OpenCV-Python学习—基础知识

(一)OpenCV-Python学习—基础知识

原文：https://www.cnblogs.com/silence-cho/p/10926248.html

opencv是一个强大的图像处理和计算机视觉库，实现了很多实用算法，值得学习和深究下。

1.opencv包安装

·　　这里直接安装opencv-python包（非官方）： pip install opencv-python

　　 官方文档：https://opencv-python-tutroals.readthedocs.io/en/latest/

2. opencv简单图像处理

　　2.1 图像像素存储形式

　　　　首先得了解下图像在计算机中存储形式：(为了方便画图，每列像素值都写一样了)

　　　　对于只有黑白颜色的灰度图，为单通道，一个像素块对应矩阵中一个数字，数值为0到255, 其中0表示最暗（黑色） ，255表示最亮（白色）

　　　　

 

　　　　对于采用RGB模式的彩色图片，为三通道图，Red、Green、Blue三原色，按不同比例相加，一个像素块对应矩阵中的一个向量, 如[24,180, 50]，分别表示三种颜色的比列, 即对应深度上的数字，如下图所示：

　　　　

　　　　需要注意的是，由于历史遗留问题，opencv采用BGR模式，而不是RGB

　　2.2 图像读取和写入

　　　　cv2.imread()

imread(img_path,flag) 读取图片，返回图片对象
    img_path: 图片的路径，即使路径错误也不会报错，但打印返回的图片对象为None
    flag：cv2.IMREAD_COLOR，读取彩色图片，图片透明性会被忽略，为默认参数，也可以传入1
          cv2.IMREAD_GRAYSCALE,按灰度模式读取图像，也可以传入0
          cv2.IMREAD_UNCHANGED,读取图像，包括其alpha通道，也可以传入-1

　　　　cv2.imshow()

imshow(window_name,img)：显示图片，窗口自适应图片大小
    window_name: 指定窗口的名字
    img：显示的图片对象
    可以指定多个窗口名称，显示多个图片
    
waitKey(millseconds)  键盘绑定事件，阻塞监听键盘按键，返回一个数字（不同按键对应的数字不同）
    millseconds: 传入时间毫秒数，在该时间内等待键盘事件；传入0时，会一直等待键盘事件
    
destroyAllWindows(window_name) 
    window_name: 需要关闭的窗口名字，不传入时关闭所有窗口

　　　　cv2.imwrite()

imwrite(img_path_name,img)
    img_path_name:保存的文件名
    img：文件对象

　　使用示例：

 View Code

　　2.3 图像像素获取和编辑

　　　　像素值获取：

img = cv2.imread(r"C:\Users\Administrator\Desktop\roi.jpg")

#获取和设置
pixel = img[100,100]  #[57 63 68],获取(100,100)处的像素值
img[100,100]=[57,63,99] #设置像素值
b = img[100,100,0]    #57, 获取(100,100)处，blue通道像素值
g = img[100,100,1]    #63
r = img[100,100,2]      #68
r = img[100,100,2]=99    #设置red通道值

#获取和设置
piexl = img.item(100,100,2)
img.itemset((100,100,2),99)

　　　　图片性质

import cv2
img = cv2.imread(r"C:\Users\Administrator\Desktop\roi.jpg")

#rows,cols,channels
img.shape   #返回(280, 450, 3), 宽280(rows)，长450(cols)，3通道(channels)
#size
img.size    #返回378000，所有像素数量，=280*450*3
#type
img.dtype   #dtype('uint8')

　　　ROI截取（Range of Interest）

#ROI,Range of instrest
roi = img[100:200,300:400]  #截取100行到200行，列为300到400列的整块区域
img[50:150,200:300] = roi   #将截取的roi移动到该区域 （50到100行，200到300列）
b = img[:,:,0]  #截取整个蓝色通道

b,g,r = cv2.split(img) #截取三个通道，比较耗时
img = cv2.merge((b,g,r))

　　2.4 添加边界(padding)　　

cv2.copyMakeBorder()
    参数：
        img:图像对象
        top,bottom,left,right: 上下左右边界宽度，单位为像素值
        borderType:
            cv2.BORDER_CONSTANT, 带颜色的边界，需要传入另外一个颜色值
            cv2.BORDER_REFLECT, 边缘元素的镜像反射做为边界
            cv2.BORDER_REFLECT_101/cv2.BORDER_DEFAULT
            cv2.BORDER_REPLICATE, 边缘元素的复制做为边界
            CV2.BORDER_WRAP
        value: borderType为cv2.BORDER_CONSTANT时，传入的边界颜色值，如[0,255,0]

　　　　使用示例：

 View Code

　　　　

　　2.5 像素算术运算

　　　　　　cv2.add()  相加的两个图片，应该有相同的大小和通道

cv2.add()
    参数：
        img1:图片对象1
        img2:图片对象2
        mask:None （掩膜，一般用灰度图做掩膜，img1和img2相加后，和掩膜与运算，从而达到掩盖部分区域的目的）
        dtype:-1

注意：图像相加时应该用cv2.add(img1,img2)代替img1+img2    
        >>> x = np.uint8([250])
        >>> y = np.uint8([10])
        >>> print cv2.add(x,y) # 250+10 = 260 => 255  #相加，opencv超过255的截取为255
        [[255]]
        >>> print x+y          # 250+10 = 260 % 256 = 4  #相加，np超过255的会取模运算 （uint8只能表示0-255，所以取模）
        [4]

　　　　　　使用示例：图一无掩膜，图二有掩膜

 View Code

　　　　　　

　　

　　　　　　

　　　　　　cv.addWeight(): 两张图片相加，分别给予不同权重，实现图片融合和透明背景等效果

cv2.addWeighted() 两张图片相加，分别给予不同权重，实现图片融合和透明背景等效果
    参数：
        img1:图片对象1
        alpha:img1的权重
        img2:图片对象2
        beta:img1的权重
        gamma：常量值，图像相加后再加上常量值
        dtype：返回图像的数据类型，默认为-1，和img1一样
    (img1*alpha+img2*beta+gamma)

　　　　使用示例：

 View Code

　　　　

　　2.6 图像位运算

　　　　　btwise_and(), bitwise_or(), bitwise_not(), bitwise_xor()

cv2.btwise_and(): 与运算
    参数：
        img1:图片对象1
        img2:图片对象2
        mask:掩膜
    cv2.bitwise_or()：或运算
    参数：
        img1:图片对象1
        img2:图片对象2
        mask:掩膜
    cv2.bitwise_not(): 非运算
        img1:图片对象1
        mask:掩膜
    cv2.bitwise_xor():异或运算，相同为1，不同为0（1^1=0,1^0=1）
        img1:图片对象1
        img2:图片对象2
        mask:掩膜

　　使用示例：将logo图片移动到足球图片中，需要截取logo图片的前景和足球图片ROI的背景，然后叠加，效果如下：

 View Code

　　2.7 图像颜色空间转换

　　　　cv2.cvtColor()

cv2.cvtColor()
    参数：
        img: 图像对象
        code：
            cv2.COLOR_RGB2GRAY: RGB转换到灰度模式
            cv2.COLOR_RGB2HSV： RGB转换到HSV模式（hue,saturation,Value）
cv2.inRange()
    参数：
        img: 图像对象/array
        lowerb: 低边界array，  如lower_blue = np.array([110,50,50])
        upperb：高边界array， 如 upper_blue = np.array([130,255,255])
    mask = cv2.inRange(hsv, lower_green, upper_green)

　　2.8 性能评价　

　　　cv2.getTickCount()： 获得时钟次数

　　　cv2.getTickFrequency()：获得时钟频率 （每秒振动次数）

img1 = cv2.imread('messi5.jpg')

e1 = cv2.getTickCount()
for i in xrange(5,49,2):
    img1 = cv2.medianBlur(img1,i)
e2 = cv2.getTickCount()
t = (e2 - e1)/cv2.getTickFrequency()
print t

 　　2.9 绑定trackbar到图像

　　　　cv2.createTrackbar()

　　　　cv2.getTrackbarPos()

    cv2.createTrackbar() 为窗口添加trackbar
    参数：
        trackbarname: trackbar的名字
        winname: 窗口的名字
        value: trackbar创建时的值
        count：trackbar能设置的最大值，最小值总为0
        onChange：trackbar值发生变化时的回调函数，trackbar的值作为参数传给onchange
        
    cv2.getTrackbarPos() 获取某个窗口中trackbar的值
    参数：
        trackbarname: trackbar的名字
        winname: 窗口的名字

　　　　使用示例：通过改变trackbar的值，来寻找最优的mask范围，从而识别出图片中蓝色的瓶盖

#coding:utf-8

import cv2 as cv
import numpy as np

def nothing(args):
    pass

img = cv.imread(r"C:\Users\Administrator\Desktop\frame.png")
img_hsv = cv.cvtColor(img,cv.COLOR_BGR2HSV)
cv.namedWindow('tracks')
cv.createTrackbar("LH","tracks",0,255,nothing)
cv.createTrackbar("LS","tracks",0,255,nothing)
cv.createTrackbar("LV","tracks",0,255,nothing)

cv.createTrackbar("UH","tracks",255,255,nothing)
cv.createTrackbar("US","tracks",255,255,nothing)
cv.createTrackbar("UV","tracks",255,255,nothing)

# switch = "0:OFF \n1:ON"
# cv.createTrackbar(switch,"tracks",0,1,nothing)


while(1):
        
    l_h = cv.getTrackbarPos("LH","tracks")
    l_s = cv.getTrackbarPos("LS","tracks")
    l_v = cv.getTrackbarPos("LV","tracks")
    u_h = cv.getTrackbarPos("UH","tracks")
    u_s = cv.getTrackbarPos("US","tracks")
    u_v = cv.getTrackbarPos("UV","tracks")
    
    lower_b = np.array([l_h,l_s,l_v])
    upper_b = np.array([u_h,u_s,u_v])
    
    mask = cv.inRange(img_hsv,lower_b,upper_b)
    res = cv.add(img,img,mask=mask)
    
    cv.imshow("img",img)
    cv.imshow("mask",mask)
    cv.imshow("res",res)
    k = cv.waitKey(1)
    if k==27:
        break
    
    
    # print(r,g,b)
    # if s==0:
        # img[:]=0
    # else:
        # img[:]=




cv.destroyAllWindows()

　　　　　　

 

　　　

3. 图像阈值化

　　cv2.threshold()

　　cv2.adaptiveThreshold()

cv2.threshold(): 
参数：
    img:图像对象，必须是灰度图
    thresh:阈值
    maxval：最大值
    type:
        cv2.THRESH_BINARY:     小于阈值的像素置为0，大于阈值的置为maxval
        cv2.THRESH_BINARY_INV： 小于阈值的像素置为maxval，大于阈值的置为0
        cv2.THRESH_TRUNC：      小于阈值的像素不变，大于阈值的置为thresh
        cv2.THRESH_TOZERO       小于阈值的像素置0，大于阈值的不变
        cv2.THRESH_TOZERO_INV   小于阈值的不变，大于阈值的像素置0
返回两个值
    ret:阈值
    img：阈值化处理后的图像
    
cv2.adaptiveThreshold() 自适应阈值处理，图像不同部位采用不同的阈值进行处理
参数：
    img: 图像对象，8-bit单通道图
    maxValue:最大值
    adaptiveMethod: 自适应方法
        cv2.ADAPTIVE_THRESH_MEAN_C     ：阈值为周围像素的平均值
        cv2.ADAPTIVE_THRESH_GAUSSIAN_C : 阈值为周围像素的高斯均值（按权重）
    threshType:
        cv2.THRESH_BINARY:     小于阈值的像素置为0，大于阈值的置为maxValuel
        cv2.THRESH_BINARY_INV:  小于阈值的像素置为maxValue，大于阈值的置为0
    blocksize: 计算阈值时，自适应的窗口大小,必须为奇数 （如3：表示附近3个像素范围内的像素点，进行计算阈值）
    C： 常数值，通过自适应方法计算的值，减去该常数值
(mean value of the blocksize*blocksize neighborhood of (x, y) minus C)

　　使用示例：

 View Code

　　　　

　　奥斯二值化（Otsu's Binarization）

　　　　对于一些双峰图像，奥斯二值化能找到两峰之间的像素值作为阈值，并将其返回。适用于双峰图像的阈值化，或者通过去噪而产生的双峰图像。

　　　　官网使用示例：

 View Code　　　

 

4. 图像形状变换

　　4.1 cv2.resize()   图像缩放

cv2.resize() 放大和缩小图像
    参数：
        src: 输入图像对象
        dsize：输出矩阵/图像的大小，为0时计算方式如下：dsize = Size(round(fx*src.cols),round(fy*src.rows))
        fx: 水平轴的缩放因子，为0时计算方式：  (double)dsize.width/src.cols
        fy: 垂直轴的缩放因子，为0时计算方式：  (double)dsize.heigh/src.rows
        interpolation：插值算法
            cv2.INTER_NEAREST : 最近邻插值法
            cv2.INTER_LINEAR   默认值，双线性插值法
            cv2.INTER_AREA        基于局部像素的重采样（resampling using pixel area relation）。对于图像抽取（image decimation）来说，这可能是一个更好的方法。但如果是放大图像时，它和最近邻法的效果类似。
            cv2.INTER_CUBIC        基于4x4像素邻域的3次插值法
            cv2.INTER_LANCZOS4     基于8x8像素邻域的Lanczos插值
                     
    cv2.INTER_AREA 适合于图像缩小， cv2.INTER_CUBIC (slow) & cv2.INTER_LINEAR 适合于图像放大

　　　　官网示例：

 图像放大两倍

　　4.2 cv2.warpAffine()     仿射变换

　　　　 仿射变换（从二维坐标到二维坐标之间的线性变换，且保持二维图形的“平直性”和“平行性”。仿射变换可以通过一系列的原子变换的复合来实现，包括平移，缩放，翻转，旋转和剪切）

cv2.warpAffine()   仿射变换（从二维坐标到二维坐标之间的线性变换，且保持二维图形的“平直性”和“平行性”。仿射变换可以通过一系列的原子变换的复合来实现，包括平移，缩放，翻转，旋转和剪切）
    参数：
        img: 图像对象
        M：2*3 transformation matrix (转变矩阵)
        dsize：输出矩阵的大小,注意格式为（cols，rows）  即width对应cols，height对应rows
        flags：可选，插值算法标识符，有默认值INTER_LINEAR，
               如果插值算法为WARP_INVERSE_MAP, warpAffine函数使用如下矩阵进行图像转dst(x,y)=src(M11*x+M12*y+M13,M21*x+M22*y+M23)
        borderMode：可选， 边界像素模式，有默认值BORDER_CONSTANT 
        borderValue:可选，边界取值，有默认值Scalar()即0

　　　　　常用插值算法：

　　　仿射变换的本质：即一个矩阵A和向量B共同组成的转变矩阵，和原图像坐标相乘来得到新图像的坐标，从而实现图像移动，旋转等。如下矩阵A和向量B组成的转变矩阵M，用来对原图像的坐标（x,y）进行转变，得到新的坐标向量T

　　　　矩阵A和向量B

　　　　仿射变换（矩阵计算）：变换前坐标（x,y）

　　　　变换结果：变换后坐标（a00*x+a01 *y+b00, a10*x+a11*y+b10）

　　4.2.1 平移变换

　　　　了解了仿射变换的概念，平移变换只是采用了一个如下的转变矩阵（transformation matrix）: 从（x,y）平移到（x+tx, y+ty）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　

　　　　　官网使用示例：向左平移100，向下平移50

 View Code

　　4.2.2 放大和缩小

　　　　　放大和缩小指相对于原坐标（x,y）,变换为了（a*x, b*y）,即水平方向放大了a倍，水平方向放大了b倍，其对应的转变矩阵如下：

　　　　　　　　　　　　

　　4.2.3 旋转变换

　　　　　　将（x,y），以坐标原点为中心，顺时针方向旋转α得到(x1,y1)， 有如下关系x1 = xcosα-ysinα, y1 =xsinα+ycosα; 因此可以构建对应的转变矩阵如下：

　　　　　　opencv将其扩展到，任意点center为中心进行顺时针旋转α，放大scale倍的，转变矩阵如下：

　　　　　　　　　　　　

 　　　　　　通过getRotationMatrix2D()能得到转变矩阵

　　cv2.getRotationMatrix2D()  返回2*3的转变矩阵（浮点型）
    参数：
        center：旋转的中心点坐标
        angle：旋转角度，单位为度数，证书表示逆时针旋转
        scale：同方向的放大倍数

　　4.2.4 仿射变换矩阵的计算

　　　　通过上述的平移，缩放，旋转的组合变换即实现了仿射变换，上述多个变换的变换矩阵相乘即能得到组合变换的变换矩阵。同时该变换矩阵中涉及到六个未知数（2*3的矩阵），通过变换前后对应三组坐标，也可以求出变换矩阵，opencv提供了函数getAffineTransform()来计算变化矩阵

　　　　1> 矩阵相乘：将平移，旋转和缩放的变换矩阵相乘，最后即为仿射变换矩阵

　　　　2> getAffineTransform()：根据变换前后三组坐标计算变换矩阵　　　　　

　　　　cv2.getAffineTransform()  返回2*3的转变矩阵
    　 参数：
       　　 src：原图像中的三组坐标，如np.float32([[50,50],[200,50],[50,200]])
        　　dst: 转换后的对应三组坐标，如np.float32([[10,100],[200,50],[100,250]])

　　　　官网使用示例：　　　　　

 View Code

　　4.3 透视变换(persperctive transformation)

　　　　仿射变换都是在二维空间的变换，透视变换（投影变换）是在三维空间中发生了旋转。需要前后四组坐标来计算对应的转变矩阵，opencv提供了函数getPerspectiveTransform()来计算转变矩阵，cv2.wrapPerspective()函数来进行透视变换。其对应参数如下：　

　　　　　cv2.getPerspectiveTransform()   返回3*3的转变矩阵
        参数：    
            src：原图像中的四组坐标，如 np.float32([[56,65],[368,52],[28,387],[389,390]])
            dst: 转换后的对应四组坐标，如np.float32([[0,0],[300,0],[0,300],[300,300]])

            
        cv2.wrapPerspective()
        参数：    
            src: 图像对象
            M：3*3 transformation matrix (转变矩阵)
            dsize：输出矩阵的大小，注意格式为（cols，rows）  即width对应cols，height对应rows
            flags：可选，插值算法标识符，有默认值INTER_LINEAR，
                   如果插值算法为WARP_INVERSE_MAP, warpAffine函数使用如下矩阵进行图像转dst(x,y)=src(M11*x+M12*y+M13,M21*x+M22*y+M23)
            borderMode：可选， 边界像素模式，有默认值BORDER_CONSTANT 
            borderValue:可选，边界取值，有默认值Scalar()即0

　　　官网使用示例：

 View Code

　　　　　　

　　　从上图中可以透视变换的一个应用，如果能找到原图中纸张的四个顶点，将其转换到新图中纸张的四个顶点，能将歪斜的roi区域转正，并进行放大；如在书籍，名片拍照上传后进行识别时，是一个很好的图片预处理方法。

 

 官方文档：https://docs.opencv.org/3.0-beta/modules/imgproc/doc/miscellaneous_transformations.html?highlight=adaptivethreshold#cv2.adaptiveThreshold

 Tutorial：https://opencv-python-tutroals.readthedocs.io/en/latest/py_tutorials/py_gui/py_trackbar/py_trackbar.html#trackbar