图像局部纹理特征——GLCM（Grey-Level Co-occurrence Matrix）

本文参考自  OpenCV22（灰度共现矩阵/灰度共生矩阵）

一种描述图像局部区域或整体区域的某像素与相邻像素或一定距离内的像素的灰度关系的矩阵（大白话：灰度图像中某种形状的像素对，在全图中出现的次数）。

该矩阵中的元素值表示灰度级之间联合条件概率密度 P（i, j | d, θ），即在给定空间距离d和方向θ时，灰度以i为起始点（行），出现灰度级j（列）的概率（对频数进行归一化，即除以所有频数之和）。

1. 矩阵的大小：如果不对原图像进行灰度级别的压缩的话，GLCM的大小为原灰度级^2；在实际应用中，从纹理特征的计算效率以及GLCM矩阵的存储方面考虑，通常先把原始图像的灰度等级进行压缩，比如从灰度级别为0-255的8bit图像压缩为灰度级别0-31的5bit图像，相应的共生矩阵的维数就从256*256降低到了32*32。

2. 基准窗口：以当前像素为中心，尺寸通常为奇数（3*3, 5*5, 7*7等）的一个窗口。

3. 滑动窗口：以基准窗口作为参考窗口，通过先前规定的移动方向和步长进行移动的窗口。尺寸与基准窗口相同。

4. 移动方向：基准窗口与移动窗口的相对方向。移动方向可以任意设定，通常为 0°, 45°，90°，135°

5. 移动步长：基准窗口中心像素和滑动窗口中心像素的像素距离

灰度共生矩阵虽然提供了图像灰度方向、间隔和变化幅度的信息，但它不能直接提供区别纹理的特性，因此需要在GLCM的基础上计算用来定量描述纹理特征的统计属性——常用的9种纹理特征统计属性为

均值（Mean），方差（Variance），标准差（Std），同质性（Homogeneity），对比度（Contrast），非相似性（Dissimilarity），熵（Entropy），角二阶矩（Angular Second Moment），相关性（Correlation）

假设原图像为

对应的灰度值为

对灰度等级进行压缩（256 ->3）

可以知道，这个图像的灰度是3阶，也就是说，我们的GLCM，是3阶方阵（GLCM的阶数等于灰度的等级数）

δ：表示像素对的位置关系（两个像素相对位置关系，分为水平、垂直，+45，-45）

i、j：分别表示两个像素的灰度等级；

n(i, j)：表示灰度等级i和j的像素对，在δ定义的位置关系下，出现的次数

比如n(0,0)，δ定义为水平，(0,0)像素对水平排列在灰度图中出现的次数为“0”

比如n(0,1)，δ定义为水平，(0,1)像素对水平排列在灰度图中出现的次数为“12”

如图：

即最后得到的GLCM 如下（注意 (2,0), (1, 2) 水平出现的次数也为12）：

1.利用调子去表现质量感

物体因表层状态不同，对光的反射和吸收程度就不一样。而高光和反光

是物体在调子中的主要特征。一般表层粗糙的物体，在同一调子中关系柔和，

而表层光滑的物体对环境的反映敏感，并能在物体的表层中直接反映着光源

的形状，也能反映着它附近的物体形象。表面粗糙的物体，它们反映的高光

和反光不明显。有些高光已被吸收，光量减弱，光源的形状不明显，所以高

光和反光虽然在物体中所占的位置不多，但它们是不可忽视的部分。在素描

中，能敏锐地观察出高光与反光的特征，就能去表现物体的质量感。

2.利用物体的纹理和形状去表现质感

物体质地不同的另一个特征是它们有各自的纹理。如：在人物中，儿童

皮肤细嫩，老人皮肤有皱纹，眼睛凹下眼球明显，眉毛浓而粗糙；毛巾松软，

表面起伏不平，还有一定的厚度；而丝绸结实，表面光滑较薄；在水果中，

苹果圆滑，桔子凸凹不平；生活用品的火锅坚实，玻璃杯子脆而透明；它们

的质地在我们的视觉中能清楚地反映出来。为了表现它们的质感，就要认识

它们的纹理和形状特征。只有紧紧抓住它们的基本形状、纹理以及富有代表

性的细节，才能有效地表现出它们的质量感。

3.利用线条去表现质感

线条是表现质地的外部条件，是表现质量感的一种手段。采用不同的线

条，能表现出物体不同的质感。所以质地不同，用线的方法就有不同。如线

条的长短、挺直、弯曲、粗细、宽窄、轻重、深浅以及排线的方法、疏密、

繁简、层次的多少等等，它们对物体的质感有着直接的影响。

4.利用工具去表现质感

工具也是表现质感的辅助手段。针对物质不同的质量，选择和运用不同

的工具。

纸张是素描的工具之一，有些纸张表面纹路较粗，有些纸张的纹路则较

细。物体质感不同，就要选用不同的纸张。如表面光滑的瓷器，就不宜选用

较粗的画纸，用表面较细的纸比表面较粗的纸画出来的物体质感会更逼真。

此外，还有铅笔、木炭笔、炭精棒、橡皮、小刀、擦笔等工具也能很有

效地表现出各种物体的质感。这些工具如能使用得当，也是一种富于表现力

的重要因素。

5.其他因素对质感的作用

质感的表现还可以通过其他因素，如象征与联想也能显示出物体的质感

的差别。

浅调代表白、亮、轻。深调代表黑暗、重。直线代表平、硬、方。弧线

代表软、圆。细线代表光滑。粗线代表凸凹、起伏、毛粗糙。我们总是不可

避免地把作品中的各种质感与生活实践中通过视觉、触觉、味觉、嗅觉、听

觉联系起来。例如，看到作品中的苹果，会联想起它表层光滑和尝过的甜味；

看到表层光滑的火锅，会联想起它是金属的质地；看到透明的杯子会联想起

它是硬而脆的玻璃。

在素描中认真地描绘物体的质感，不但能使人在视觉上具有逼真的感

觉，并且还能体现出它们的重量感。质感和量感是紧紧相连的，如质感得到

了充分的表现时，也能引起人们对物体轻重的联系，从而也就有了量感。

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