Learning-notes

datetime:2022/04/11 15:07

author:nzb

图像处理

灰度图

• 灰度是一种图像亮度的表示方法

• gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY )

二值化（图像阈值）

• ret, dst = cv2.threshold(src, thresh, maxval, type)

  简单二值化

  • src： 输入图，只能输入单通道图像，通常来说为灰度图

  • dst： 输出图

  • thresh（ret）： 阈值

  • maxval： 当像素值超过了阈值（或者小于阈值，根据type来决定），所赋予的值

    最大：255

  • type：二值化操作的类型，包含以下5种类型

    • cv2.THRESH_BINARY：超过阈值部分取maxval（最大值），否则取0

    • cv2.THRESH_BINARY_INV：THRESH_BINARY的反转

    • cv2.THRESH_TRUNC：大于阈值部分设为阈值，否则不变

    • cv2.THRESH_TOZERO：大于阈值部分不改变，否则设为0

    • cv2.THRESH_TOZERO_INV：THRESH_TOZERO的反转

• ret2,dst2= cv2.threshold(img, 0, 255, cv2.THRESH_BINARY

  cv2.THRESH_OTSU)

  Otsu （大津）二值化：找到最合适的阈值，其中threshold设置为0配合cv2.THRESH_OTSU，寻找最适合的阈值

• 示例

  • 

HSV变换

• HSV即使用：色相（Hue）、饱和度（Saturation）、明度（Value）来表示色彩的一种方式。

  • 色相：将颜色使用0∘到360∘表示，就是平常所说的颜色名称，如红色、蓝色。

  • 饱和度：是指色彩的纯度，饱和度越低则颜色越黯淡（0≤S<1）；

  • 明度：即颜色的明暗程度。数值越高越接近白色，数值越低越接近黑色（0≤V<1）；

• hsv = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2HSV)

图像滤波

图像降噪，使图像更清晰，更平滑

• 均值滤波

  • blur1 = cv2.blur(noise_img, (3,3))

    3 * 3的卷积核

  • 方框滤波

    基本和均值一样，可以选择归一化

    • 归一化

      计算均值滤波

      • blur2 = cv2.boxFilter(noise_img,-1, (3,3), normalize=True)

        -1是固定值，一般不需要改变

    • 未归一化

      容易越界（未取均值，超过255，一旦越界就取255）

      • blur3 = cv2.boxFilter(noise_img,-1, (3,3), normalize=False)

• 高斯滤波

  更看重权重，离目标远的权重小，离目标近的权重大

  • gussian = cv2.GaussianBlur(noise_img, (5, 5), 1)

    5*5的卷积核

• 中值滤波

  • median = cv2.medianBlur(noise_img, 5)

    5*5的卷积核

形态学处理

处理二值化图像，获取轮廓 腐蚀=瘦身，膨胀=增

• 腐蚀（Erode）

  • kernel = np.ones((3,3), dtype=np.uint8)

    核

  • erode_img = cv2.erode(img, kernel, iterations=1)

    iterations：迭代（腐蚀）次数

  • 不同腐蚀次数的变化

    • 

• 膨胀（Dilate）

  • kernel = np.ones((3,3), dtype=np.uint8)

    核

  • dilate_img = cv2.dilate(erosion, kernel, iterations=1)

  • 不同膨胀次数的变化

    • 

• 开运算与闭运算

  open_close_kernel = np.ones((5,5), np.uint8)

  • 开运算：先腐蚀，后膨胀

    开运算可以用来去除仅存的小块像素。

    • openimg = cv2.morphologyEx(img, cv2.MORPH_OPEN, open_close_kernel)

  • 闭运算：先膨胀，后腐蚀

    • closeimg = cv2.morphologyEx(img, cv2.MORPH_CLOSE, open_close_kernel)

  • 

• 梯度运算

  kernel = np.ones((7,7), np.uint8)

  • 梯度 = 膨胀 - 腐蚀

  • 形态学梯度为经过膨胀操作（dilate）的图像与经过腐蚀操作（erode）的图像的差，可以用于抽出物体的边缘。

  • gradient = cv2.morphologyEx(pie, cv2.MORPH_GRADIENT, kernel)

  • 

• 顶帽和黑帽

  kernel = np.ones((7,7), np.uint8)

  • 顶帽

    顶帽 = 原始输入 - 开运算

    • tophat = cv2.morphologyEx(img1, cv2.MORPH_TOPHAT, kernel)

  • 黑帽

    黑帽 = 闭运算 - 原始输入

    • blackhat = cv2.morphologyEx(img1, cv2.MORPH_BLACKHAT, kernel)

  • 

角点检测（图像梯度，边缘检测步骤）

• Sobel算子

  • 卷积核

    • 
  • dst = cv2.Sobel(src, ddepth, dx, dy, ksize)

    dx=0，dy=1，只计算垂直方向
    dx=1，dy=0，只计算水平方向
    dx=1，dy=1，直接计算（不建议，效果不好，建议分开计算再）

    • ddepth：图像的深度

    • dx和dy：分别表示水平和竖直方向

    • ksize：是Sobel算子的大小（核大小）

  • sobel = cv2.convertScaleAbs(sobel)

    白到黑是正数，黑到白就是负数了，所有的负数会被截断成0，所以要取绝对值

  • sobelxy = cv2.addWeighted(sobelx, 0.5, sobely, 0.5, 0)

    分别计算x和y，再求和 0.5：为权重

  • 示例

    • 代码

            lena = cv2.imread("../img/lena.jpg", cv2.IMREAD_GRAYSCALE) 
            # 分开计算 
            sobelx = cv2.Sobel(lena, cv2.CV_64F, 1, 0, ksize=3) 
            sobelx = cv2.convertScaleAbs(sobelx) 
            sobely = cv2.Sobel(lena, cv2.CV_64F, 0, 1, ksize=3) 
            sobely = cv2.convertScaleAbs(sobely) 
            sobelxy1 = cv2.addWeighted(sobelx, 0.5, sobely, 0.5, 0) 
            # 直接计算 
            sobelxy2 = cv2.Sobel(lena, cv2.CV_64F, 1, 1, ksize=3) 
            sobelxy2 = cv2.convertScaleAbs(sobelxy2)
            show_img([lena, sobelxy1, sobelxy2], hstack=True)
      

    • 

• Scharr算子

  更敏感

  • 卷积核

    • 

  • dst = cv2.Scharr(src, ddepth, dx, dy)

  • 示例

    • 代码

            scharrx = cv2.Scharr(lena, cv2.CV_64F, 1, 0) 
            scharry = cv2.Scharr(lena, cv2.CV_64F, 0, 1) 
            scharrx = cv2.convertScaleAbs(scharrx) 
            scharry = cv2.convertScaleAbs(scharry) 
            scharrxy = cv2.addWeighted(scharrx, 0.5, scharry, 0.5, 0)
      

    • 

• Laplacian算子

  二阶导，反应一阶导的变化率，所以对变化更敏感（对噪音点敏感，如果有噪音点就不好检测了）

  • 卷积核

    • 

  • dst = cv2.Laplacian(src, ddepth)

  • 示例

    • 代码

            laplacian = cv2.Laplacian(lena, cv2.CV_64F) 
            laplacian = cv2.convertScaleAbs(laplacian)
      

    • 

• 三者对比

  • 代码

          lena = cv2.imread("../img/lena.jpg", cv2.IMREAD_GRAYSCALE) 
          # 分开计算 
          sobelx = cv2.Sobel(lena, cv2.CV_64F, 1, 0, ksize=3) 
          sobelx = cv2.convertScaleAbs(sobelx) 
          sobely = cv2.Sobel(lena, cv2.CV_64F, 0, 1, ksize=3) 
          sobely = cv2.convertScaleAbs(sobely) 
          sobelxy1 = cv2.addWeighted(sobelx, 0.5, sobely, 0.5, 0) 
          
          # Scharr算子 
          scharrx = cv2.Scharr(lena, cv2.CV_64F, 1, 0) 
          scharry = cv2.Scharr(lena, cv2.CV_64F, 0,1) 
          scharrx = cv2.convertScaleAbs(scharrx) 
          scharry = cv2.convertScaleAbs(scharry) 
          scharrxy = cv2.addWeighted(scharrx, 0.5, scharry, 0.5, 0) 
          
          # Laplacian算子 
          laplacian = cv2.Laplacian(lena, cv2.CV_64F) 
          laplacian = cv2.convertScaleAbs(laplacian) 
          show_img([lena, sobelxy1, scharrxy, laplacian], hstack=True)
    

  • 

Canny边缘检测

• 1、 使用高斯滤波器，以平滑图像，滤除噪声。

  • 高斯滤波器

    • 

• 2、 计算图像中每个像素点的梯度强度和方向。

  在x方向和y方向上使用Sobel滤波器，在此之上求出边缘的强度和边缘的梯度

  • 梯度和方向

    • 

• 3、 应用非极大值（Non-Maximum Suppression）抑制，以消除边缘检测带来的杂散响应。

  • 非极大值抑制

  • 
  • 

• 4、 应用双阈值（Double-Threshold）检测来确定真实的和潜在的边缘。

  • 双阈值检测

    • 

• 5、 通过抑制孤立的弱边缘最终完成边缘检测。

  • 示例

    • 代码

          img=cv2.imread("lena.jpg",cv2.IMREAD_GRAYSCALE) 
          v1=cv2.Canny(img,80,150)
          v2=cv2.Canny(img,50,100) 
          # 80和150：minVal和maxVal 
          res = np.hstack((v1,v2))
          cv_show(res,'res')
    

    • 

图像金字塔

• 高斯金字塔

  • 

  • 高斯金字塔：向下采样方法（缩小）

    • 

  • 高斯金字塔：向上采样方法（放大）

    • 

  • 示例

    • 代码

            AM = cv2.imread("../img/AM.png") 
            up = cv2.pyrUp(AM) 
            down = cv2.pyrDown(AM)
            show_img([AM,up,down])
      

    • 展示

      • 原图

        • 

      • 向上

        • 

      • 向下

        • 

• 拉普拉斯金字塔

  • Gi：原图

    • 

  • 示例

    • 代码

            down = cv2.pyrDown(AM) 
            down_up = cv2.pyrUp(down) 
            ret = AM - down_up
            show_img([AM,ret], hstack=True)
      

    • 

图像轮廓

• contours, hierarchy = cv2.findContours(img,mode,method)

  为了更高的准确率，使用二值图像。 contours：轮廓信息（用得较多的数据） hierarchy：层级

  • mode：轮廓检索模式

    • RETR_EXTERNAL ：只检索最外面的轮廓；

    • RETR_LIST：检索所有的轮廓，并将其保存到一条链表当中；

    • RETR_CCOMP：检索所有的轮廓，并将他们组织为两层：顶层是各部分的外部边界，第二层是空洞的边界;

    • RETR_TREE：检索所有的轮廓，并重构嵌套轮廓的整个层次;

      常用

  • method：轮廓逼近方法

    • CHAIN_APPROX_NONE：以Freeman链码的方式输出轮廓，所有其他方法输出多边形（顶点的序列）。

      常用

    • CHAIN_APPROX_SIMPLE:压缩水平的、垂直的和斜的部分，也就是，函数只保留他们的终点部分。

    • 

  • 示例

    • 代码

      # 为了更高的准确率，使用二值图像。 
      img = cv2.imread("../img/car.png") 
      gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY) 
      ret, thresh = cv2.threshold(gray, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY) 
      contours, hierarchy = cv2.findContours(thresh, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_NONE) 
      show_img([img, thresh])
      

绘制轮廓

• res = cv2.drawContours(copy_img, contours, -1, (0,0,255), 2)

  • 传入绘制图像， 轮廓， 轮廓索引， 颜色模式， 线条厚度
  • -1：所有的轮廓都画出来，0：对应的第0个轮廓，1：对应的第1个轮廓
  • （0,0,255）：对应：B,G,R，轮廓的颜色（这里是红色）
  • 2：线条宽度

• 示例

  • 代码

        # 注意需要copy,要不原图会变 
        copy_img = img.copy() 
        res = cv2.drawContours(copy_img, contours, -1, (0,0,255), 2) 
        show_img([img, res])
    

  • 

• 轮廓特征

        # 第一个轮廓 
        cnt = contours[0] 
        # 面积 
        area = cv2.contourArea(cnt) 
        # 周长，True：表示闭合的
        perimeter = cv2.arcLength(cnt, True) 
        print("面积：",area) 
        print("周长：", perimeter)
  

• 轮廓近似

  • 

  • 示例

    • 代码

            img = cv2.imread("../img/contours2.png") 
                      
            gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY) 
            ret, thresh = cv2.threshold(gray, 127,255, cv2.THRESH_BINARY) 
            contours,hierarchy = cv2.findContours(thresh, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_NONE) 
            cnt = contours[0]  
                      
            # 绘制轮廓 
            draw_img = img.copy() 
            res1 = cv2.drawContours(draw_img, [cnt], -1, (0, 0, 255), 2) 
                      
            # 轮廓近似
            epsilon = 0.1 * cv2.arcLength(cnt, True) # 按周长比例 
            approx = cv2.approxPolyDP(cnt, epsilon, True) # 近似 
                
            draw_img = img.copy() 
            res2 = cv2.drawContours(draw_img, [approx], -1, (0, 0, 255), 2) 
            show_img([img, res1,res2], hstack=True)
      

    • 

• 边界矩形

  • 示例

    • 代码

            img = cv2.imread("../img/contours.png") 
            gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY) 
            ret, thresh = cv2.threshold(gray, 127,255, cv2.THRESH_BINARY) 
            contours,hierarchy = cv2.findContours(thresh, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_NONE) 
            cnt = contours[0] # 0：第0个轮廓也就是这里的三角形的外接矩形（外轮廓）; 1：内轮廓（内接矩形）..... 
            x,y,w,h = cv2.boundingRect(cnt)
            img = cv2.rectangle(img, (x,y), (x+w, y+h), (0,0,255), 2) 
            show_img([img])
      

    • 

  • 应用

    • 计算面积比

            area = cv2.contourArea(cnt) 
            x, y, w, h = cv2.boundingRect(cnt) 
            rect_area = w * h 
            extent = float(area) / rect_area 
            print ('轮廓面积与边界矩形比',extent)
      

• 外接圆

  • 示例

    • 代码

            (x,y),radius = cv2.minEnclosingCircle(cnt) 
            center = (int(x),int(y)) 
            radius = int(radius) 
            img =cv2.circle(img,center,radius,(0,255,0),2)
            show_img([img])
      

    • 

图像模板匹配

*

模板匹配和卷积原理很像，模板在原图像上从原点开始滑动，计算模板与（图像被模板覆盖的地方）的差别程度，这个差别程度的计算方法在opencv里有6种，然后将每次计算的结果放入一个矩阵里，作为结果输出。假如原图形是AxB大小，而模板是axb大小，则输出结果的矩阵是( A-a+1)x(B-b+1)

• res = cv2.matchTemplate(img, template, cv2.TM_SQDIFF)

  推荐使用包含归一化的

  • TM_SQDIFF：计算平方不同，计算出来的值越小，越相关

  • TM_CCORR：计算相关性，计算出来的值越大，越相关

  • TM_CCOEFF：计算相关系数，计算出来的值越大，越相关

  • TM_SQDIFF_NORMED：计算归一化平方不同，计算出来的值越接近0，越相关

  • TM_CCORR_NORMED：计算归一化相关性，计算出来的值越接近1，越相关

  • TM_CCOEFF_NORMED：计算归一化相关系数，计算出来的值越接近1，越相关

  • 公式

• min_val, max_val, min_loc, max_loc = cv2.minMaxLoc(res)

  最小值，最大值，最小值位置，最大值位置

• 示例

  • 代码

        img = cv2.imread('../img/lena.jpg', 0)
        template = cv2.imread('../img/face.jpg',0)
        h,w = template.shape[:2]
        methods = ['cv2.TM_CCOEFF', 'cv2.TM_CCOEFF_NORMED', 'cv2.TM_CCORR',
                   'cv2.TM_CCORR_NORMED', 'cv2.TM_SQDIFF', 'cv2.TM_SQDIFF_NORMED']
        # 模板匹配
        res = cv2.matchTemplate(img, template, cv2.TM_SQDIFF)
        # 最小值，最大值，最小值位置，最大值位置
        min_val, max_val, min_loc, max_loc = cv2.minMaxLoc(res)
        # 绘图比较
        for meth in methods:
            img2 = img.copy()
              
            # 匹配方法的真值
            method = eval(meth)   # 不能是字符串
            res = cv2.matchTemplate(img, template, method)
            min_val, max_val, min_loc, max_loc = cv2.minMaxLoc(res)
              
            # 如果是平方差匹配TM_SQDIFF或归一化平方差匹配TM_SQDIFF_NORMED，取最小值
            if method in [cv2.TM_SQDIFF, cv2.TM_SQDIFF_NORMED]:
                top_left = min_loc
            else:
                top_left = max_loc
            bottom_right = (top_left[0] + w, top_left[1] + h)
              
            # 画矩形
            cv2.rectangle(img2, top_left, bottom_right, 255, 2)
              
            plt.subplot(121), plt.imshow(res, cmap='gray')
            plt.xticks([]), plt.yticks([])  # 隐藏坐标轴
            plt.subplot(122), plt.imshow(img2, cmap='gray')
            plt.xticks([]), plt.yticks([])
            plt.suptitle(meth)
            plt.show()
    

  • 展示

    • 模板
    • 
    • 
    • 
    • 
    • 
    • 
    • 

• 匹配多个对象

  • 代码

        img_rgb = cv2.imread('../img/mario.jpg')
        img_gray = cv2.cvtColor(img_rgb, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        template = cv2.imread('../img/mario_coin.jpg', 0)
        h, w = template.shape[:2]
              
        res = cv2.matchTemplate(img_gray, template, cv2.TM_CCOEFF_NORMED)
        threshold = 0.8
        # 取匹配程度大于%80的坐标
        loc = np.where(res >= threshold)
        # *号表示可选参数
        for pt in zip(*loc[::-1]): 
            bottom_right = (pt[0] + w, pt[1] + h)
            cv2.rectangle(img_rgb, pt, bottom_right, (0, 0, 255), 2)
              
        show_img([template, img_rgb])
    

  •