OpenCV-图片操作

啊波阿波波2024-08-15 11:42

一.多种形态学

  • 形态学变换（Morphological Transformations）是一种基于形状的简单变换，它的处理对象通常是二值化图像。形态学变换有两个输入，一个输出：输入为原图像、核（结构化元素），输出为形态学变换后的图像。

1.核

  • 核（kernel）其实就是一个小区域，通常为3*3、5*5、7*7大小，有着其自己的结构，比如矩形结构、椭圆结构、十字形结构，如下图所示。

结构元素 (Kernel)

  • cv2.getStructuringElement(shape, ksize)
    • shape : 形状类型，包括：
      • cv2.MORPH_RECT：矩形。
      • cv2.MORPH_ELLIPSE：椭圆。
      • cv2.MORPH_CROSS：交叉。
    • ksize : 结构元素的大小，通常是一个tuple，例如(width, height)。

1.1. cv2.MORPH_RECT

cv2.MORPH_RECT代表矩形结构元素。它是一个矩形的内核，可以用于执行基本的形态学操作，例如膨胀、腐蚀、开运算和闭运算。

  • 用途：矩形结构元素常用于处理具有显然水平和垂直特征的图像，比如文本和边框。
  • 创建方式 ：可以通过cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_RECT, (宽度, 高度))来创建。
python 复制代码 
import cv2
import numpy as np

# 创建一个3x5的矩形结构元素
kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_RECT, (3, 5))

1.2. cv2.MORPH_ELLIPSE

cv2.MORPH_ELLIPSE代表椭圆形结构元素。它包含了一个椭圆形的内核，适用于处理形状比较圆滑的对象。

  • 用途：椭圆形结构元素通常用于图像中具有圆形或椭圆形特征的对象，能更好地保留对象的形状。
  • 创建方式 ：可以通过cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_ELLIPSE, (宽度, 高度))来创建。
python 复制代码 
# 创建一个5x5的椭圆形结构元素
kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_ELLIPSE, (5, 5))

1.3. cv2.MORPH_CROSS

cv2.MORPH_CROSS代表十字形结构元素。它包含一个十字形的内核动作。

  • 用途：十字符合某些特定应用的要求，例如保留图像中直线的结构，或者细化边缘。
  • 创建方式 ：可以通过cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_CROSS, (宽度, 高度))来创建。
python 复制代码 
# 创建一个5x5的十字形结构元素
kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_CROSS, (5, 5))
  • 结构元素在形态学操作中起着重要作用，选择合适的形状和大小可以有效地影响图像处理的结果。通过适当的结构元素组合，您可以实现不同的图像分析和预处理效果。

2. 腐蚀（侵蚀）

  • 原理：腐蚀操作通过一个结构元素在图像上滑动，检查结构元素与图像的重叠区域。如果结构元素的每个白色像素都对应于图像中的白色像素，则中心像素被保留；否则，该像素被保留腐蚀为黑色。这样的操作使得视线的边界向内收缩。
函数：cv2.erode(image, kernel, iterations=1)
  • kernel：结构元素，用于确定腐蚀操作的形状和大小。可以使用cv2.getStructuringElement创建。
  • iterations：执行腐蚀操作的次数。值越大，腐蚀效果越明显。
    示例：
python 复制代码 
import cv2
import numpy as np  
image = cv2.imread("./1.jpg",cv2.IMREAD_GRAYSCALE)#加权均值方式
kernel = np.ones((5, 5), np.uint8)  # 5x5的矩形结构元素  
eroded = cv2.erode(image, kernel, iterations=1)

cv2.imshow("image",image)
cv2.imshow("eroded",eroded)
cv2.waitKey(0)

3. 膨胀（Dilation）

膨胀操作与腐蚀相反。它通过一个结构元素图像在上滑动，检查结构元素与图像的重叠区域。如果结构元素的任何一个白色像素与图像中的白色像素重叠，则中心像素被膨胀为白色这种操作使得视线的边界向外扩展。

函数：cv2.dilate(image, kernel, iterations=1)
  • image：输入的图像，通常为灰度图像。
  • kernel：结构元素，决定膨胀操作的形状和大小。
  • iterations：执行膨胀操作的次数。值越大，膨胀效果越明显。

示例：

python 复制代码 
kernel = np.ones((5, 5), np.uint8)  # 5x5的矩形结构元素  
dilated = cv2.dilate(image, kernel, iterations=1)

**

4. 开运算（Opening）

**

  • 原理：开运算是先进行腐蚀再进行膨胀。它主要用于去除较小的噪声和物体，同时保留更大的物体的形状和尺寸。开腐蚀有效地去除较小的物体和较细的噪声。（先取小，再取大）
python 复制代码 
cv2.morphologyEx(src, op, kernel, iterations=1)
  • src: 输入图像。
  • op : 运算类型，这里是cv2.MORPH_OPEN。
  • kernel: 结构元素，定义开运算的形状和大小。
  • iterations: 迭代次数，指定开运算的重复次数。默认为1。

示例：

python 复制代码 
kernel = np.ones((5, 5), np.uint8)  # 5x5的矩形结构元素  
opened = cv2.morphologyEx(image, cv2.MORPH_OPEN, kernel)

5. 闭运算 (Closing)

  • 闭运算是先进行膨胀后进行腐蚀的操作，主要用于修整小空洞，连接相邻的工件。（先取大再取小）
python 复制代码 
cv2.morphologyEx(src, op, kernel, iterations=1)
  • src: 输入图像。
  • op : 运算类型，这里是cv2.MORPH_CLOSE。
  • kernel: 结构元素，定义闭运算的形状和大小。
  • iterations: 迭代次数，指定闭运算的重复次数。默认为1。
python 复制代码 
# 执行闭运算  
closed = cv2.morphologyEx(image, cv2.MORPH_CLOSE, kernel)

# 显示结果  
cv2.imshow('Closed', closed)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

6. 礼帽运算 (Top Hat)

  • 礼帽运算是通过计算闭运算和开运算的差值来获得的，主要用于去除图像的边缘。（先取大再取小）--（先取小，再取大）
python 复制代码 
cv2.morphologyEx(src, op, kernel, iterations=1)
  • src: 输入图像。
  • op : 运算类型，这里是cv2.MORPH_TOPHAT。
  • kernel: 结构元素，定义操作的形状和大小。
  • iterations: 迭代次数，指定礼帽运算的重复次数。默认为1。
python 复制代码 
# 执行闭运算和开运算  
top_hat = cv2.morphologyEx(image, cv2.MORPH_TOPHAT, kernel)

# 显示结果  
cv2.imshow('Top Hat', top_hat)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

7. 黑帽运算 (Black Hat)

  • 黑帽运算是通过计算原始图像与隐藏损伤结果之间的差值来获得的，主要用于提取图像中的暗区域。
python 复制代码 
cv2.morphologyEx(src, op, kernel, iterations=1)
  • src: 输入图像。
  • op : 运算类型，这里是cv2.MORPH_BLACKHAT。
  • kernel: 结构元素，定义操作的形状和大小。
  • iterations: 迭代次数，指定黑帽运算的重复次数。默认为1。
python 复制代码 
# 执行黑帽运算  
black_hat = cv2.morphologyEx(image, cv2.MORPH_BLACKHAT, kernel)

# 显示结果  
cv2.imshow('Black Hat', black_hat)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

8. 形态学梯度

  • 形态学梯度（Morphological Gradient）是图像处理中的一种技术，用于提取图像中物体的边缘。它是形态学运算（如膨胀和腐蚀）的一种组合，通过计算膨胀结果与腐蚀结果之间的差异来获取边缘信息。

  • 形态学梯度：

    • 通过计算膨胀图像与腐蚀图像之间的差异来获取边缘。
    • 公式：Gradient = Dilation - Erosion
    • 结果是，图像中的物体边缘会被突出显示。

  • 视觉效果：

    • 形态学梯度提取出的边缘比传统的边缘检测方法（如Sobel算子、Canny算子）更粗一些，因为它是通过结构元素对物体进行膨胀和腐蚀的差异得到的。
    • 它通常用于前景和背景分离、边缘检测等图像分析任务
python 复制代码 
import cv2
import numpy as np

# 读取图像并转为灰度图
image = cv2.imread('image.jpg', 0)

# 定义结构元素（核），通常使用3x3的矩阵
kernel = np.ones((3,3), np.uint8)

# 进行形态学梯度运算
gradient = cv2.morphologyEx(image, cv2.MORPH_GRADIENT, kernel)

# 显示结果
cv2.imshow('Original Image', image)
cv2.imshow('Morphological Gradient', gradient)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

二.颜色识别

  • 图像颜色识别是计算机视觉领域中的一个重要任务，通常涉及将图像中的颜色信息提取并进行分析。在颜色识别过程中，RGB颜色空间是最常见的颜色表示方式之一，但还有其他颜色空间，如HSV、HSL、Lab和YCbCr等，追求颜色空间在不同的应用场景中各有优缺点。

**

1. RGB 颜色空间

**

  • 1.1 定义

    • RGB颜色空间是基于红色（红色）、绿色（绿色）和蓝色（蓝色）的颜色光的加色模型。通过将这种颜色光与不同的强度组合，可以生成各种颜色。

  • 1.2 显示

    • 终点颜色的强度值通常在 0 到 255 之间

    • 黑色：RGB(0, 0, 0)

    • 白色：RGB(255, 255, 255)

    • 红色：RGB(255, 0, 0)

    • 绿色：RGB(0, 255, 0)

    • 蓝色：RGB(0, 0, 255)

  • 1.3 优点和缺点

    优点：可显示，易于理解，适用于设备（​​如

    缺点：对灯光变化敏感，难以进行颜色分割和识别，特别是在复杂的背景下。

1.3 颜色相加

  • 你可以使用OpenCV的cv.add()函数把两幅图像相加，或者可以简单地通过numpy操作添加两个图像，如res = img1 + img2。两个图像应该具有相同的大小和类型。

OpenCV加法和Numpy加法之间存在差异。OpenCV的加法是饱和操作，而Numpy添加是模运算

python 复制代码 
import cv2
import numpy as np

img1=np.array([
    [[10, 20, 30], [100, 200, 255], [1, 1, 2]],

],dtype=np.uint8)
img2=np.array([
    [[10, 20, 30], [100, 200, 255], [1, 1, 2]],],dtype=np.uint8)
 
img3=img1+img2
print(img3)
#输出 [[[ 20  40  60]
#   [200 144 254]
#   [  2   2   4]]]   》》值为相加结果%256

img4=cv2.add(img1,img2)
print("img4:\n",img4)
# img4:
#  [[[ 20  40  60]
#   [200 255 255]
#   [  2   2   4]]]  》》值如果大于255，则取最大值255

2. HSV颜色空间

**

2.1 定义

HSV（色调、饱和度、值）颜色空间由色相（色调）、灌溉度（饱和度）和明度（值）组成。HSV颜色空间更符合人类的园林。

2.2 显示
色相（H）：颜色类型，通常表示为 0 到 360 度。
饱和度（S）：颜色的限制，从0%（灰色）到100%（纯色)
明度（V）：亮度，从0%（黑色）到100%（最亮）

  • 色调H：

    • 使用角度度量，取值范围为0°~360°，从红色开始按逆时针方向计算，红色为0°，绿色为120°，蓝色为240°。它们的补色是：黄色为60°，青色为180°，紫色为300°。通过改变H的值，可以选择不同的颜色

  • 饱和度S：

    • 饱和度S表示颜色接近光谱色的程度。一种颜色可以看成是某种光谱色与白色混合的结果。其中光谱色所占的比例越大，颜色接近光谱色的程度就越高，颜色的饱和度就越高。饱和度越高，颜色就越深而艳，光谱色的白光成分为0，饱和度达到最高。通常取值范围为0%~100%，其中0%表示灰色或无色，100%表示纯色，通过调整饱和度的值，可以使颜色变得更加鲜艳或者更加灰暗。

  • 明度V：

    • 明度表示颜色明亮的程度，对于光源色，明度值与发光体的光亮度有关；对于物体色，此值和物体的透射比或反射比有关。通常取值范围为0%（黑）到100%（白），通过调整明度的值，可以使颜色变得更亮或者更暗。

2.3 优点和缺点

  • 优点：更容易进行颜色识别和分割，尤其是在处理光
  • 缺点：计算上比RGB复杂，需要将RGB转换为HSV。

**

2.4. RGB 到 HSV 的转换

**

在 OpenCV 中，可以使用cv2.cvtColor()函数实现 RGB 和 HSV 之间的转换。

代码示例：RGB 到 HSV 的转换

python 复制代码 
import cv2  
import numpy as np

# 读取图像  
image = cv2.imread('1.jpg')

# 转换为 HSV 颜色空间  
hsv_image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2HSV)
#cv2.COLOR_BGR2HSV 是一种通过指定常量来实现颜色空间转
#换的方式，能够帮助我们在图像处理中更好地处理和识别颜色。

# 定义红色的 HSV 范围  
lower_red = np.array([0, 100, 100])  # 红色的下界  
upper_red = np.array([10, 255, 255])  # 红色的上界

# 创建掩码  
mask = cv2.inRange(hsv_image, lower_red, upper_red)

# 显示结果  
cv2.imshow('Original', image)
cv2.imshow('Mask', mask)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

2.5.制作掩码

  • cv2.inRange() 是 OpenCV 中用于图像处理的重要函数，主要用于创建二进制掩膜（mask），以便从输入图像中提取特定颜色范围的像素。这个函数在颜色空间转换和图像分割等应用中非常有用。

函数定义

python 复制代码 
cv2.inRange(src, lowerb, upperb)

参数说明

  1. src:

    • 输入图像，通常为单通道或多通道图像（如 RGB、HSV 等）。
    • 数组类型：numpy.ndarray

  2. lowerb:

    • 指定颜色范围的下阈值，是一个表示特定颜色（如 RGB 或 HSV）的数组。
    • 例如，在 HSV 空间中，下限可表示为 [Hmin, Smin, Vmin]。
    • 数组类型：numpy.ndarray ，长度应与输入图像的通道数一致。

  3. upperb:

    • 指定颜色范围的上阈值，类似于 lowerb，也是一个数组。
    • 例如，在 HSV 空间中，上限可表示为 [Hmax, Smax, Vmax]。
    • 数组类型：numpy.ndarray，长度应与输入图像的通道数一致。

返回值

  • 返回值是一个二进制图像（mask），数据类型为 numpy.ndarray，与源图像同样的尺寸和通道数。
    • 所有在指定范围内的像素值将会被设为 255（白色），而不在范围内的像素值将被设为 0（黑色）。

使用示例

使用 cv2.inRange() 函数的简单示例，提取 HSV 色彩空间中特定颜色的基本过程：

python 复制代码 
import cv2
import numpy as np

# 读取图像
image = cv2.imread('image.jpg')

# 将图像从 BGR 转换为 HSV
hsv_image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2HSV)

# 定义要提取的颜色范围（以 HSV 表示）
lower_bound = np.array([100, 150, 0])  # 例如：蓝色的下限
upper_bound = np.array([140, 255, 255])  # 例如：蓝色的上限

# 创建掩膜
mask = cv2.inRange(hsv_image, lower_bound, upper_bound)

# 应用掩膜：提取原图像中的蓝色区域
result = cv2.bitwise_and(image, image, mask=mask)

# 显示结果
cv2.imshow('Original Image', image)
cv2.imshow('Mask', mask)
cv2.imshow('Extracted Color', result)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

2.6.颜色------与运算

  • 颜色的与运算（AND运算）是一种像素级别的操作，通常用于图像处理中的位操作。它的作用是将两个图像中的每一个像素的颜色值进行按位与（AND）操作，得到一个新的图像。这个操作可以用于遮罩、透明处理等场景。

  • 原理说明：

    • 按位与运算：对于每个像素的颜色值，分别对红色、绿色、蓝色三个通道进行按位与运算。
    • 如果一个通道中的某一位在两个图像的对应像素中都是1，则结果图像该像素的这个通道的该位也为1，否则为0。
      举例说明：
      假设有两个图像，它们的某一像素的RGB值分别是：
python 复制代码 
图像A：R = 11011011, G = 10101010, B = 11110000
图像B：R = 10101101, G = 11110000, B = 00001111

对这两个像素进行按位与运算：
结果图像：R = 10001001, G = 10100000, B = 00000000

3. HSL 颜色空间

3.1 定义

HSL（Hue, Saturation, Lightness）与HSV类似，但明度的定义不同。HSL中的亮度（Lightness）是指颜色的明暗程度，范围从0%到100%。

3.2 优缺点

优点：

缺点：在某些情况下，HSL的亮度变化可能会导致不如HSV准确的颜色表示。

**

4. Lab 颜色空间

4.1 定义

CIE实验室颜色空间基于人类视觉感知，具有较好的颜色一致性。它包含三个通道：L （亮度），a（从绿色到红色），b*（从

4.2 优点

优点：具有更好的色彩稳定性，适合进行色彩差异比较。

缺点：相对复杂，计算更为重要。

三.ROI切割

  • ROI（Region of Interest）切割是图像处理中的一种常见操作，用于从图像中提取感兴趣的区域。这个操作通常用于集中处理图像中的特定部分，节省计算资源和提高处理效率。

ROI切割的步骤：

  1. 定义ROI：

    • 矩形ROI：最常见的ROI类型，定义一个矩形区域来提取。
    • 多边形ROI：定义一个任意形状的区域，通常用于更复杂的提取。
    • 圆形ROI：定义一个圆形区域。
    • 自由形状ROI：允许用户手动选择任意形状的区域。

  2. 提取区域：

    • 根据定义的ROI坐标，从原始图像中提取出相应的部分。
    • 在矩形ROI的情况下，通常只需要知道矩形的起始点坐标和宽高。

  3. 处理提取区域：

    • 对提取出的ROI区域进行进一步的图像处理或分析，例如特征提取、对象检测等。

示例说明：

假设你有一张包含多个物体的图像，你只对其中的一个物体感兴趣。你可以通过ROI切割操作从原始图像中提取出这个物体的部分。

步骤：

  1. 选择ROI：

    • 在图像中选择一个矩形区域，包含你感兴趣的物体。
    • 确定这个矩形区域的起始坐标（x, y）和尺寸（宽度、高度）。

  2. 提取ROI：

    • 从原始图像中提取这个矩形区域。

  3. 显示或处理ROI：

    • 显示提取出的ROI区域，或者对其进行进一步的处理（例如边缘检测、特征识别等）。
  • 示例代码：从一张图像中提取了一个矩形区域，并显示了这个区域。
python 复制代码 
import cv2

# 读取图像
image = cv2.imread('image.jpg')

# 定义ROI的坐标和大小
x, y, w, h = 100, 50, 200, 150

# 提取ROI区域
roi = image[y:y+h, x:x+w]

# 显示ROI区域
cv2.imshow('ROI', roi)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
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