opencv-python简易文档图像处理算法

Posted 2021-09-04 Kyrie 开一

文章目录

• • 将图片转为灰度图
  • HSV
  • 图像阈值
  • 图像平滑
  • 形态学-腐蚀操作
  • 形态学-膨胀操作
  • 开运算与闭运算
  • 梯度运算
  • 礼帽与黑帽
  • 图像梯度处理
  • Canny边缘检测
  • 图像金字塔
  • 图像轮廓

将图片转为灰度图

import cv2 #opencv读取的格式是BGR
img=cv2.imread('cat.jpg')
# 将图片转为灰度图像操作
img_gray = cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2GRAY)
img_gray.shape

HSV

H - 色调（主波长）。
S - 饱和度（纯度/颜色的阴影）。
V值（强度）

import cv2
hsv=cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2HSV)
cv2.imshow("hsv", hsv)
cv2.waitKey(0)    
cv2.destroyAllWindows()

图像阈值

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

type：二值化操作的类型，包含以下5种类型： cv2.THRESH_BINARY； cv2.THRESH_BINARY_INV； cv2.THRESH_TRUNC； cv2.THRESH_TOZERO；cv2.THRESH_TOZERO_INV

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

ret, thresh1 = cv2.threshold(img_gray, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
ret, thresh2 = cv2.threshold(img_gray, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY_INV)
ret, thresh3 = cv2.threshold(img_gray, 127, 255, cv2.THRESH_TRUNC)
ret, thresh4 = cv2.threshold(img_gray, 127, 255, cv2.THRESH_TOZERO)
ret, thresh5 = cv2.threshold(img_gray, 127, 255, cv2.THRESH_TOZERO_INV)

titles = ['Original Image', 'BINARY', 'BINARY_INV', 'TRUNC', 'TOZERO', 'TOZERO_INV']
images = [img, thresh1, thresh2, thresh3, thresh4, thresh5]

for i in range(6):
    plt.subplot(2, 3, i + 1), plt.imshow(images[i], 'gray')
    plt.title(titles[i])
    plt.xticks([]), plt.yticks([])
plt.show()

图像平滑

使用均值滤波实现图像平滑

# 均值滤波
# 简单的平均卷积操作
# 使用3*3的卷积和
blur = cv2.blur(img, (3, 3))

cv2.imshow('blur', blur)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

使用方框滤波实现图像平滑：

# 方框滤波
# 基本和均值一样，可以选择归一化
box = cv2.boxFilter(img,-1,(3,3), normalize=True)  

cv2.imshow('box', box)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
# 方框滤波
# 基本和均值一样，可以选择归一化,容易越界，越界后值为255
box = cv2.boxFilter(img,-1,(3,3), normalize=False)  

cv2.imshow('box', box)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

使用高斯滤波实现图像平滑：

# 高斯滤波
# 高斯模糊的卷积核里的数值是满足高斯分布，相当于更重视距离
aussian = cv2.GaussianBlur(img, (5, 5), 1)  

cv2.imshow('aussian', aussian)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

使用中值滤波实现图像平滑：

# 中值滤波
# 相当于用中值代替
median = cv2.medianBlur(img, 5)  # 中值滤波

cv2.imshow('median', median)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

使用np将所有处理图片拼接显示:

# 展示所有的
res = np.hstack((blur,aussian,median))
#print (res)
cv2.imshow('median vs average', res)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

形态学-腐蚀操作

腐蚀操作可以用于去除图像中的毛刺

# iterations为腐蚀操作的迭代次数
kernel = np.ones((3,3),np.uint8) 
erosion = cv2.erode(img,kernel,iterations = 1)

cv2.imshow('erosion', erosion)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

形态学-膨胀操作

膨胀操作通常与腐蚀操作配合使用

# 先对图像进行腐蚀操作去除干扰信息
# kernel 为卷积核大小
kernel = np.ones((3,3),np.uint8) 
dige_erosion = cv2.erode(img,kernel,iterations = 1)

cv2.imshow('erosion', erosion)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
# 对图像进行膨胀操作将干扰信息以外的腐蚀部分复原
kernel = np.ones((3,3),np.uint8) 
dige_dilate = cv2.dilate(dige_erosion,kernel,iterations = 1)

cv2.imshow('dilate', dige_dilate)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

开运算与闭运算

开运算：先腐蚀，再膨胀
闭运算：先膨胀，再腐蚀

# 开：先腐蚀，再膨胀
img = cv2.imread('dige.png')

kernel = np.ones((5,5),np.uint8) 
opening = cv2.morphologyEx(img, cv2.MORPH_OPEN, kernel)

cv2.imshow('opening', opening)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

# 闭：先膨胀，再腐蚀
img = cv2.imread('dige.png')

kernel = np.ones((5,5),np.uint8) 
closing = cv2.morphologyEx(img, cv2.MORPH_CLOSE, kernel)

cv2.imshow('closing', closing)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

梯度运算

提取图片边缘信息

# 梯度=膨胀-腐蚀
pie = cv2.imread('pie.png')
kernel = np.ones((7,7),np.uint8) 
dilate = cv2.dilate(pie,kernel,iterations = 5)
erosion = cv2.erode(pie,kernel,iterations = 5)

res = np.hstack((dilate,erosion))

cv2.imshow('res', res)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

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

cv2.imshow('gradient', gradient)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

礼帽与黑帽

礼帽 = 原始输入-开运算结果
黑帽 = 闭运算-原始输入

#礼帽
img = cv2.imread('dige.png')
tophat = cv2.morphologyEx(img, cv2.MORPH_TOPHAT, kernel)
cv2.imshow('tophat', tophat)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
#黑帽
img = cv2.imread('dige.png')
blackhat  = cv2.morphologyEx(img,cv2.MORPH_BLACKHAT, kernel)
cv2.imshow('blackhat ', blackhat )
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

图像梯度处理

通过像素差异提取图片边缘
Sobel算子

Scharr算子

laplacian算子
对于梯度更敏感

检测图像像素梯度变换GX为水平梯度检测，GY为垂直梯度检测。GX与GY相当于前面提到的卷积和。

dst = cv2.Sobel(src, ddepth, dx, dy, ksize)
# 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
# 在opencv中像素小于0的点直接被认为是0

# 计算GX
sobelx = cv2.Sobel(img,cv2.CV_64F,1,0,ksize=3)
# 将负数部分转为正数
sobelx = cv2.convertScaleAbs(sobelx)
cv_show(sobelx,'sobelx')
# 计算GY
sobelx = cv2.Sobel(img,cv2.CV_64F,0,1,ksize=3)
# 将负数部分转为正数
sobelx = cv2.convertScaleAbs(sobelx)
cv_show(sobelx,'sobelx')
# 计算GX与GY的加和
sobelxy = cv2.addWeighted(sobelx,0.5,sobely,0.5,0)
cv_show(sobelxy,'sobelxy')

不同算子之间的差异

#不同算子的差异
img = cv2.imread('lena.jpg',cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
sobelx = cv2.Sobel(img,cv2.CV_64F,1,0,ksize=3)
sobely = cv2.Sobel(img,cv2.CV_64F,0,1,ksize=3)
sobelx = cv2.convertScaleAbs(sobelx)   
sobely = cv2.convertScaleAbs(sobely)  
sobelxy =  cv2.addWeighted(sobelx,0.5,sobely,0.5,0)  

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

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

res = np.hstack((sobelxy,scharrxy,laplacian))
cv_show(res,'res')

Canny边缘检测

1. 使用高斯滤波器，以平滑图像，滤除噪声。

2. 计算图像中每个像素点的梯度强度和方向。

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。

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

5. 通过抑制孤立的弱边缘最终完成边缘检测。

1:高斯滤波器
卷积核为符合高斯分布的数据，主要将图像平滑。

2:梯度和方向

3：非极大值抑制

4：双阈值检测

img=cv2.imread("lena.jpg",cv2.IMREAD_GRAYSCALE)

v1=cv2.Canny(img,80,150)
v2=cv2.Canny(img,50,100)

res = np.hstack((v1,v2))
cv_show(res,'res')

图像金字塔

高斯金字塔
拉普拉斯金字塔
主要用于特征提取
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）

# 向上变换
up=cv2.pyrUp(img)
# 向下变换
down=cv2.pyrDown(img)

拉普拉斯金字塔

down=cv2.pyrDown(img)
down_up=cv2.pyrUp(down)
l_1=img-down_up
cv_show(l_1,'l_1')

图像轮廓

cv2.findContours(img,mode,method)
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;
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）。
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。

img = cv2.imread('contours.png')
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
ret, thresh = cv2.threshold(gray, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
cv_show(thresh,'thresh')
# 提取轮廓
binary, contours, hierarchy = cv2.findContours(thresh, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_NONE)
# 绘制轮廓
#传入绘制图像，轮廓，轮廓索引，颜色模式，线条厚度
# 注意需要copy,要不原图会变。。。
draw_img = img.copy()
res = cv2.drawContours(draw_img, contours, -1, (0, 0, 255), 2)
cv_show(res,'res')

轮廓特征

# 选取轮廓     0表示第一个轮廓
cnt = contours[0]
#面积
cv2.contourArea(cnt)
#周长，True表示闭合的
cv2.arcLength(cnt,True)

轮廓近似

epsilon = 0.15*cv2.arcLength(cnt,True) 
approx = cv2.approxPolyDP(cnt,epsilon,True)

draw_img = img.copy()
res = cv2.drawContours(draw_img, [approx], -1, (0, 0, 255), 2)
cv_show(res,'res')
# 外接矩形
img = cv2.imread('contours.png')

gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
ret, thresh = cv2.threshold(gray, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
binary, contours, hierarchy = cv2.findContours(thresh, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_NONE)
cnt = contours[0]

x,y,w,h = cv2.boundingRect(cnt)
img = cv2.rectangle(img,(x,y),(x+w,y+h),(0,255,0),2)
cv_show(img,'img')
# 外接圆
(x,y),radius = cv2.minEnclosingCircle(cnt) 
center = (int(x),int(y)) 
radius = int(radius) 
img = cv2.circle(img,center,radius,(0,255,0),2)
cv_show(img,'img')

下一节：
opencv-python简易文档（三）图像处理算法