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \\ -1 & -2 & -1 \end{bmatrix} \times img" /> Sobel 算子计算梯度效果如下：  （2）非极大值抑制 分析上图发现，由于图像灰度存在起伏，所以有一些不是边缘的区域也存在较大的梯度。采用非极大值抑制（NMS）的方法，消除梯度图像中非边缘的噪声，并将边缘细化。 NMS实现的思路如下：计算每个中心像素点沿梯度方向邻域内各点的梯度值，如果该中心像素点的梯度值是以上像素点梯度值的局部极大值，则保留梯度，否则梯度置为零。由于邻域内在梯度方向上的点不一定是在整数坐标位置，因此需要通过插值计算邻域内梯度方向点的梯度值。实现效果如下：  一些非边缘的噪点得到了一定程度的抑制，边缘也得到细化。 （3）双阈值检测和边缘连接 需要将得到的梯度图像进行阈值分割，得到二值图以便后续进行hough变换。采用双阈值对图像进行阈值分割，实现思路如下： * 当梯度值大于高阈值时，将其灰度值取为255。 * 当梯度值小于低阈值时，将其灰度值取为0。 * 当梯度介于两者之间是，如果该点邻域内有高阈值点，则取为255，否则取0。 双阈值处理中，高阈值将物体边缘和背景区分开，但是当高阈值较大时，可能导致边缘断断续续；此时低阈值平滑边缘轮廓，能实现较好的分割效果。同时借鉴之前尝试对灰度图做阈值分割的思路，采用整体灰度分布相应比例处的灰度值为高阈值，低阈值取高阈值的 $\frac{2}{3}$，实现效果如下：  Canny 边缘提取的实现接口如下： ```c++ #ifndef LANE_DETECTION_EDGE_DETECTION_H #define LANE_DETECTION_EDGE_DETECTION_H #include "Img.hpp" #include "Kernel.h" // 阈值分割 void TurnBinary(Img<uchar> &src, const double weight); // 膨胀运算 void Dilation(const Img<uchar> &src, Img<uchar> &dst, int kernel_size); // 腐蚀运算 void Erosion(const Img<uchar> &src, Img<uchar> &dst, int kernel_size); // 遮盖无效部分 void RoiMask(Img<uchar> &src); // Sobel 算子计算梯度 void Sobel(const Img<uchar> &src, Img<uchar> &dst, Img<double> &theta); // 非极大值抑制 void NonMaxSuppression(const Img<uchar> &src, Img<uchar> &dst, const Img<double> &theta); // 双阈值处理 void DoubleThreshold(Img<uchar> &image, const double weight = 0.9); // Canny 边缘检测 void Canny(Img<uchar> &image, const double weight = 0.9); #endif //LANE_DETECTION_EDGE_DETECTION_H ``` ### 2.2 车道线检测 #### 2.2