CN112861768A - 一种hsv空间上的非结构化道路识别方法 - Google Patents

一种hsv空间上的非结构化道路识别方法 Download PDF

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CN112861768A CN202110227588.4A CN202110227588A CN112861768A CN 112861768 A CN112861768 A CN 112861768A CN 202110227588 A CN202110227588 A CN 202110227588A CN 112861768 A CN112861768 A CN 112861768A
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Abstract

本发明公开了一种HSV空间上的非结构化道路识别方法,属于智能汽车辅助驾驶技术领域。本发明对非结构化道路彩色图像,首先计算S分量矩阵,通过OSTU法计算阈值,初步识别道路区域,得到黑白识别结果图。然后,将黑白图像划分成多个方格,计算每个方格内黑白像素比例并转化为一个像素,得到一个较小的二值图像。在小的二值图像上采用搜寻道路左右轮廓的方法确定道路粗略区域。最后对应到S分量上,据边缘到边缘法精确识别道路边缘及道路区域。本发明能较好识别非结构化道路,抗干扰能力强,对道路形状不敏感,且计算量较小,符合无人驾驶系统实时性要求。

Description

一种HSV空间上的非结构化道路识别方法
技术领域
本发明涉及一种HSV空间上的非结构化道路识别方法,属于智能汽车辅助驾驶技术领域。
背景技术
车辆的自动驾驶系统是计算机视觉的一个重要应用领域,道路识别算法是该领域的关键技术之一。道路图像识别为安全驾驶与车辆路线自动规划提供了重要依据。
实际的道路可分为结构化道路和非结构化道路两类。结构化道路一般有明显的车道线和道路边界,检测方法比较成熟。非结构化道路一般指结构化程度较低的道路,这类道路没有车道线和清晰的道路边界,再加上阴影和水迹等干扰物的影响,检测难度相对较大。
目前,非结构化道路的检测算法主要分为基于特征的方法、基于模型的方法、基于卷积神经网络的方法和基于支持向量机的方法。基于特征的道路检测算法,主要是根据道路在颜色、纹理、梯度等特征上的不同,与非道路进行区分。其优点是对道路形状不敏感,需要的先验知识少,但是对阴影和水迹较为敏感,处理计算量较大。基于模型的方法,首先需要找到最匹配的道路模型,该方法检测出的道路区域较为完整,但是对于复杂的路面形状,无法建立有效的模型。基于卷积神经网络的方法和基于支持向量机的方法,需要对大量样本进行训练。
鉴于此,开发一种能有效精确识别非结构化道路区域的方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于非结构化道路边界难以精确界定,且易受阴影、道路中干扰物的影响,提出了一种HSV模型非结构化道路识别方法,旨在解决现有对道路阴影、障碍物等干扰,精确识别非结构化道路区域,且计算量符合无人驾驶系统实时性要求。
本发明是一种HSV模型非结构化道路识别方法,具体通过以下步骤实现:
步骤1、通过车载单镜头CCD摄像机获取非结构化道路彩色图像。由道路彩色图像RGB 模型计算S分量,用OSTU方法计算阈值,初步识别道路区域和非道路区域,得到黑白识别图像。
步骤1-1、对大小为M×N的道路彩色图像,由RGB模型计算S分量。这里,R(Red) 表示红色,G(Green)表示绿色,B(Blue)表示蓝色;S分量是HSV模型中的S。H(Hue) 表示色调,S(Saturation)表示饱和度,V(Value)表示明度。
设C max(i,j)=max(R(i,j),G(i,j),B(i,j)),C min(i,j)=min(R(i,j),G(i,j),B(i,j)),则有
Figure BSA0000234855080000021
式中,i=0,...,M-1,j=0,...,N-1;R(i,j)∈[0,255],G(i,j)∈[0,255],B(i,j)∈[0,255], S(i,j)∈[0,255]。
Figure BSA0000234855080000022
表示取整运算。
步骤1-2、对矩阵S,用OSTU方法计算阈值Thre。
OSTU算法也称为最大类间差法,按图像的灰度特性将图像分成两个类,当类间方差与类内方差的分离度最大时即为最佳阈值。将道路和非道路的识别阈值记为Thre,道路像素个数占整个矩阵S像素个数的比例记为p1,平均像素值为μ1;非道路像素个数占整个矩阵S像素个数的比例记为p2,平均像素值为μ2;矩阵S总平均像素值为μ,类间方差为σ;矩阵 S大小为M×N,其中像素值小于阈值Thre的像素个数记为N1,像素值小于阈值Thre的像素个数记为N2,则有:
μ1=N1/(M×N)
μ2=N2/(M×N)
N1+N2=M×N
μ12=1
μ=μ1×p12×p2
σ=p1×(μ-μ1)2+p2×(μ-μ2)2
=p1×p2×(μ12)2
采用遍历法得到使类间方差σ最大的阈值,即为所求阈值Thre。
步骤1-3、矩阵S中,初步识别为两类0(表示道路像素)、255(表示非道路像素),得到大小为M×N的黑白二值图像WB,其像素值为ω(i,j)。
Figure BSA0000234855080000023
其中,S(i,j)为矩阵S中的值。
步骤2、将所得的初步识别结果黑白二值图像WB,划分成多个方格;计算方格内黑白像素比例,转换成更小的二值图像。该步骤旨在减少道路识别时间,提高识别效率。
步骤2-1、对步骤1-3所得到的大小为M×N黑白二值图像WB,设定初始值r(一般可设为r=8),将图像分成s×t个方格,其中每个方格大小为r×r,如图2(a)所示:
Figure BSA0000234855080000031
式中,
Figure BSA0000234855080000032
表示取整运算。
这里(M/r,N/r)不一定是整数,可把图像顶部,和左右截取一部分,使得s,t是整数。该处理方式合理,计算量小。
步骤2-2、计算每个方格黑白像素比例:
pi(i,j)=NW(i,j)/Nz(i,j)
式中,i=1,...,s,j=1,...,t,NW(i,j)和Nz(i,j)分别表示第i行,j列个方格中白色像素个数和总的像素个数。
pi(i,j)取值在[0,1]之间,pi是一个维数为s×t的矩阵,乘以255取整,可以图像的形式显示结果。
步骤2-3、将pi转换成二值图像。设定转换阈值,将图像转换成二值图像:
Figure BSA0000234855080000033
考虑到道路区域白点很少,故系数kcoef的选取比较小,通常设定为[0.01 0.05]之间。一般可取为0.01。显然,二值图像wp大小为s×t。
步骤3、对步骤2所得的二值图像,由每行连续黑色像素个数最大的黑色像素串,确定道路搜索起点和道路消失点。
步骤3-1、从底部向上搜索大小为s×t二值图像wp,对每行连续黑色像素个数最大的黑色像素串,将其最左边、最右边黑色像素列位置大小,及最大黑色像素串个数记入向量yA中。设置道路消失点像素个数阈值rTh,当黑色像素串个数不小于rTh时,结束搜索。
Figure BSA0000234855080000034
式中,向量yA第一列
Figure BSA0000234855080000035
是每行最大黑色像素串最左边像素的列位置大小;第二列
Figure BSA0000234855080000038
是每行最大黑色像素串最右边像素的列位置大小;第三列
Figure BSA0000234855080000036
是每行最大黑色像素串像素个数大小。s是二值图像wp总行数;从底部向上搜索二值图像wp,当最大黑色像素串个数小于rTh,即
Figure BSA0000234855080000037
时,停止搜索,此时对应的二值图像wp的行大小即为m。
步骤3-2、向量yA,第三列
Figure BSA0000234855080000041
值最小时,对应的二值图像wp行值的最大值,记为道路消失点re;从道路图像底部(第s行)到道路图像四分之三(第s×3/4行),向量yA第三列
Figure BSA0000234855080000042
值最大时,对应的二值图像wp行值的最小值,记为道路搜索起点rs。
步骤4、大小为s×t二值图像wp中,搜索从起点rs开始到消失点re结束,采用左右搜索法,搜寻道路左右轮廓。
步骤4-1、搜索起点为rs,对应的左右边缘像素点为
Figure BSA0000234855080000043
道路宽度一半的初始值为
Figure BSA0000234855080000044
设置道路消失点像素个数阈值rTh,设置向左右搜索像素个数阈值npixelTh。取npixel=min(npixelTh,rHalfWidth)。
步骤4-2、首先搜索道路左边缘,如图2(b)所示。在二值图像wp中,左边缘的起点为(rs,
Figure BSA0000234855080000045
)。以此为起点,向上一行取像素点Lp(rs-1,
Figure BSA0000234855080000046
),即行数减1,列数不变。(1)若像素点Lp像素值等于255,则在该行向右搜索,直到像素点像素值为0,停止搜索,对应的像素点即为该行左边缘像素点Lp(rs-1,
Figure BSA0000234855080000047
)。(2)若像素点Lp像素值等于0,分为以下两种情况处理:(a)在该行向右搜索,最多不超过npixel个像素点。若遇到像素点像素值等于255,继续向右搜索,直到像素点像素值等于0,停止搜索,对应的像素点即为该行左边缘像素点 Lp(rs-1,
Figure BSA0000234855080000048
);若没有遇到像素点像素值等于255,则转(b)。(b)以像素点Lp为起点,向左搜索,直到遇到像素值为255的像素点,或搜索到图像边缘,停止搜索,对应的像素点即为该行左边缘像素点Lp(rs-1,
Figure BSA0000234855080000049
)。
步骤4-3、其次搜索道路右边缘。与步骤4-2类似。右边缘像素点记为Rp(rs-1,
Figure BSA00002348550800000410
)。
步骤4-4、道路宽度的一半重新计算为
Figure BSA00002348550800000411
取npixel=min(npixelTh,rHalfWidth)。循环运行步骤4-2、4-3,直到2*rHalfWidlh<rTh,或搜索图像行数小于步骤3所得道路消失点re,停止计算。将停止搜索行重新记录为道路消失点re值。
步骤4-5、对大于搜索起点rs的图像部分,与步骤4-1至4-4类似,搜索得到左右边缘像素点。
步骤5、由步骤2可知,步骤4中的每个像素点,对应步骤1的S矩阵中一个方格,包含r×r个像素。根据步骤4搜索到的左右轮廓像素点,结合步骤2,找到步骤1中S矩阵所对应的像素方块;在方块中由边缘到边缘方法,确定最终的道路边缘像素点。
步骤5-1、以左边缘像素点Lp(i,
Figure BSA00002348550800000412
)为例,如图2(c)所示。对应S矩阵中一个方格SL,包含r×r个像素。(1)若
Figure BSA00002348550800000413
即左边缘像素点Lp在二值图像wp的第一列上,则在对应到道路原图的方格中,搜索的左边缘点也在S矩阵的第一列上,即对应的r个左边缘值也取值为0。(2)若
Figure BSA0000234855080000051
则向左移动取一个像素点,即取像素点Ln(i,
Figure BSA0000234855080000052
),对应S矩阵中一个方格SA,包含r×r个像素,转步骤5-2。(3)若
Figure BSA0000234855080000053
则向左移动取两个像素点,即取像素点Ln(i,
Figure BSA0000234855080000054
)和Lm(i,
Figure BSA0000234855080000055
),对应S矩阵中两个方格,分别包含r×r个像素,合并为一个方格SA,即包含r×2r个像素,转步骤5-2。
步骤5-2、在S矩阵中的方格SA上,以SS上最右边像素点为搜索起点,向左搜索,若遇到像素点为255或超过方格SA左边界,停止搜索,该像素点为该行的左边缘点。
步骤5-3、原道路右边缘点搜索与左边缘点类似,即与步骤5-1、5-2类似。不同点在于,步骤5-2(2)中,向右移动一个或两个像素点。
有益效果
本发明是一种HSV空间上的非结构化道路识别方法。对非结构化道路彩色图像,首先计算S分量矩阵,通过OSTU法计算阈值,并初步识别道路区域,得到黑白识别结果图。然后,将黑白图像划分成多个方格,得到一个较小的二值图像。在小的二值图像上采用搜寻道路左右轮廓的方法确定道路粗略区域。最后再对应到S分量上,据边缘到边缘法精确识别道路边缘及道路区域。本发明能较好识别非结构化道路,抗干扰能力强,对道路形状不敏感,且计算量较小,符合无人驾驶系统实时性要求。
附图说明
图1是本发明一种HSV空间上的非结构化道路识别方法的构思流程图。
图2是道路搜索示意图。
图2(a)是S分量方格分割图。
图2(b)是方格二值图像上道路边缘搜索图。
图2(c)是S分量上道路边缘搜索图。
图3是郊外道路识别图。
图3(a)是采集到的原图。
图3(b)是S分量图。
图3(c)是S分量中,由OSTU阈值,初步识别道路黑白图像。
图3(d)是S分量中,分割的方格二值图像。
图3(e)是方格二值图像中,道路边缘曲线图。
图3(f)是方格二值图像中道路识别图。
图3(g)是道路识别结果图。
图4郊外道路识别图,其中(a)是采集的原图,(b)是道路识别图。
图5郊外道路识别图,其中(a)是采集的原图,(b)是道路识别图。
图6郊外道路识别图,其中(a)是采集的原图,(b)是道路识别图。
图7校园道路识别图,其中(a)是采集的原图,(b)是道路识别图。
图8校园道路识别图,其中(a)是采集的原图,(b)是道路识别图。
图9小区道路识别图,其中(a)是采集的原图,(b)是道路识别图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述:
实施例:
为了验证道路识别方法的有效性,在不同类型的非结构化道路场景下做了道路识别实验。具体实施方法为:
一、以大小为425×606单幅道路彩色图像为例,详细说明实施方法。
(一)对道路图像,先进行预处理,再进行S分量变换,计算阈值,初步识别道路。
对大小为425×606道路原图像,为方便以下步骤,先做截取预处理。取r=8,据步骤2 可得到大小为53×75的二值图像。故对原图像,截取第1行,左右各截取3列,得到大小为 424×600(53×8,75×8)道路彩色图像,如图3(a)所示。
对截取后的大小为424×600的道路彩色图像,进行S分量变换,所得到的S分量图像,如图3(b)所示。由OSTU法,计算得到阈值Thre=70。初步识别道路结果,如图3(c)所示。黑色区域像素值小于阈值Thre,为道路区域;白色区域像素值大于等于阈值Thre,为非道路区域。图(a)、(b)、(c)大小相同,均为424×600。
(二)取r=8,由步骤2,将大小为424×600道路S分量图像,分割为多个8×8小方格;计算每个方格黑白像素比例;取kcoef=0.01,将图像转化为53×75的二值图像,如图3(d)所示。显然,图3(d)大小是图3(c)大小的八分之一,但这里为了更清晰观察图3(d),将其适当放大显示。
(三)由步骤3,可设置rTh=2,得到向量yA,如图3(e)所示。图中虚线曲线“--”是yA的第一列,即道路左边缘曲线;虚点曲线“..”是yA的第二列,即道路右边缘曲线;实线曲线是yA的第三列,即道路宽度曲线。横坐标对应于方格二值图像的行取值,纵坐标对应于方格二值图像的列取值。曲线显示的起始点为m×对应于步骤3-1中的m,这里m=27;道路底部行值大小为s×t二值图像的行值s,这里s=53。结合图3(e),由步骤3-2可得,道路搜索道路消失点re=27,道路搜索起点rs=47。
(四)由步骤4,设置npixelTh=6,在步骤2所得大小为53×75二值图像上搜索,得到道路左右边缘像素点位置。取左右边缘及之间的像素取值为0,其它取值为255,结果图像如图3(f)所示。黑色区域为道路区域,白色区域为非道路区域。
(五)由步骤5结合步骤4所得道路左右边缘,在图3(c)上搜索道路左右边缘。为方便对比,将左右边缘及之间的像素取值为255,其它区域像素值与原图相等,所得结果图如图 3(g)所示。图中,白色区域是道路,其它区域为原图像信息。很显然,道路识别方法有效。
二、以多幅道路彩色图像为例,验证道路识别方法的有效性。
多幅道路图像识别结果,如图4至图9。图4至图6为郊外道路图;图7和图8是校园道路图;图9是小区道路图。其中,图(a)是道路原图,图(b)是道路识别图。图(b)中识别的道路用白色表示。可见,道路识别方法有效。
以上所述为本发明的较佳实施例而已,本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改,都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种HSV空间上的非结构化道路识别方法,其特征在于,包括下列步骤:
步骤1、采集道路彩色图像。计算S分量,用OSTU法计算阈值,初步识别道路区域,得到黑白识别图像。
步骤2、对所得的初步识别结果黑白图像,划分成多个方格,计算方格内黑白像素比例,转换成一个较小的二值图像。
步骤3、对所得的较小二值图像,由每行连续黑色像素个数最大的黑色像素串,确定道路搜索起点和道路消失点。
步骤4、对所得的较小二值图像中,采用轮廓左右跟踪法搜索道路左右边缘,并最终确定道路消失点。
步骤5、结合步骤4的结果,在步骤1的黑白识别图像中,按边缘到边缘方法,精确搜索道路左右边缘线,实现精准识别道路区域。
2.根据权利要求1所述方法,其特征在于,所述步骤1进一步包括以下步骤:
步骤1-1、对大小为M×N的道路彩色图像,由RGB模型计算S分量。
设C max(i,j)=max(R(i,j),G(i,j),B(i,j)),C min(i,j)=min(R(i,j),G(i,j),B(i,j)),则有
Figure FSA0000234855070000011
式中,i=0,…,M-1,j=0,…,N-1;R(i,j)∈[0,255],G(i,j)∈[0,255],B(i,j)∈[0,255],S(i,j)∈[0,255]。
Figure FSA0000234855070000012
表示取整运算。
步骤1-2、对矩阵S,用OSTU方法计算阈值Thre。
将道路和非道路的识别阈值记为Thre,道路像素个数占整个矩阵S像素个数的比例记为p1,平均像素值为μ1;非道路像素个数占整个矩阵S像素个数的比例记为p2,平均像素值为μ2;矩阵S总平均像素值为μ,类间方差为σ;矩阵S大小为M×N,其中像素值小于阈值Thre的像素个数记为N1,像素值小于阈值Thre的像素个数记为N2,则有:
μ1=N1/(M×N)
μ2=N2/(M×N)
N1+N2=M×N
μ12=1
μ=μ1×p12×p2
σ=p1×(μ-μ1)2+p2×(μ-μ2)2
=p1×p2×(μ12)2
采用遍历法得到使类间方差σ最大的阈值,即为所求阈值Thre。
步骤1-3、矩阵S中,初步识别为两类0(表示道路像素)、255(表示非道路像素),得到大小为M×N的黑白二值图像WB,其像素值为ω(i,j)。
Figure FSA0000234855070000021
其中,S(i,j)为矩阵S中的值。
3.根据权利要求1所述方法,其特征在于,所述步骤2进一步包括以下步骤:
步骤2-1、对步骤1-3所得到的大小为M×N黑白二值图像WB,设定初始值r(一般可设为r=8),将图像分成s×t个方格,其中每个方格大小为r×r。
Figure FSA0000234855070000022
式中,
Figure FSA0000234855070000023
表示取整运算。
这里(M/r,N/r)不一定是整数,可把图像顶部,和左右截取一部分,使得s,t是整数。该处理方式合理,计算量小。
步骤2-2、计算每个方格黑白像素比例:
pi(i,j)=NW(i,j)/Nt(i,j)
式中,i=1,…,s,j=1,…,t,NW(i,j)和Nz(i,j)分别表示第i行,j列个方格中白色像素和总的像素个数。
pi(i,j)取值在[0,1]之间,pi是一个维数为s×t的矩阵,乘以255,可以图像的形式显示结果。
步骤2-3、将pi转换成二值图像。设定转换阈值,将图像转换成二值图像:
Figure FSA0000234855070000024
考虑到道路区域白点很少,故系数kcoef的选取比较小,通常设定为[0.01 0.05]之间。一般可取为0.01。显然,二值图像wp大小为s×t。
4.根据权利要求1所述方法,其特征在于,所述步骤3进一步包括以下步骤:
步骤3-1、步骤3-1、从底部向上搜索大小为s×t二值图像wp,对每行连续黑色像素个数最大的黑色像素串,将其最左边、最右边黑色像素列位置大小,及最大黑色像素串个数记入向量yA中。设置道路消失点像素个数阈值rTh,当黑色像素串个数不小于rTh时,结束搜索。
Figure FSA0000234855070000031
式中,向量yA第一列
Figure FSA0000234855070000032
是每行最大黑色像素串最左边像素的列位置大小;第二列
Figure FSA0000234855070000033
是每行最大黑色像素串最右边像素的列位置大小;第三列
Figure FSA0000234855070000034
是每行最大黑色像素串像素个数大小。s是二值图像wp总行数;从底部向上搜索二值图像wp,当最大黑色像素串个数小于rTh,即
Figure FSA0000234855070000035
时,停止搜索,此时对应的二值图像wp的行大小即为m。
步骤3-2、向量yA,第三列
Figure FSA0000234855070000036
值最小时,对应的二值图像wp行值的最大值,记为道路消失点re;从道路图像底部(第s行)到道路图像四分之三(第s×3/4行),向量yA第三列
Figure FSA0000234855070000037
值最大时,对应的二值图像wp行值的最小值,记为道路搜索起点rs。
5.根据权利要求1所述方法,其特征在于,所述步骤4进一步包括以下步骤:
步骤4-1、搜索起点为rs,对应的左右边缘像素点为
Figure FSA0000234855070000038
道路宽度一半的初始值为
Figure FSA0000234855070000039
设置道路消失点像素个数阈值rTh,设置向左右搜索像素个数阈值npixelTh。取npixel=min(npixelTh,rHalfWidth)。
步骤4-2、首先搜索道路左边缘。在二值图像wp中,左边缘的起点为
Figure FSA00002348550700000310
以此为起点,向上一行取像素点
Figure FSA00002348550700000311
即行数减1,列数不变。(1)若像素点Lp像素值等于255,则在该行向右搜索,直到像素点像素值为0,停止搜索,对应的像素点即为该行左边缘像素点
Figure FSA00002348550700000312
(2)若像素点Lp像素值等于0,分为以下两种情况处理:(a)在该行向右搜索,最多不超过npixel个像素点。若遇到像素点像素值等于255,继续向右搜索,直到像素点像素值等于0,停止搜索,对应的像素点即为该行左边缘像素点
Figure FSA00002348550700000313
若没有遇到像素点像素值等于255,则转(b)。(b)以像素点Lp为起点,向左搜索,直到遇到像素值为255的像素点,或搜索到图像边缘,停止搜索,对应的像素点即为该行左边缘像素点
Figure FSA00002348550700000314
步骤4-3、其次搜索道路右边缘。与步骤4-2类似。右边缘像素点记为
Figure FSA00002348550700000315
步骤4-4、道路宽度的一半重新计算为
Figure FSA00002348550700000316
取npixel=min(npixelTh,rHalfWidth)。循环运行步骤4-2、4-3,直到2*rHalfWidth<rTh,或搜索图像行数小于步骤3所得道路消失点re,停止计算。将停止搜索行重新记录为道路消失点re值。
步骤4-5、对大于搜索起点rs的图像部分,与步骤4-1至4-4类似,搜索得到左右边缘像素点。
6.根据权利要求1所述方法,其特征在于,所述步骤5进一步包括以下步骤:
步骤5-1、以左边缘像素点
Figure FSA0000234855070000041
为例。对应S矩阵中一个方格SL,包含r×r个像素。(1)若
Figure FSA0000234855070000048
即左边缘像素点Lp在二值图像wp的第一列上,则在对应到道路原图的方格中,搜索的左边缘点也在S矩阵的第一列上,即对应的r个左边缘值也取值为0。(2)若
Figure FSA0000234855070000042
则向左移动取一个像素点,即取像素点
Figure FSA0000234855070000043
对应S矩阵中一个方格SA,包含r×r个像素,转步骤5-2。(3)若
Figure FSA0000234855070000044
则向左移动取两个像素点,即取像素点
Figure FSA0000234855070000045
Figure FSA0000234855070000046
Figure FSA0000234855070000047
对应S矩阵中两个方格,分别包含r×r个像素,合并为一个方格SA,即包含r×2r个像素,转步骤5-2。
步骤5-2、在S矩阵中的方格SA上,以SA上最右边像素点为搜索起点,向左搜索,若遇到像素点为255或超过方格SA左边界,停止搜索,该像素点为该行的左边缘点。
步骤5-3、原道路右边缘点搜索与左边缘点类似,即与步骤5-1、5-2类似。不同点在于,步骤5-2(2)中,向右移动一个或两个像素点。
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