OpenCV学习笔记10-图像轮廓的相关知识及代码实现

文章目录

• 1 什么是图像轮廓
• 2 查找轮廓
• 3 绘制轮廓
• 4 轮廓的面积和周长
• 5 多边形逼近与凸包
• 6 外接矩形

1 什么是图像轮廓

图像轮廓是具有相同颜色或灰度的连续点的曲线. 轮廓在形状分析和物体的检测和识别中很有用。

轮廓的作用:

• 用于图形分析
• 物体的识别和检测

注意点:

• 为了检测的准确性，需要先对图像进行 二值化或 Canny操作。
• 在OpenCV中，找到轮廓就像从黑色背景中找到白色物体。因此请记住， 要找到的对象应该是白色，背景应该是黑色。
• 画轮廓时会修改输入的图像, 如果之后想继续使用原始图像，应该将原始图像储存到其他变量中。

2 查找轮廓

• cv2.findContours(image, mode, method[, contours[, hierarchy[, offset]]])
• image 寻找轮廓的图像（单通道图像矩阵，可以是灰度图， 但更常用的是二值图像，一般是经过Canny、拉普拉斯等边缘检测算子处理过的二值图像）
• mode 查找轮廓的模式
  • RETR_EXTERNAL , 表示 只检测最外围轮廓
  • RETR_LIST , 检测的轮廓 不建立等级关系, 即 检测所有轮廓 图像里面的数字是索引，从右到左，从里到外
  • RETR_CCOMP , 每层最多两级, 从小到大, 从里到外， 很少用.
  • RETR_TREE, 按照树型存储轮廓, 从外到里，从大到小, 从右到左， 最常用！.
• method 轮廓近似方法也叫ApproximationMode
  • CHAIN_APPROX_NONE 保存所有轮廓上的点
  • CHAIN_APPROX_SIMPLE, 只保存 角点, 比如四边形, 只保留四边形的4个角, 存储信息少, 比较常用。
• 返回值 ：contours和hierarchy 即 轮廓（旧版本是list形式，新版本是tuple形式） 和 层级
• contours:轮廓点。 元组格式（不是ndarray），每一个元素为一个3维数组（其形状为（n,1,2），其中n表示轮廓点个数，2表示像素点坐标）,表示一个轮廓。
• hierarchy:轮廓间的层次关系,为三维数组，形状为（1,n,4），其中n表示轮廓总个数，4指的是用4个数表示各轮廓间的相互关系。第一个数表示同级轮廓的下一个轮廓编号，第二个数表示同级轮廓的上一个轮廓的编号，第三个数表示该轮廓下一级轮廓的编号，第四个数表示该轮廓的上一级轮廓的编号。
• offset 轮廓点的偏移量，格式为tuple,如（-10，10）表示轮廓点沿X负方向偏移10个像素点，沿Y正方向偏移10个像素点。

import cv2
import numpy as np

img = cv2.imread('./contours1.jpeg')

gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

ret, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)

contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)

print(type(contours))
print(contours)

cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

3 绘制轮廓

• cv2.drawContours(image, contours, contourIdx, color[, thickness[, lineType[, hierarchy[, maxLevel[, offset]]]]])
• 直接绘制轮廓时会对原图进行绘制，建议拷贝一份新的图像
• image 指明在哪幅图像上绘制轮廓（只有三通道的图像才显示轮廓）
• contours 轮廓点，传入的是list类型
• contourIdx 要绘制的轮廓的编号. -1 表示绘制所有轮廓 0代表绘制最外面的轮廓，1代表绘制第二个轮廓（从外到内数），2代表绘制第三个轮廓（从外到内数），以此类推
• color 轮廓的颜色（BGR）, 如 (0, 0, 255)表示红色
• thickness线宽, -1 表示全部填充 1代表线的宽度，1、2、3…线宽依次变粗
• lineType （可选参数）轮廓线型，包括cv2.LINE_4,cv2.LINE_8（默认）,cv2.LINE_AA,分别表示4邻域线，8领域线，抗锯齿线（可以更好地显示曲线）
• hierarchy （可选参数）层级结构，上述函数cv2.findContours()的第二个返回值，配合maxLevel参数使用
• maxLevel （可选参数）等于0表示只绘制指定的轮廓，等于1表示绘制指定轮廓及其下一级子轮廓，等于2表示绘制指定轮廓及其所有子轮廓
• offset （可选参数）轮廓点的偏移量

import cv2
import numpy as np

img = cv2.imread('./contours1.jpeg')

gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

thresh, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)

contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)

img_copy = img.copy()
cv2.drawContours(img_copy, contours, -1, (0, 0, 255), 1)

cv2.imshow('img_copy', img_copy)

cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

4 轮廓的面积和周长

轮廓面积是指每个轮廓中所有的像素点围成区域的面积，单位为像素。

轮廓面积是轮廓重要的统计特性之一，通过轮廓面积的大小可以进一步分析每个轮廓隐含的信息，例如通过轮廓面积区分物体大小识别不同的物体。

在查找到轮廓后, 可能会有很多细小的轮廓, 我们可以通过轮廓的面积进行过滤.

计算轮廓面积（不适用于具有自交点的轮廓，即重合），通常搭配findContours（）函数使用：

• 计算面积：cv2.contourArea(contour[, oriented])
• contour 输入的图像轮廓点
• oriented 有方向的区域标志，表示某一方向上的轮廓的面积值
  • 默认为False，表示返回不带方向的绝对值
  • True 依赖轮廓的方向（顺时针或逆时针），返回一个已标记区域的值
• 计算周长：cv2.arcLength(curve, closed)
• curve 即轮廓
• closed 是否是闭合的轮廓
  • True 表示计算闭合的轮廓的周长
  • False表示计算不是闭合的轮廓的周长，此时的周长比闭合时少最后一条 （例如，计算正方形的周长时，用True时计算四条边的和；用False时计算三条边的和）

计算面积代码：

import cv2
import numpy as np

img = cv2.imread('./contours1.jpeg')

gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

thresh, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)

contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)

img_copy = img.copy()
cv2.drawContours(img_copy, contours, 1, (255, 0, 0), 2)

area = cv2.contourArea(contours[1])
print('area:', area)

cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

计算周长代码：

import cv2
import numpy as np

img = cv2.imread('./contours1.jpeg')

gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

thresh, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)

contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)

img_copy = img.copy()
cv2.drawContours(img_copy, contours, 1, (255, 0, 0), 2)

perimeter = cv2.arcLength(contours[1], closed=True)
print('perimeter:', perimeter)

cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

完整代码：

import cv2
import numpy as np

img = cv2.imread('./contours1.jpeg')

gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

ret, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)

contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)

cv2.drawContours(img, contours, 1, (0, 0, 255), 2)

area = cv2.contourArea(contours[1])
print('area: ', area)
cv2.imshow('img', img)

perimeter = cv2.arcLength(contours[1], True)
print('perimeter:', perimeter)

cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

5 多边形逼近与凸包

​ findContours后的轮廓信息contours可能过于复杂不平滑，可以用approxPolyDP函数对该多边形曲线做适当近似,这就是轮廓的多边形逼近.

原图：

理解Douglas-Peucker算法：

1、该算法从轮廓中挑出 两个最远的点，进行相连；

2、然后再原轮廓上寻找一个 离线段距离最远的点，将该点加入逼近后的新轮廓，即连接着三个点形成的三角型作为轮廓；

3、选择三角形的任意一条边出发，进行步骤2，将距离最远点加入新轮廓，直至满足输出的精度要求。

approxPolyDP就是以多边形去逼近轮廓，把一个连续光滑曲线折线化，采用的是Douglas-Peucker算法（方法名中的DP）

DP算法原理比较简单，核心就是不断找多边形最远的点加入形成新的多边形，直到最大距离小于指定的精度。（以最少的储存信息量反映最接近原来轮廓的样子）

如图，假设阈值为T，先处理AB段，在整个轮廓上找到与AB边最远的距离d1，若d1

• 多边形逼近：cv2.approxPolyDP(curve, epsilon, closed[, approxCurve])
• curve 要近似逼近的轮廓，类型是mat（即ndarray）
• epsilon 判断点到相对应的line segment的距离，即DP算法使用的阈值（距离大于此阈值则舍弃，小于此阈值则保留，epsilon越小，折线的形状越”接近”曲线。）经过测试，该阈值设为0.02*perimeter比较合适。
• closed轮廓是否闭合
  • True 近似曲线是闭合的(它的第一个和最后一个顶点是连接的)
  • False 表示不闭合
• approxCurve 输出轮廓，类型应该与输入轮廓的类型相匹配（ndarray）。 *与cv2.drawContours搭配使用时，要把输出的approx转换成list类型传入到contours，详情看25行代码

import cv2
import numpy as np

img = cv2.imread('./hand.png')

gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

thresh, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)

contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)

approx = cv2.approxPolyDP(contours[0], 20, closed=True)

print(type(approx))

cv2.drawContours(img, [approx], 0, (0, 255, 0), 2)

cv2.imshow('img', img)

cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

逼近多边形是轮廓的高度近似，但是有时候，我们希望使用一个多边形的凸包来简化它。凸包跟逼近多边形很像，只不过它是物体最外层的凸多边形。凸包指的是完全包含原有轮廓，并且仅由轮廓上的点所构成的多边形。凸包的每一处都是凸的，即在凸包内连接任意两点的直线都在凸包的内部。在凸包内，任意连续三个点的内角小于180°。寻找图像的凸包，能够让我们做一些有意思的事情，比如手势识别等。（简单来说外部凸起来的点连起来就是凸包）

• cv2.convexHull(points[, hull[, clockwise[, returnPoints]]])
• points 即原始轮廓，不要传入逼近的轮廓
• hull 输出凸包结果（ndarray） 与cv2.drawContours搭配使用时，要把输出的hull转换成list类型传入到contours，详情看19行代码
• colckwise 转动方向，默认为 True，为顺时针绘制，反之为逆时针绘制
• returnPoints 默认为 True，返回凸包上点的坐标，如果设置为False，会返回与凸包点对应的轮廓上的点。

import cv2
import numpy as np

img =cv2.imread('./hand.png')

gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

thersh, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)

contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
print('contours:',type(contours))

hull = cv2.convexHull(contours[0])
print('hull:',type(hull))

cv2.drawContours(img, [hull], 0, (255, 0, 0), 2)

cv2.imshow('img', img)

cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

绘制轮廓+多边形逼近+凸包的结合：

import cv2
import numpy as np

img =cv2.imread('./hand.png')

gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

thersh, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)

contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
print(type(contours))

cv2.drawContours(img, contours, 0, (0, 0, 255), 2)

approx = cv2.approxPolyDP(contours[0], 20, True)

cv2.drawContours(img, [approx], 0, (0, 255, 0), 2)

hull = cv2.convexHull(contours[0])

cv2.drawContours(img, [hull], 0, (255, 0, 0), 2)

cv2.imshow('img', img)

cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

6 外接矩形

外接矩形分为 最小外接矩形和 最大外接矩形.

下图中红色矩形是最小外接矩形, 绿色矩形为最大外接矩形.

• cv2.minAreaRect(points) 最小外接矩阵（存在旋转）
• points 即为轮廓（contours）
• 返回元组,我们用rect接收, 内容是一个旋转矩形(RotatedRect)的参数: 矩形的起始坐标(x,y), 矩形的宽度和高度, 矩形的旋转角度.

返回的rect，我们可以通过cv2.boxPoints（box[, points]）来自动获得矩形的四个顶点坐标

• box 是rect返回的参数
• points 返回矩形的四个坐标（二维的ndarray）

我们获得坐标后（用box接收），可以通过cv2.drawCounter( )将最小外接矩形画出来，但是通过cv2.drawCounters( )绘制外接矩形时， 要把box转化成list传入到counters参数里才能使用

坑：像素是通过整数的ndarray储存的，但是上面获得的box有可能是小数，我们要把小数位通过四舍五入重新算出来，再传入到counters，具体方法是box = np.round(box).astype(‘int64’)→看26行代码

• cv2.boundingRect(points) 最大外接矩阵（方方正正的矩形，不存在旋转）
• points 即为轮廓（contours）
• 返回四个参数，起始坐标（x,y）,宽高（w,h），用x,y,w,h接收， *起始坐标在左下角

获得x,y,w,h后，我们可以通过 cv2.rectangle( )将最大外接矩形画出来，具体看33行代码

import cv2
import numpy as np

img = cv2.imread('./hello.jpeg')

gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

ret, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)

contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)

(x, y), (w, h), angle = cv2.minAreaRect(contours[1])

print(x, y)
print(w, h)
print(angle)
r = cv2.minAreaRect(contours[1])

box = cv2.boxPoints(r)
print(box)

box = np.round(box).astype('int64')
print(box)

cv2.drawContours(img, [box], 0, (255, 0, 0), 2)

x,y, w, h = cv2.boundingRect(contours[1])
cv2.rectangle(img, (x, y), (x + w, y + h), (255, 0, 0), 2)

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

附OpenCV目录：OpenCV总目录学习笔记

Original: https://blog.csdn.net/weixin_56197703/article/details/124179602
Author: Aaron-ywl
Title: OpenCV学习笔记10-图像轮廓的相关知识及代码实现