【OpenCV】Python图像处理形态学之礼帽黑帽运算

OpenCV-Python 中的礼帽（Top Hat）和黑帽（Black Hat）运算是形态学操作的进阶应用，基于开运算 和闭运算衍生而来，主要用于提取图像中的微小亮区域、暗区域，或增强图像的局部对比度。以下详细介绍两种运算的原理、实现及典型应用场景：

一、核心原理

礼帽和黑帽运算均基于原始图像 与形态学开 / 闭运算结果的差值，需先明确开运算、闭运算的定义：

运算	定义	作用
开运算	腐蚀 → 膨胀	去除小的亮区域（噪声），平滑边界
闭运算	膨胀 → 腐蚀	填充小的暗区域（孔洞），平滑边界

在此基础上，礼帽和黑帽的公式为：

1. 礼帽运算（Top Hat/White Hat）

礼帽 = 原始图像 - 开运算结果

作用 ：提取图像中比周围亮的微小区域（如白噪声、亮斑、文字边缘）。

2. 黑帽运算（Black Hat）

黑帽 = 闭运算结果 - 原始图像

作用 ：提取图像中比周围暗的微小区域（如暗噪声、孔洞、暗文字）。

二、API 函数

OpenCV 中通过cv2.morphologyEx()实现，参数op指定运算类型：

运算类型	参数值
礼帽运算	cv2.MORPH_TOPHAT
黑帽运算	cv2.MORPH_BLACKHAT

函数原型：

dst = cv2.morphologyEx(src, op, kernel[, anchor[, iterations[, borderType[, borderValue]]]])

• src：输入图像（灰度图 / 二值图，彩色图需分通道处理）；
• op：运算类型（TOPHAT/BLACKHAT）；
• kernel：结构元素（卷积核），通常用cv2.getStructuringElement()生成。

三、实现步骤与示例

1. 基础实现（提取亮 / 暗区域）

import cv2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 1. 读取图像（转为灰度图）
img = cv2.imread('text_image.jpg', 0)
if img is None:
    raise ValueError("图像读取失败！")

# 2. 定义结构元素（核尺寸越大，提取的区域越大）
# 矩形核：适用于规则形状区域；十字核：适用于线性特征；椭圆核：适用于圆形区域
kernel_rect = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_RECT, (5, 5))  # 矩形核
kernel_cross = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_CROSS, (5, 5)) # 十字核

# 3. 礼帽运算（提取亮区域）
tophat = cv2.morphologyEx(img, cv2.MORPH_TOPHAT, kernel_rect)

# 4. 黑帽运算（提取暗区域）
blackhat = cv2.morphologyEx(img, cv2.MORPH_BLACKHAT, kernel_rect)

# 5. 结果可视化
plt.figure(figsize=(15, 5))
plt.subplot(131), plt.imshow(img, cmap='gray'), plt.title('原始图像'), plt.axis('off')
plt.subplot(132), plt.imshow(tophat, cmap='gray'), plt.title('礼帽运算（亮区域）'), plt.axis('off')
plt.subplot(133), plt.imshow(blackhat, cmap='gray'), plt.title('黑帽运算（暗区域）'), plt.axis('off')
plt.show()

2. 调整结构元素的影响

结构元素的形状 和尺寸直接影响提取效果：

• 尺寸越大：提取的亮 / 暗区域越大（适合大目标）；
• 尺寸越小：提取的亮 / 暗区域越精细（适合微小特征）；
• 十字核：更易提取线性亮 / 暗特征（如文字笔画）；
• 椭圆核：更易提取圆形亮 / 暗斑点。

# 不同核尺寸的对比
kernel_3 = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_RECT, (3, 3))
kernel_7 = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_RECT, (7, 7))

tophat_3 = cv2.morphologyEx(img, cv2.MORPH_TOPHAT, kernel_3)
tophat_7 = cv2.morphologyEx(img, cv2.MORPH_TOPHAT, kernel_7)

plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.subplot(131), plt.imshow(img, cmap='gray'), plt.title('原始'), plt.axis('off')
plt.subplot(132), plt.imshow(tophat_3, cmap='gray'), plt.title('礼帽（3x3核）'), plt.axis('off')
plt.subplot(133), plt.imshow(tophat_7, cmap='gray'), plt.title('礼帽（7x7核）'), plt.axis('off')
plt.show()

四、典型应用场景

1. 文本增强（提取文字边缘）

礼帽运算可增强低对比度文本的边缘，黑帽运算可突出暗背景下的亮文字：

# 低对比度文本图像增强
img_text = cv2.imread('low_contrast_text.jpg', 0)

# 礼帽运算增强亮文字（暗背景）
kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_RECT, (3, 3))
tophat_text = cv2.morphologyEx(img_text, cv2.MORPH_TOPHAT, kernel)
# 叠加礼帽结果到原图，增强对比度
enhanced = cv2.add(img_text, tophat_text)

plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.subplot(131), plt.imshow(img_text, cmap='gray'), plt.title('低对比度文本'), plt.axis('off')
plt.subplot(132), plt.imshow(tophat_text, cmap='gray'), plt.title('礼帽提取边缘'), plt.axis('off')
plt.subplot(133), plt.imshow(enhanced, cmap='gray'), plt.title('增强后文本'), plt.axis('off')
plt.show()

2. 去除背景噪声（礼帽 + 黑帽结合）

结合礼帽和黑帽运算，可同时去除图像中的亮噪声和暗噪声：

# 含噪声的图像
img_noise = cv2.imread('noisy_image.jpg', 0)

# 定义核
kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_ELLIPSE, (3, 3))

# 礼帽去除亮噪声，黑帽去除暗噪声
tophat_noise = cv2.morphologyEx(img_noise, cv2.MORPH_TOPHAT, kernel)
blackhat_noise = cv2.morphologyEx(img_noise, cv2.MORPH_BLACKHAT, kernel)

# 去噪：原图 - 亮噪声 + 暗噪声（反向补偿）
denoised = img_noise - tophat_noise + blackhat_noise
denoised = np.clip(denoised, 0, 255).astype(np.uint8)

plt.figure(figsize=(15, 5))
plt.subplot(141), plt.imshow(img_noise, cmap='gray'), plt.title('含噪声图像'), plt.axis('off')
plt.subplot(142), plt.imshow(tophat_noise, cmap='gray'), plt.title('亮噪声'), plt.axis('off')
plt.subplot(143), plt.imshow(blackhat_noise, cmap='gray'), plt.title('暗噪声'), plt.axis('off')
plt.subplot(144), plt.imshow(denoised, cmap='gray'), plt.title('去噪后'), plt.axis('off')
plt.show()

3. 提取图像中的微小目标（如瑕疵检测）

工业检测中，礼帽运算可提取产品表面的亮瑕疵，黑帽运算可提取暗瑕疵：

# 产品表面瑕疵检测
img_product = cv2.imread('product_surface.jpg', 0)

# 礼帽提取亮瑕疵（如划痕、亮点）
kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_ELLIPSE, (5, 5))
tophat_defect = cv2.morphologyEx(img_product, cv2.MORPH_TOPHAT, kernel)

# 阈值化突出瑕疵
_, defect_bin = cv2.threshold(tophat_defect, 20, 255, cv2.THRESH_BINARY)

plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.subplot(131), plt.imshow(img_product, cmap='gray'), plt.title('产品表面'), plt.axis('off')
plt.subplot(132), plt.imshow(tophat_defect, cmap='gray'), plt.title('礼帽提取瑕疵'), plt.axis('off')
plt.subplot(133), plt.imshow(defect_bin, cmap='gray'), plt.title('瑕疵二值化'), plt.axis('off')
plt.show()

五、注意事项

1. 图像类型 ：礼帽 / 黑帽运算通常用于灰度图 / 二值图，彩色图需先转为灰度图或分通道处理；
2. 核的选择：根据目标特征选择核的形状（矩形 / 十字 / 椭圆）和尺寸，需多次调试；
3. 对比度影响：原始图像对比度越低，礼帽 / 黑帽的提取效果越明显；
4. 迭代次数 ：iterations参数可设置运算迭代次数（默认 1），次数越多，提取的区域越显著，但可能引入失真。

六、礼帽 / 黑帽与其他形态学运算的组合

结合腐蚀、膨胀、开 / 闭运算，可实现更复杂的图像增强：

# 组合运算：先闭运算填充孔洞，再黑帽提取暗区域
img_complex = cv2.imread('complex_image.jpg', 0)
kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_RECT, (3, 3))

# 先闭运算
close = cv2.morphologyEx(img_complex, cv2.MORPH_CLOSE, kernel)
# 再黑帽运算
blackhat_complex = cv2.morphologyEx(close, cv2.MORPH_BLACKHAT, kernel)

plt.figure(figsize=(12, 4))
plt.subplot(131), plt.imshow(img_complex, cmap='gray'), plt.title('原始'), plt.axis('off')
plt.subplot(132), plt.imshow(close, cmap='gray'), plt.title('闭运算'), plt.axis('off')
plt.subplot(133), plt.imshow(blackhat_complex, cmap='gray'), plt.title('黑帽增强'), plt.axis('off')
plt.show()

总结

礼帽和黑帽运算是形态学中提取局部亮 / 暗特征的核心工具：

• 礼帽：聚焦 "亮于周围" 的区域，适用于文字增强、亮噪声提取、瑕疵检测；
• 黑帽：聚焦 "暗于周围" 的区域，适用于孔洞填充、暗噪声提取、暗文字增强；
• 关键调参：结构元素的形状和尺寸，需根据目标特征灵活选择。

掌握这两种运算，可高效解决图像局部对比度增强、微小特征提取、噪声分离等问题，是工业检测、文字识别等场景的常用技巧。