灰度共生矩阵 Gray-Level Co-occurrence Matrix(GLCM)原理(一)

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重要概念


GLCM属性


1. 该矩阵是方形的,即N*N大小,一般为8*8, 16*16,32*32


2.它的行数和列数与图像的量化级别相同。


3. 该矩阵沿对角线对称。


4. offset位移,距离 ,定义为[row_offset, col_offset]


如何产生对称的共生矩阵GLCM图例说明


水平方向共生矩阵


垂直方向共生矩阵


归一化公式


产生对称的共生矩阵GLCM总结


官方说明


重要概念

neighbour pixel: 共生点

ref pixel:参考点,基准点

灰度共生矩阵(GLCM):是一种统计表格,不是一幅图片

GLCM属性

1. 该矩阵是方形的,即N*N大小,一般为8*8, 16*16,32*32

2.它的行数和列数与图像的量化级别相同。

如果图片是8位深度,即灰度范围[0,255]共
2^8=256
个级别(level),那么行数与列数都是256;但是这样的矩阵计算量太大,一般会缩放至
2^3=8

2^4=16
个级别,也有
2^5=32
个级别的。

3. 该矩阵沿对角线对称。

如果共生点对(0,2)在图片中出现了一次【往东边计算】,那么反过来,往西边计算,共生点对(2,0)在图片中也出现一次。

这样做的目的是:最东边的元素没有右边的共生点可以计算,而最西边的元素没有左边的共生点,让共生矩阵对称后就不会有此问题。

换句话说,就是从东往西计算一次,再从西往东计算一次。【参考

offset位移,距离 ,定义为[row_offset, col_offset]

以下面的原始图为例,以共生点对(0,2)为例,从东往西(0,2)计算出现一次,从西往东(2,0)计算也出现一次,这时不用管谁在左谁在右,只要它们之间的距离是1就行。即

水平方向

它们出现两次。

问:如何让共生矩阵对称?

答:把产生的统计矩阵 与 它的转置矩阵(transpose)相加,即得到对称的共生矩阵。

4. offset位移,距离 ,定义为


[row_offset, col_offset]


此处借用MATLAB的图。

坐标系如下,注意方括号里的值代表的是[


row, col


]【即(y, x)】上对应的位移,与OpenCV的图片坐标表示是一样的。

如果要产生对称的GLCM,需要计算八个方向【东&西、南&北、东北&西南、西北&东南】;

不对称的GLCM,只需计算四个方向【东、东北、北、西北】

如何产生对称的共生矩阵GLCM图例说明

原始图:

水平方向共生矩阵

Framework matrix 框架矩阵(组合矩阵):

东边(右边)方向的共生点对(0,0) (0,1) (2,2)【(参考点,共生点)】【注意:(2,2)出现了三次】

参考点东边E(1,0)的共生统计结果如下,记为原矩阵 O :

将上面矩阵转置得到下面的转置矩阵T

原矩阵 O 与转置矩阵 T 相加,得到水平方向的共生矩阵,其中共生点对之间的距离为1。

这个共生矩阵有效点对的次数为4+2+1+2+4+1+6+1+1+2=24,而共生点对(2,2)共出现了6次。

那么共生点对(2,2)出现的概率为6/24=1/4 即25%, 共生点对(2,3)的出现概率为1/24=4.2%.

最后一步:归一化

每个格子的值(Value)除以总数(sum)就得到概率矩阵。

上面水平方向的共生矩阵中总数为24,归一化后即得到如下矩阵

垂直方向共生矩阵

Count(south) matrix + Transpose(north) matrix = Symmetrical(vertical) matrix

参考点南边(0,1)的矩阵 + 转置矩阵 = 垂直方向上对称的共生矩阵

概率矩阵:垂直方向上的对称共生矩阵归一化之后的结果如下:

归一化公式

产生对称的共生矩阵GLCM总结

产生对称的共生矩阵的步骤:

1. Create a framework matrix taking into account the bit depth【考虑图像位深、灰度级别,建立一个框架矩阵】

2. Decide on the spatial relation between the reference and neighbour pixel【确定参考像素与共生像素的空间关系,如水平方向–东、垂直方向 — 北、对角线方向–东北、对角线方向–东南等】【注意:只考虑一个方向】

3. Count the occurrences and fill in the framework matrix【计算点对的出现次数,并填入矩阵中,得到原矩阵 O】

4. Add the matrix to its transpose to make it symmetrical【将原矩阵 O 的转置矩阵 T 加到 原矩阵 O 中,产生对称的共生矩阵】

5. Normalize the matrix to conceptually turn it into probabilities.【归一化,转为概率矩阵】

官方说明


1、https://www.mathworks.com/help/images/ref/graycomatrix.html

【灰度共生矩阵原理,步距、方向原理等说明,及MATLAB代码】

2、https://prism.ucalgary.ca/handle/1880/51900

【一本入门教程,可以下载为pdf小册子,里面有详细的范例《GLCM Texture: A Tutorial v. 3.0 March 2017》】

3、Haralick, R.M., K. Shanmugan, and I. Dinstein, “Textural Features for Image Classification”, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Vol. SMC-3, 1973, pp. 610-621.  【方法提出者】



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