【OpenCV + Python】轮廓
• 函数：cv2.findContours()，cv2.drawContours()
轮廓查找：
• 为了更加准确，要使用二值化图像。在寻找轮廓之前，要进行阈值化处理或者Canny 边界检测。
• 查找轮廓的函数会修改原始图像。如果你在找到轮廓之后还想使用原始图像的话，你应该将原始图像存储到其他变量中。
• 在OpenCV 中，查找轮廓就像在黑色背景中找白色物体。 你应该记住，要找的物体应该是白色而背景应该是黑色。
cv2.findContours(image, mode, method[, contours[, hierarchy[, offset ]]])
函数cv2.findContours() 有三个参数，第一个是输入图像，第二个是轮廓检索模式，第三个是轮廓近似方法。返回值有三个，第一个是图像，第二个是轮廓，第三个是（轮廓的）层析结构。轮廓（第二个返回值）是一个Python列表，其中存储这图像中的所有轮廓。每一个轮廓都是一个Numpy 数组，包含对象边界点（x，y）的坐标。
import cv2
img = cv2.imread('3.jpg',1)
imgray = cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2GRAY)
ret,thresh = cv2.threshold(imgray,127,255,0)
contours, hierarchy = cv2.findContours(thresh,cv2.RETR_TREE,cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
cv2.drawContours(img,contours,-1,(255,255,0),3)
cv2.imshow("img",img)
print(hierarchy)
cv2.waitKey()
函数返回值：
contours：hierarchy = cv2.findContours(thresh,cv2.RETR_TREE,cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
返回值contours：定义为“vector
hierarchy：定义为“vector hierarchy”，先来看一下Vec4i的定义：
typedef Vec
Vec4i是Vec
实例2（二值化图像）：
import cv2
import numpy as np
def contour(img):
dst = cv2.GaussianBlur(img,(3,3),0)
gray = cv2.cvtColor(dst,cv2.COLOR_BGR2GRAY)
ret,binary = cv2.threshold(gray,0,255,cv2.THRESH_BINARY|cv2.THRESH_OTSU)
cv2.imshow("binary",binary)
#contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
contours, hierarchy = cv2.findContours(binary,cv2.RETR_EXTERNAL,cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
for i,contour in enumerate(contours):
cv2.drawContours(img,contours,-1,(0,0,255),2)
print(i)
cv2.imshow('img', img)
img = cv2.imread('4.jpg',1)
cv2.namedWindow('img', 0)
cv2.namedWindow('imgsrc', 0)
cv2.namedWindow('binary', 0)
cv2.resizeWindow('img', 400, 480)
cv2.resizeWindow('imgsrc', 400, 480)
cv2.resizeWindow('binary', 400, 480)
cv2.imshow('imgsrc', img)
contour(img)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
cv2.drawContours(img,contours,-1,(0,0,255),-1) #最后一位为-1是为闭区间
实例3（Canny 边界检测后图像）：
import cv2
import numpy as np
def edge_demo(image):
blurred = cv2.GaussianBlur(image, (3, 3), 0)
gray = cv2.cvtColor(blurred, cv2.COLOR_RGB2GRAY)
# xgrad = cv.Sobel(gray, cv.CV_16SC1, 1, 0) #x方向梯度
# ygrad = cv.Sobel(gray, cv.CV_16SC1, 0, 1) #y方向梯度
# edge_output = cv.Canny(xgrad, ygrad, 50, 150)
edge_output = cv2.Canny(gray, 220, 250)
cv2.imshow("Canny Edge", edge_output)
return edge_output
def contour(img):
binary = edge_demo(img)
#contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
contours, hierarchy = cv2.findContours(binary,cv2.RETR_EXTERNAL,cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
for i,contour in enumerate(contours):
# cv2.drawContours(img,contours,-1,(0,0,255),2)
cv2.drawContours(img, contours, -1, (0, 0, 255),2)
print(i)
cv2.imshow('img', img)
img = cv2.imread('7.jpg',1)
cv2.namedWindow('img', 0)
cv2.namedWindow('imgsrc', 0)
cv2.namedWindow('Canny Edge', 0)
cv2.resizeWindow('img', 400, 480)
cv2.resizeWindow('imgsrc', 400, 480)
cv2.resizeWindow('Canny Edge', 400, 480)
cv2.imshow('imgsrc', img)
#edge_demo(img)
contour(img)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
总结：根据不同的图像选择不同的方法进行求取轮廓！
重心求取：
cx = int(M['m10']/M['m00'])
cy = int(M['m01']/M['m00'])
零阶矩、一阶矩、二阶矩、三阶矩代表的含义:
数学上，“矩”是一组点组成的模型的特定的数量测度。
在力学和统计学中都有用到“矩”。
如果这些点代表“质量”，那么：
零阶矩表示所有点的 质量；
一阶矩表示 质心；
二阶矩表示 转动惯量。
如果这些点代表“概率密度”，那么：
零阶矩表示这些点的 总概率（也就是1）；
一阶矩表示 期望；
二阶（中心）矩表示 方差；
三阶（中心）矩表示 偏斜度；
四阶（中心）矩表示 峰度；
求面积：
area = cv2.contourArea(cnt)
求轮廓周长：
这个函数的第二参数可以用来指定对象的形状是闭合的（True），还是打开的（一条曲线）。
perimeter = cv2.arcLength(cnt,True)
求轮廓近似：
将轮廓形状近似到另外一种由更少点组成的轮廓形状，新轮廓的点的数目由我们设定的准确度来决定。为了帮助理解，假设我们要在一幅图像中查找一个矩形，但是由于图像的种种原因，我们不能到一个完美的矩形，而是一个“坏形状”（如下图所示）。现在你就可以使用这个函数来近似这个形状（）了。这个函数的第二个参数叫epsilon，它是从原始轮廓到近似轮廓的最大距离。它是一个准确度参数。选择一个好的epsilon 对于得到满意结果非常重要。
epsilon = 0.1*cv2.arcLength(cnt,True)
approx = cv2.approxPolyDP(cnt,epsilon,True)
下边，第二幅图中的绿线是当epsilon = 10% 时得到的近似轮廓，第三幅图是当epsilon = 1% 时得到的近似轮廓。第三个参数设定弧线是否闭合。
求凸包：
//利用图像做差 来查找凸包缺陷
hull = cv2.convexHull(points[, hull[, clockwise[, returnPoints])
上面一段是参考的，与自己使用结果不一致，留下记录。
hull = cv2.convexHull(cnt, True, False) #
cv2.drawContours(img,hull,-1,(255,255,0),3)
k = cv2.isContourConvex(cnt)
print("是否凸性：")
print(k)
边界矩形：
直边界矩形一个直矩形（就是没有旋转的矩形）。它不会考虑对象是否旋转。所以边界矩形的面积不是最小的。可以使用函数cv2.boundingRect() 查找得到。（x，y）为矩形左上角的坐标，（w，h）是矩形的宽和高。
x,y,w,h = cv2.boundingRect(cnt)
img = cv2.rectangle(img,(x,y),(x+w,y+h),(0,255,0),2)
旋转的边界矩形这个边界矩形是面积最小的，因为它考虑了对象的旋转。用到的函数为cv2.minAreaRect()。返回的是一个Box2D 结构，其中包含矩形左上角角点的坐标（x，y），矩形的宽和高（w，h），以及旋转角度。但是要绘制这个矩形需要矩形的4 个角点，可以通过函数cv2.boxPoints() 获得。
x,y,w,h = cv2.boundingRect(cnt)
img = cv2.rectangle(img,(x,y),(x+w,y+h),(0,255,0),2)
最小外接圆：
x,y,w,h = cv2.boundingRect(cnt)
img = cv2.rectangle(img,(x,y),(x+w,y+h),(0,255,0),2)
x,y,w = cv2.minAreaRect(cnt)
print(x)
print(y)
print(w)
img = cv2.rectangle(img,(int(x[0]),int(x[1])),(int(x[0]+y[1]),int(x[1]+y[0])),(255,255,0),2)
**椭圆拟合：**
ellipse = cv2.fitEllipse(cnt)
im = cv2.ellipse(im,ellipse,(0,255,0),2)
直线拟合：
我们可以根据一组点拟合出一条直线，同样我们也可以为图像中的白色点拟合出一条直线。
[vx,vy,x,y] = cv2.fitLine(cnt, cv2.DIST_L2,0,0.01,0.01)
print([vx,vy,x,y])
lefty = int((-x*vy/vx) + y)
righty = int(((cols-x)*vy/vx)+y)
img = cv2.line(img,(cols-1,righty),(0,lefty),(0,255,0),2)
长宽比：
x,y,w,h = cv2.boundingRect(cnt)
aspect_ratio = float(w)/h
轮廓面积与边界矩形面积的比（Extent）：
area = cv2.contourArea(cnt)
x,y,w,h = cv2.boundingRect(cnt)
rect_area = w*h
extent = float(area)/rect_area
轮廓面积与凸包面积的比（Solidity）：
area = cv2.contourArea(cnt)
hull = cv2.convexHull(cnt)
hull_area = cv2.contourArea(hull)
solidity = float(area)/hull_area
与轮廓面积相等的圆形的直径（Equivalent Diameter）：
area = cv2.contourArea(cnt)
equi_diameter = np.sqrt(4*area/np.pi)
方向：
对象的方向，下面的方法还会返回长轴和短轴的长度
(x,y),(MA,ma),angle = cv2.fitEllipse(cnt)
掩模和像素点：
有时我们需要构成对象的所有像素点，我们可以这样做：
mask = np.zeros(imgray.shape,np.uint8)
# 这里一定要使用参数-1, 绘制填充的的轮廓
cv2.drawContours(mask,[cnt],0,255,-1)
pixelpoints = np.transpose(np.nonzero(mask))
最大值和最小值及它们的位置：
我们可以使用掩模图像得到这些参数。
min_val, max_val, min_loc, max_loc = cv2.minMaxLoc(imgray,mask = mask)
平均颜色及平均灰度：
我们也可以使用相同的掩模求一个对象的平均颜色或平均灰度
mean_val = cv2.mean(im,mask = mask)
极点：
一个对象最上面，最下面，最左边，最右边的点。
leftmost = tuple(cnt[cnt[:,:,0].argmin()][0])
rightmost = tuple(cnt[cnt[:,:,0].argmax()][0])
topmost = tuple(cnt[cnt[:,:,1].argmin()][0])
bottommost = tuple(cnt[cnt[:,:,1].argmax()][0])
#1.先找到轮廓
img = cv2.imread('convex.jpg', 0)
_, thresh = cv2.threshold(img, 0, 255, cv2.THRESH_BINARY + cv2.THRESH_OTSU)
image, contours, hierarchy = cv2.findContours(thresh, 3, 2)
cnt = contours[0]
#2.寻找凸包，得到凸包的角点
hull = cv2.convexHull(cnt)
#3.绘制凸包
image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_GRAY2BGR)
cv2.polylines(image, [hull], True, (0, 255, 0), 2)
其中函数cv2.convexHull()有个可选参数returnPoints，默认是True，代表返回角点的x/y坐标；如果为False的话，表示返回轮廓中是凸包角点的索引，比如说：
print(hull[0]) # [[362 184]]（坐标）
hull2 = cv2.convexHull(cnt, returnPoints=False)
print(hull2[0]) # [510]（cnt中的索引）
print(cnt[510]) # [[362 184]]
点到轮廓距离：
其中参数3为True时表示计算距离值：点在轮廓外面值为负，点在轮廓上值为0，点在轮廓里面值为正；参数3为False时，只返回-1/0/1表示点相对轮廓的位置，不计算距离。以点（100，100）为例：
dist = cv2.pointPolygonTest(cnt, (100, 100), True) # -3.53
形状匹配：
函数cv2.matchShape() 可以帮我们比较两个形状或轮廓的相似度。如果返回值越小，匹配越好。它是根据Hu 矩来计算的。发生了旋转对匹配的结果影响也不是非常大。
import cv2
import numpy as np
img1 = cv2.imread('star.jpg',0)
img2 = cv2.imread('star2.jpg',0)
ret, thresh = cv2.threshold(img1, 127, 255,0)
ret, thresh2 = cv2.threshold(img2, 127, 255,0)
contours,hierarchy = cv2.findContours(thresh,2,1)
cnt1 = contours[0]
contours,hierarchy = cv2.findContours(thresh2,2,1)
cnt2 = contours[0]
ret = cv2.matchShapes(cnt1,cnt2,1,0.0)
print（ret）
我得到的结果是：
. A 与自己匹配0.0
. A 与B 匹配0.001946
. A 与C 匹配0.326911
轮廓的层次结构
什么是层次结构：
通常我们使用函数cv2.findContours 在图片中查找一个对象。有时对象可能位于不同的位置。还有些情况，**一个形状在另外一个形状的内部。这种情况下我们称外部的形状为父，内部的形状为子。**按照这种方式分类，一幅图像中的所有轮廓之间就建立父子关系。这样我们就可以确定一个轮廓与其他轮廓是怎样连接的，比如它是不是某个轮廓的子轮廓，或者是父轮廓。这种关系就成为组织结构。
在这幅图像中，我给这几个形状编号为0-5。2 和2a 分别代表最外边矩形的外轮廓和内轮廓。在这里边轮廓0，1，2 在外部或最外边。我们可以称他们为（组织结构）0 级，简单来说就是他们属于同一级。接下来轮廓2a。我们把它当成轮廓2 的子轮廓。它就成为（组织结构）第1 级。同样轮廓3 是轮廓2 的子轮廓，成为（组织结构）第3 级。最后轮廓4,5 是轮廓3a 的子轮廓，成为（组织结构）4 级（最后一级）。按照这种方式给这些形状编号，我们可以说轮廓4 是轮廓3a 的子轮廓（当然轮廓5 也是）。
不管层次结构是什么样的，每一个轮廓都包含自己的信息：谁是父，谁是子等。OpenCV 使用一个含有四个元素的数组表示。**[Next，Previous，First_Child，Parent]。**Next 表示同一级组织结构中的下一个轮廓。以上图中的轮廓0 为例，轮廓1 就是他的Next。同样，轮廓1 的Next是2，Next=2。那轮廓2 呢？在同一级没有Next。这时Next=-1。而轮廓4 的Next为5，所以它的Next=5。Previous 表示同一级结构中的前一个轮廓。与前面一样，轮廓1 的Previous 为轮廓0，轮廓2 的Previous 为轮廓1。轮廓0 没有Previous，所以Previous=-1。First_Child 表示它的第一个子轮廓。没有必要再解释了，轮廓2 的子轮廓2a。所以它的First_Child 为2a。那轮廓3a 呢？它有两个子轮廓。但是我们只要第一个子轮廓，所以是轮廓4（按照从上往下，从左往右的顺序排序）。Parent 表示它的父轮廓。与First_Child 刚好相反。轮廓4 和5 的父轮廓是轮廓3a。而轮廓3a的父轮廓是3。
轮廓检索模式：
RETR_LIST 从解释的角度来看，这中应是最简单。它只是提取所有的轮
廓，而不去创建任何父子关系。换句话说就是“人人平等”，它们属于同一级组织轮廓。
RETR_EXTERNAL 如果你选择这种模式的话，只会返回最外边的的轮廓，
所有的子轮廓都会被忽略掉。
RETR_TREE 终于到最后一个了，也是最完美的一个。这种模式下会返回
所有轮廓，并且创建一个完整的组织结构列表。
RETR_CCOMP 在这种模式下会返回所有的轮廓并将轮廓分为两级组织结
构。
现在我们考虑轮廓0，它的组织结构为第1 级。其中有两个空洞1 和2，它们属于第2 级组织结构。所以对于轮廓0 来说跟他属于同一级组织结构的下一个（Next）是轮廓3，并且没有Previous。它的Fist_Child 为轮廓1，组织结构为2。由于它是第1 级，所以没有父轮廓。因此它的组织结构数组为[3，-1，1，-1]。现在是轮廓1，它是第2 级。处于同一级的下一个轮廓为2。没有Previous，也没有Child，（因为是第2 级所以有父轮廓）父轮廓是0。所以数组是[2，-1，-1，0]。轮廓2：它是第2 级。在同一级的组织结构中没有Next。Previous 为轮廓1。没有子，父轮廓为0，所以数组是[-1，1，-1，0]轮廓3：它是第1 级。在同一级的组织结构中Next 为5。Previous 为轮廓0。子为4，没有父轮廓，所以数组是[5，0，4，-1]轮廓4：它是第2 级。在同一级的组织结构中没有Next。没有Previous，没有子，父轮廓为3，所以数组是[-1，-1，-1，3]