opencv 获取图像最大连通域 c++和python版

前言

之前写过一个基于opencv2.x中findContours函数的最大连通域标记方法，但该程序会受各个contours之间hierarchy的影响而出错。本文给出一种基于连通域标记的最大连通域提取方法，在已知的图像上验证了python和c++版本的有效性。

Python版

最近发现图像处理库skimage很好用，因此用skimage写了一个函数用于标记最大连通域:

from skimage.measure import label

def largestConnectComponent(bw_img, ):
    '''
    compute largest Connect component of a binary image
    
    Parameters:
    ---

    bw_img: ndarray
        binary image
	
	Returns:
	---

	lcc: ndarray
		largest connect component.

    Example:
    ---
        >>> lcc = largestConnectComponent(bw_img)

    '''

    labeled_img, num = label(bw_img, neighbors=4, background=0, return_num=True)    
    # plt.figure(), plt.imshow(labeled_img, 'gray')

    max_label = 0
    max_num = 0
    for i in range(1, num+1): # 这里从1开始，防止将背景设置为最大连通域
        if np.sum(labeled_img == i) > max_num:
            max_num = np.sum(labeled_img == i)
            max_label = i
    lcc = (labeled_img == max_label)

    return lcc

c++版

由于opencv3中增加了连通域标记函数，因此使得查找最大连通域变得更加容易。代码如下：

void DefectsDetector::LargestConnecttedComponent(Mat srcImage, Mat &dstImage)
{
    Mat temp;
    Mat labels;
    srcImage.copyTo(temp);

    //1. 标记连通域
    int n_comps = connectedComponents(temp, labels, 4, CV_16U);
    vector histogram_of_labels;
    for (int i = 0; i < n_comps; i++)//初始化labels的个数为0
    {
        histogram_of_labels.push_back(0);
    }

    int rows = labels.rows;
    int cols = labels.cols;
    for (int row = 0; row < rows; row++) //计算每个labels的个数
    {
        for (int col = 0; col < cols; col++)
        {
            histogram_of_labels.at(labels.at(row, col)) += 1;
        }
    }
    histogram_of_labels.at(0) = 0; //将背景的labels个数设置为0

    //2. 计算最大的连通域labels索引
    int maximum = 0;
    int max_idx = 0;
    for (int i = 0; i < n_comps; i++)
    {
        if (histogram_of_labels.at(i) > maximum)
        {
            maximum = histogram_of_labels.at(i);
            max_idx = i;
        }
    }

    //3. 将最大连通域标记为1
    for (int row = 0; row < rows; row++) 
    {
        for (int col = 0; col < cols; col++)
        {
            if (labels.at(row, col) == max_idx)
            {
                labels.at(row, col) = 255;
            }
            else
            {
                labels.at(row, col) = 0;
            }
        }
    }

    //4. 将图像更改为CV_8U格式
    labels.convertTo(dstImage, CV_8U);
}

---

以下是我之前写的错误版本，读者可以忽略，也可以一起分析下为什么会出错

错误的版本

先贴出错误的版本，这个版本的想法是使用findContours函数找到各个连通域的contours，然后选取contours面积最大的那个作为目标区域，并将其填充。findContours使用的是EXTERNAL的方式标记边缘。显然这种方法如果是一个大的连通域里面是中空的，则标记后的最大连通域会将中间空的部分填充上，因此出错。

Python版

之前的python版主要实现功能是利用opencv获取最大连通区域并去除。将之前在印象笔记里写的记录摘抄下来如下:

主要使用了如下方法：

• 首先通过findContours函数找到二值图像中的所有边界(这块看需要调节里面的参数)
• 然后通过contourArea函数计算每个边界内的面积
• 最后通过fillConvexPoly函数将面积最大的边界内部涂成背景

import cv2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
​
if __name__ == '__main__':
    img = cv2.imread('bw.bmp')
    gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
​
    #find contours of all the components and holes 
    gray_temp = gray.copy() #copy the gray image because function
                            #findContours will change the imput image into another  
    contours, hierarchy = cv2.findContours(gray_temp, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_NONE)
​
    #show the contours of the imput image
    cv2.drawContours(img, contours, -1, (0, 255, 255), 2)
    plt.figure('original image with contours'), plt.imshow(img, cmap = 'gray')
​
    #find the max area of all the contours and fill it with 0
    area = []
    for i in xrange(len(contours)):
        area.append(cv2.contourArea(contours[i]))
    max_idx = np.argmax(area)
    cv2.fillConvexPoly(gray, contours[max_idx], 0)
    #show image without max connect components 
    plt.figure('remove max connect com'), plt.imshow(gray, cmap = 'gray')
​
    plt.show()

结果如下:

分析上述结果可以发现存在两个问题:

1. 使用findContours函数检测边缘时如果最大连通域出现中空情况，则结果会将中空的部分填充上，得到错误的结果，本图因为中间没空，所以看起来效果是对的。
2. 使用fillConvexPoly这个函数是有缺陷的，如果最大连通域不是凸的，则会得到错误的填充结果。

c++版

void findLargesrArea(Mat srcImage, Mat &dstImage)
{
    vector>	contours;
    vector			hierarchy;

    findContours(srcImage.clone(), contours, hierarchy, CV_RETR_EXTERNAL, CV_CHAIN_APPROX_NONE);

    double max_area = 0;
    int index = 0;
    for(int i = 0; i < contours.size(); i++) 
    {
        if(contourArea(contours[i]) > max_area)
        {
            max_area = contourArea(contours[i]); 
            index = i;
        }
    }
    //cout << "max_index: " << index << endl;

    dstImage =  Mat::zeros(srcImage.rows, srcImage.cols, srcImage.type()); 
    drawContours(dstImage, contours, index, Scalar(255));
    imfill(dstImage, dstImage);
}

void imfill(Mat srcimage, Mat &dstimage)
{
    Size m_Size = srcimage.size();  
    Mat temimage = Mat::zeros(m_Size.height + 2, m_Size.width + 2, srcimage.type());

    srcimage.copyTo(temimage(Range(1, m_Size.height + 1), Range(1, m_Size.width + 1)));  
    floodFill(temimage, Point(0,0), Scalar(255)); 
    Mat cutImg;
    temimage(Range(1, m_Size.height + 1), Range(1, m_Size.width + 1)).copyTo(cutImg);  
    dstimage = srcimage | (~cutImg);  
}

c++这个版本存在上述第1个问题，但是不存在第2个问题，原因是其使用了自定义的imfill函数，避免了图像非凸出现错误的情况。