OpenCV 系列 --- 形态学操作(膨胀、腐蚀)

形态学操作是基于形状的一系列图像处理操作，基本的运算包括：腐蚀、膨胀、开、闭等。在进行其他算法研发时，我基本只用膨胀与腐蚀操作，因此本文只介绍这两种操作，其他的可以相似地进行。

关键点

1. 操作是对图像中的高亮区域进行的，比如膨胀，就是将图像中的高亮区域扩大。
2. 它们可以达到的目的
   
   • 去除噪声
   • 分离出独立的元素或者连接独立的元素
   • 可以求图像梯度或者图像中的小洞

测试用图

为了更加清晰地显示出操作前后的差距，采用如下图所示的二值图

一定要注意，形态学操作不光可以用在二值图，也可以用在灰度图，甚至可以用在彩色图。

基本原理

1. 膨胀
   膨胀就是利用一个核（叫做结构元素）与图像进行卷积。随着核的移动，每次都取核覆盖区域的最大像素值，因此最终完成的效果是将高亮区域扩大。
2. 腐蚀
   同样地，腐蚀也是卷积操作。随着核的移动，每次都取核覆盖区域的最小像素值，因此最终完成的效果是将高亮区域缩小。

代码示例

以下代码是OpenCV文档中给出的一段代码，比较能说明问题，我加了一些注释

#include "opencv2/imgproc/imgproc.hpp"
#include "opencv2/highgui/highgui.hpp"
#include "highgui.h"
#include 
#include 

using namespace cv;

/// 全局变量
Mat src, erosion_dst, dilation_dst;

int erosion_elem = 0;
int erosion_size = 0;
int dilation_elem = 0;
int dilation_size = 0;
int const max_elem = 2;
int const max_kernel_size = 21;

/** Function Headers */
void Erosion( int, void* );//腐蚀操作
void Dilation( int, void* );//膨胀操作

/** @function main */
int main()
{
  /// Load an image
  src = imread("coins.png");

  if( !src.data )
  { 
      return -1; 
  }

  /// Create windows
  namedWindow( "Erosion Demo", CV_WINDOW_AUTOSIZE );
  namedWindow( "Dilation Demo", CV_WINDOW_AUTOSIZE );

//Element:\n 0: Rect \n 1: Cross \n 2: Ellipse

  /// 腐蚀操作滚动条
  createTrackbar( "Element:", "Erosion Demo",&erosion_elem, max_elem,Erosion );
  createTrackbar( "Kernel", "Erosion Demo",&erosion_size, max_kernel_size,Erosion );

  /// 膨胀操作滚动条
  createTrackbar( "Element:", "Dilation Demo",&dilation_elem, max_elem,Dilation );
  createTrackbar( "Kernel", "Dilation Demo",&dilation_size, max_kernel_size,Dilation );

  // 开始
  Erosion( 0, 0 );
  Dilation( 0, 0 );

  waitKey(0);
  return 0;
}

/**  @function Erosion  */
void Erosion( int, void* )
{
  int erosion_type;

  if( erosion_elem == 0 ) 
  {  
      erosion_type = MORPH_RECT;  //矩形结构元素
  }
  else if( erosion_elem == 1 ) 
  { 
      erosion_type = MORPH_CROSS;  //十字结构元素
  }
  else if( erosion_elem == 2) 
  {
      erosion_type = MORPH_ELLIPSE;//椭圆结构元素
  }

//生成核（结构元素）
  Mat element = getStructuringElement( erosion_type,Size( 2*erosion_size + 1, 2*erosion_size+1 ),
                                       Point( erosion_size, erosion_size ) );

  //腐蚀操作
  erode( src, erosion_dst, element );
  imshow( "Erosion Demo", erosion_dst );
}

/** @function Dilation */
void Dilation( int, void* )
{
  int dilation_type;

  if( dilation_elem == 0 ) 
  { 
      dilation_type = MORPH_RECT; //矩形结构元素
  }
  else if( dilation_elem == 1 ) .
  { 
      dilation_type = MORPH_CROSS; //十字结构元素
  }
  else if( dilation_elem == 2)
  { 
      dilation_type = MORPH_ELLIPSE; //椭圆结构元素
  }

//生成核（结构元素）
  Mat element = getStructuringElement( dilation_type,Size(2*dilation_size + 1, 2*dilation_size+1 ),
                                       Point( dilation_size, dilation_size ) );
  //腐蚀操作
  dilate( src, dilation_dst, element );
  imshow( "Dilation Demo", dilation_dst );
}

结果

1. 采用7*7矩形结构元素
   
   左图是腐蚀、右图为膨胀。可以看出，腐蚀缩小了白色（高亮）区域，而膨胀扩大了白色区域。
2. 采用十字结构元素，大小为7，结果如下
   
   左图是腐蚀、右图为膨胀。可以看出，腐蚀缩小了白色（高亮）区域，而膨胀扩大了白色区域。
3. 采用椭圆结构元素，大小为15，结果如下
   

可以看出，当白色区域为圆形时，采用椭圆形的结构元素生成的结果较为规则，圆形结构保持较为完整。