Opencv图像处理

图像处理

1、灰度化

　　灰度处理，就是把彩色的验证码图片转为灰色的图片。

　　二值化，是将图片处理为只有黑白两色的图片，利于后面的图像处理和识别

　　在OpenCV中有现成的方法可以进行灰度处理并二值化，处理后的效果：

cvtcolor()函数是一个颜色空间转换函数。

通道转换说明：
经常用到的颜色转换：BGR-->RGB, BGR-->Gray 和 BGR-->HSV
BGR-->RGB: 经过摄像头采集的图像的通道排列顺序为BGR，而BMP文件的排列顺序也为BGR，所以保存成BMP文件使不会出现什么问题。
但是在显示器上显示的时候的排列顺序为RGB，所以RGB是为了让机器更好的显示图像,。
BGR-->Gray：将BGR的图像转为单通道的灰色图像
BGR-->HSV: 一般对颜色空间的图像进行有效处理都是在HSV空间进行的。RGB是为了让机器更好的显示图像,对于人类来说并不直观,
HSV更为贴近我们的认知,所以通常我们在针对某种颜色做提取时会转换到HSV颜色空间里面来处理

#读取原始图
img = cv2.imread(img_path)
cv2.imshow("img", img)

# BGR-->RGB
img_rgb = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)
cv2.imshow("img_rgb", img_rgb)

# 图像的灰化YUV(Y为灰度图, Y=0.299R+0.587G+0.114B)：BGR-- >Gray
img_gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
cv2.imshow("img_gray", img_gray)

# HSV模型转化YUV(Y为亮度, UV代表色度)BGR-->HSV
img_hsv = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2HSV)
cv2.imshow("img_hsv", img_hsv)

2、图像阈值

对于每个像素，应用相同的阈值。如果像素值小于阈值，则将其设置为0，否则将其设置为最大值。

cv.threshold()用来实现阈值分割，ret是return value缩写，代表当前的阈值，暂时不用理会。函数有4个参数：

参数1：要处理的原图，一般是灰度图
参数2：设定的阈值
参数3：最大阈值，一般为255
参数4：阈值的方式，主要有5种。

0: THRESH_BINARY 当前点值大于阈值时，取Maxval,也就是第四个参数，下面再不说明，否则设置为0
1: THRESH_BINARY_INV 当前点值大于阈值时，设置为0，否则设置为Maxval
2: THRESH_TRUNC 当前点值大于阈值时，设置为阈值，否则不改变
3: THRESH_TOZERO 当前点值大于阈值时，不改变，否则设置为0
4: THRESH_TOZERO_INV 当前点值大于阈值时，设置为0，否则不改变

# 应用5种不同的阈值方法
ret, th1 = cv.threshold(img, 127, 255, cv.THRESH_BINARY)
ret, th2 = cv.threshold(img, 127, 255, cv.THRESH_BINARY_INV)
ret, th3 = cv.threshold(img, 127, 255, cv.THRESH_TRUNC)
ret, th4 = cv.threshold(img, 127, 255, cv.THRESH_TOZERO)
ret, th5 = cv.threshold(img, 127, 255, cv.THRESH_TOZERO_INV)

请通过类型的文档来观察区别。该方法返回两个输出。第一个是使用的阈值，第二个输出是阈值后的图像。此代码比较了不同的简单阈值类型：

import cv2 as cv
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
img = cv.imread('gradient.png',0)
ret,thresh1 = cv.threshold(img,127,255,cv.THRESH_BINARY)
ret,thresh2 = cv.threshold(img,127,255,cv.THRESH_BINARY_INV)
ret,thresh3 = cv.threshold(img,127,255,cv.THRESH_TRUNC)
ret,thresh4 = cv.threshold(img,127,255,cv.THRESH_TOZERO)
ret,thresh5 = cv.threshold(img,127,255,cv.THRESH_TOZERO_INV)
titles = ['Original Image','BINARY','BINARY_INV','TRUNC','TOZERO','TOZERO_INV']
images = [img, thresh1, thresh2, thresh3, thresh4, thresh5]
for i in xrange(6):
    plt.subplot(2,3,i+1),plt.imshow(images[i],'gray')
    plt.title(titles[i])
    plt.xticks([]),plt.yticks([])
plt.show()

自适应阈值

看得出来固定阈值是在整幅图片上应用一个阈值进行分割，它并不适用于明暗分布不均的图片。

cv.adaptiveThreshold()自适应阈值会每次取图片的一小部分计算阈值，这样图片不同区域的阈值就不尽相同。它有5个参数：
参数1：要处理的原图
参数2：最大阈值，一般为255
参数3：小区域阈值的计算方式
ADAPTIVE_THRESH_MEAN_C：小区域内取均值
ADAPTIVE_THRESH_GAUSSIAN_C：小区域内加权求和，权重是个高斯核
参数4：阈值方式（跟前面讲的那5种相同）
参数5：小区域的面积，如11就是11*11的小块
参数6：最终阈值等于小区域计算出的阈值再减去此值
# 固定阈值

ret, th1= cv.threshold(img, 127, 255, cv.THRESH_BINARY)
# 自适应阈值
th2 = cv.adaptiveThreshold(img, 255, cv.ADAPTIVE_THRESH_MEAN_C, cv.THRESH_BINARY, 15, 4)
th3 = cv.adaptiveThreshold(img, 255, cv.ADAPTIVE_THRESH_GAUSSIAN_C, cv.THRESH_BINARY, 15, 8)

若我们使用一个全局值作为阈值，这可能并非在所有情况下都很好。例如，如果图像在不同区域具有不同的光照条件。在这种情况下，自适应阈值阈值化可以提供帮助。在此，算法基于像素周围的小区域确定像素的阈值。因此，对于同一图像的不同区域，我们获得了不同的阈值，这为光照度变化的图像提供了更好的结果。除上述参数外，方法cv.adaptiveThreshold还包含三个输入参数：该adaptiveMethod决定阈值是如何计算的：cv.ADAPTIVE_THRESH_MEAN_C::阈值是邻近区域的平均值减去常数C。
cv.ADAPTIVE_THRESH_GAUSSIAN_C:阈值是邻域值的高斯加权总和减去常数C。该BLOCKSIZE确定附近区域的大小，C是从邻域像素的平均或加权总和中减去的一个常数。下面的代码比较了光照变化的图像的全局阈值和自适应阈值：

结果：

Otsu的二值化

在全局阈值化中，我们使用任意选择的值作为阈值。相反，Otsu的方法避免了必须选择一个值并自动确定它的情况。考虑仅具有两个不同图像值的图像（双峰图像），其中直方图将仅包含两个峰。一个好的阈值应该在这两个值的中间。类似地，Otsu的方法从图像直方图中确定最佳全局阈值。为此，使用了cv.threshold作为附加标志传递。阈值可以任意选择。然后，算法找到最佳阈值，该阈值作为第一输出返回。查看以下示例。输入图像为噪点图像。在第一种情况下，采用值为127的全局阈值。在第二种情况下，直接采用Otsu阈值法。在第三种情况下，首先使用5x5高斯核对图像进行滤波以去除噪声，然后应用Otsu阈值处理。了解噪声滤波如何改善结果。

import cv2 as cv
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
img = cv.imread('noisy2.png',0)
# 全局阈值
ret1,th1 = cv.threshold(img,127,255,cv.THRESH_BINARY)
# Otsu阈值
ret2,th2 = cv.threshold(img,0,255,cv.THRESH_BINARY+cv.THRESH_OTSU)
# 高斯滤波后再采用Otsu阈值
blur = cv.GaussianBlur(img,(5,5),0)
ret3,th3 = cv.threshold(blur,0,255,cv.THRESH_BINARY+cv.THRESH_OTSU)
# 绘制所有图像及其直方图
images = [img, 0, th1,
          img, 0, th2,
          blur, 0, th3]
titles = ['Original Noisy Image','Histogram','Global Thresholding (v=127)',
          'Original Noisy Image','Histogram',"Otsu's Thresholding",
          'Gaussian filtered Image','Histogram',"Otsu's Thresholding"]
for i in xrange(3):
    plt.subplot(3,3,i*3+1),plt.imshow(images[i*3],'gray')
    plt.title(titles[i*3]), plt.xticks([]), plt.yticks([])
    plt.subplot(3,3,i*3+2),plt.hist(images[i*3].ravel(),256)
    plt.title(titles[i*3+1]), plt.xticks([]), plt.yticks([])
    plt.subplot(3,3,i*3+3),plt.imshow(images[i*3+2],'gray')
    plt.title(titles[i*3+2]), plt.xticks([]), plt.yticks([])
plt.show()

Otsu的二值化如何实现？

本节演示了Otsu二值化的Python实现，以展示其实际工作方式。如果您不感兴趣，可以跳过此步骤。由于我们正在处理双峰图像，因此Otsu的算法尝试找到一个阈值(t)，该阈值将由关系式给出的加权类内方差最小化：

 实际上，它找到位于两个峰值之间的t值，以使两个类别的差异最小。它可以简单地在Python中实现，如下所示：

img = cv.imread('noisy2.png',0)
blur = cv.GaussianBlur(img,(5,5),0)
# 寻找归一化直方图和对应的累积分布函数
hist = cv.calcHist([blur],[0],None,[256],[0,256])
hist_norm = hist.ravel()/hist.max()
Q = hist_norm.cumsum()
bins = np.arange(256)
fn_min = np.inf
thresh = -1
for i in xrange(1,256):
    p1,p2 = np.hsplit(hist_norm,[i]) # 概率
    q1,q2 = Q[i],Q[255]-Q[i] # 对类求和
    b1,b2 = np.hsplit(bins,[i]) # 权重
    # 寻找均值和方差
    m1,m2 = np.sum(p1*b1)/q1, np.sum(p2*b2)/q2
    v1,v2 = np.sum(((b1-m1)**2)*p1)/q1,np.sum(((b2-m2)**2)*p2)/q2
    # 计算最小化函数
    fn = v1*q1 + v2*q2
    if fn < fn_min:
        fn_min = fn
        thresh = i
# 使用OpenCV函数找到otsu的阈值
ret, otsu = cv.threshold(blur,0,255,cv.THRESH_BINARY+cv.THRESH_OTSU)
print( "{} {}".format(thresh,ret) )

 大津二值化算法 ( Otsu's binarization ) ，是自动确定二值化图像时的阈值，也被称作最大类间方差法

ret2,th2 = cv2.threshold(img,0,255,cv2.THRESH_BINARY+cv2.THRESH_OTSU)

 THRESH_OTSU和THRESH_TRIANGLE
这两种标志是获取阈值的方法，并不是阈值的比较方法的标志，这两个标志可以和前面5种标志一起使用。
前面5种标志在调用函数时都需要人为的设置阈值，如果对图像不了解设置的阈值不合理，会对处理后的效果造成严重的影响，这两个标志分别表示利用大津法（OTSU）和三角形法（TRIANGLE）结合图像灰度值分布特性获取二值化的阈值，并将阈值以函数返回值的形式给出。

 灰度处理、二值化处理

#导入模块
import cv2

#获取图片地址
image_addr = 'D:\\Learning\\test.jpg'

#读取图片，返回的是图片的一个数组对象
image = cv2.imread(image_addr)
#image对象常用属性如下：
image_attr =[
'all', 'any', 'argmax', 'argmin', 'argpartition', 'argsort', 'astype', 'base', 'byteswap', 'choose', 'clip', 'compress', 'conj',
'conjugate', 'copy', 'ctypes','cumprod', 'cumsum', 'data', 'diagonal', 'dot', 'dtype', 'dump', 'dumps', 'fill', 'flags', 'flat',
'flatten', 'getfield', 'imag', 'item', 'itemset', 'itemsize', 'max', 'mean', 'min', 'nbytes', 'ndim', 'newbyteorder', 'nonzero',
'partition', 'prod', 'ptp', 'put', 'ravel', 'real', 'repeat', 'reshape', 'resize', 'round', 'searchsorted', 'setfield', 'setflags',
'shape', 'size', 'sort', 'squeeze', 'std', 'strides', 'sum', 'swapaxes', 'take', 'tobytes', 'tofile', 'tolist', 'tostring', 'trace',
'transpose', 'var', 'view']

print(f"获取图片的维度: {image.ndim}")       #获取图片的维度
print(f"获取图片的形状: {image.shape}")      #获取图片的形状
print(f"获取图片的大小: {image.size}")       #获取图片的大小

#对图片灰度处理
image_cvt = cv2.cvtColor(image,cv2.COLOR_BGR2GRAY)
#输出图片地址
image_out_addr = 'D:\\Learning\\imagecvt.jpg'
#输出图片
cv2.imwrite(image_out_addr,image_cvt)

#对灰度后的图片进行二值化处理
image_binary = cv2.adaptiveThreshold(image_cvt, 255, cv2.ADAPTIVE_THRESH_GAUSSIAN_C, cv2.THRESH_BINARY, 21, 1)
#输出图片地址
image_binary_addr = 'D:\\Learning\\binary.jpg'
#输出图片
cv2.imwrite(image_binary_addr,image_binary)

3、模糊

平均滤波cv2.Blur，

高斯滤波cv2.GaussianBlur()，

中值模糊cv2.medianBlur()，

双边模糊cv2.bilateralFilter()

4、去噪

OpenCV提供了这种技术的四种变体。
cv2.fastNlMeansDenoising（） - 使用单个灰度图像
cv2.fastNlMeansDenoisingColored（） - 使用彩色图像。
cv2.fastNlMeansDenoisingMulti（） - 用于在短时间内捕获的图像序列（灰度图像）
cv2.fastNlMeansDenoisingColoredMulti（） - 与上面相同，但用于彩色图像。

fastNlMeansDenoising(src[, dst[, h[, templateWindowSize[, searchWindowSize]]]])

fastNlMeansDenoisingColored(src[, dst[, h[, hColor[, templateWindowSize[, searchWindowSize]]]]]) 

fastNlMeansDenoisingMulti(srcImgs, imgToDenoiseIndex, temporalWindowSize[, dst[, h[, templateWindowSize[, searchWindowSize]]]])

fastNlMeansDenoisingColoredMulti(srcImgs, imgToDenoiseIndex, temporalWindowSize[, dst[, h[, hColor[, templateWindowSize[, searchWindowSize]]]]])

参数解析:
　　h：参数决定滤波器强度。较高的h值可以更好地消除噪声，但也会删除图像的细节 (10 is ok)
　　hColor：与h相同，但仅适用于彩色图像。 （通常与h相同）
　　templateWindowSize：应该是奇数。 （recommended 7）
　　searchWindowSize：应该是奇数。 （recommended 21）

5、腐蚀和膨胀

数学形态学提供了一组有用的方法，能够用来调整分割区域的形状以获得比较理想的结果，它最初是从数学中的集合论发展而来并用于处理二值图的，虽然运算很简单，但是往往可以产生很好的效果，后来这些方法推广到普通的灰度级图像处理中。常用的形态学处理方法包括：腐蚀、膨胀、开运算、闭运算、顶帽运算、底帽运算，其中膨胀与腐蚀是图像处理中最常用的形态学操作手段，其他方法是两者相互组合而产生的。

形态学处理的核心就是定义结构元素，在OpenCV-Python中，可以使用其自带的getStructuringElement函数，也可以直接使用NumPy的ndarray来定义一个结构元素。

getStructuringElement(shape, ksize[, anchor]) 

参数解析：

　　shape：核的形状
　　　　MORPH_RECT 表示产生矩形的结构元
　　　　MORPH_ELLIPSE 表示产生椭圆形的结构元
　　　　MORPH_CROSS 表示产生十字交叉形的结构元
　　ksize：表示结构元的尺寸，即（宽，高），必须是奇数
　　anchor：表示结构元的锚点，即参考点。默认值Point(-1, -1)代表中心像素为锚点

erode(src, kernel[, dst[, anchor[, iterations[, borderType[, borderValue]]]]])把白色变成黑色

参数解析

　　src：表示输入矩阵
　　kernel：表示结构元，即 函数getStructuringElement( )的返回值
　　anchor：结构元的锚点，即参考点
　　iterations：腐蚀操作的次数，默认为一次
　　borderType：边界扩充类型
　　borderValue：边界扩充值

dilate(src, kernel[, dst[, anchor[, iterations[, borderType[, borderValue]]]]])把黑色变成白色

参数解析

　　src：表示输入矩阵
　　kernel：表示结构元，即 函数getStructuringElement( )的返回值
　　anchor：结构元的锚点，即参考点
　　iterations：膨胀操作的次数，默认为一次
　　borderType：边界扩充类型
　　borderValue：边界扩充值

6、边缘检测

cv2.Canny(), cv2.Laplacian(),cv2.Sobel()

7、轮廓检测

 轮廓检测也是图像处理中经常用到的。OpenCV-Python接口中使用cv2.findContours()函数来查找检测物体的轮廓。

import cv2  
img = cv2.imread("./test.jpg")  
 
gray = cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2GRAY)  
ret, binary = cv2.threshold(gray,127,255,cv2.THRESH_BINARY)  
contours, hierarchy = cv2.findContours(binary,cv2.RETR_TREE,cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)  
cv2.drawContours(img,contours,-1,(0,0,255),3)  
cv2.imshow("img", img)  
cv2.waitKey(0)  

原图如下：

 检测结果如下：

 注意，findcontours函数会“原地”修改输入的图像。这一点可通过下面的语句验证：

cv2.imshow("binary", binary)  
contours, hierarchy = cv2.findContours(binary,cv2.RETR_TREE,cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)  
cv2.imshow("binary2", binary)
dn.net/hjxu2016/article/details/77833336

执行这些语句后会发现原图被修改了。

cv2.findContours()函数
函数的原型为

cv2.findContours(image, mode, method[, contours[, hierarchy[, offset ]]])  

opencv2返回两个值：contours：hierarchy。注:opencv3会返回三个值,分别是img, countours, hierarchy。注意，findcontours函数会“原地”修改输入的图像。

参数
第一个参数是寻找轮廓的图像；
第二个参数表示轮廓的检索模式，有四种（本文介绍的都是新的cv2接口）：
　　cv2.RETR_EXTERNAL 表示只检测外轮廓
　　cv2.RETR_LIST 检测的轮廓不建立等级关系
　　cv2.RETR_CCOMP 建立两个等级的轮廓，上面的一层为外边界，里面的一层为内孔的边界信息。如果内孔内还有一个连通物体，这个物体的边界也在顶层。
　　cv2.RETR_TREE 建立一个等级树结构的轮廓。

第三个参数method为轮廓的近似办法
　　cv2.CHAIN_APPROX_NONE 存储所有的轮廓点，相邻的两个点的像素位置差不超过1，即max（abs（x1-x2），abs（y2-y1））==1
　　cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE 压缩水平方向，垂直方向，对角线方向的元素，只保留该方向的终点坐标，例如一个矩形轮廓只需4个点来保存轮廓信息
　　cv2.CHAIN_APPROX_TC89_L1，CV_CHAIN_APPROX_TC89_KCOS 使用teh-Chinl chain 近似算法

返回值
cv2.findContours()函数返回两个值，一个是轮廓本身，还有一个是每条轮廓对应的属性。

contour返回值
cv2.findContours()函数首先返回一个list，list中每个元素都是图像中的一个轮廓，用numpy中的ndarray表示。这个概念非常重要。在下面drawContours中会看见。通过

print (type(contours))  
print (type(contours[0]))  
print (len(contours)) 

可以验证上述信息。会看到本例中有两条轮廓，一个是五角星的，一个是矩形的。每个轮廓是一个ndarray，每个ndarray是轮廓上的点的集合。

由于我们知道返回的轮廓有两个，因此可通过

cv2.drawContours(img,contours,0,(0,0,255),3)  

和

cv2.drawContours(img,contours,1,(0,255,0),3)  

hierarchy返回值
此外，该函数还可返回一个可选的hiararchy结果，这是一个ndarray，其中的元素个数和轮廓个数相同，每个轮廓contours[i]对应4个hierarchy元素hierarchy[i][0] ~hierarchy[i][3]，分别表示后一个轮廓、前一个轮廓、父轮廓、内嵌轮廓的索引编号，如果没有对应项，则该值为负数。

print (type(hierarchy))  
print (hierarchy.ndim)  
print (hierarchy[0].ndim)  
print (hierarchy.shape)  

可以看出，hierarchy本身包含两个ndarray，每个ndarray对应一个轮廓，每个轮廓有四个属性。

8、绘画轮廓

OpenCV中通过cv2.drawContours在图像上绘制轮廓。

cv2.drawContours()函数

cv2.drawContours(image, contours, contourIdx, color[, thickness[, lineType[, hierarchy[, maxLevel[, offset ]]]]]) 

第一个参数是指明在哪幅图像上绘制轮廓；
第二个参数是轮廓本身，在Python中是一个list。
第三个参数指定绘制轮廓list中的哪条轮廓，如果是-1，则绘制其中的所有轮廓。后面的参数很简单。其中thickness表明轮廓线的宽度，如果是-1（cv2.FILLED），则为填充模式。绘制参数将在以后独立详细介绍。

9、特征检测

角点检测---cv2.cornerHarris(gray,2,3,0.04)，Shi-Tomasi 角点检测器cv2.goodFeaturesToTrack(gray,20,0.01,10)，尺度不变特征变换（SIFT），加速鲁棒特征（SURF）