【机器视觉】OpenCV 图像轮廓（查找/绘制轮廓、轮廓面积/周长、多边形逼近与凸包、外接矩形）

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7. 图像轮廓

7.1 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。
• 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。

7.2 查找轮廓

• findContours(image, mode, method[, contours[, hierarchy[, offset]]])

  • mode 查找轮廓的模式

    • RETR_EXTERNAL = 0, 表示只检测外围轮廓

      

    • RETR_LIST = 1, 检测的轮廓不建立等级关系, 即检测所有轮廓, 较为常用

    

    • RETR_CCOMP = 2, 每层最多两级, 从小到大, 从里到外.

    

    • RETR_TREE = 3, 按照树型存储轮廓, 从大到小, 从右到左.

  • 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 contours和hierachy 即轮廓和层级

import cv2
import numpy as np# 该图像显示效果是黑白的, 但是实际上却是3个通道的彩色图像.
img = cv2.imread('./contours1.jpeg')# 变成单通道的黑白图片
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)# 二值化, 注意有2个返回值, 阈值和结果
ret, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)# cv2.imshow('img', img)
# cv2.imshow('binary', binary)# 轮廓查找, 新版本返回两个结果, 轮廓和层级, 老版本返回3个参数, 图像, 轮廓和层级
result, contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)# 打印轮廓
print(contours)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

7.3 绘制轮廓

• drawContours(image, contours, contourIdx, color[, thickness[, lineType[, hierarchy[, maxLevel[, offset]]]]])
  • image 要绘制的轮廓图像
  • contours轮廓点
  • contourIdx 要绘制的轮廓的编号. -1 表示绘制所有轮廓
  • color 轮廓的颜色, 如 (0, 0, 255)表示红色
  • thickness线宽, -1 表示全部填充

import cv2
import numpy as np# 该图像显示效果是黑白的, 但是实际上却是3个通道的彩色图像.
img = cv2.imread('./contours1.jpeg')# 变成单通道的黑白图片
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)# 二值化, 注意有2个返回值, 阈值和结果
ret, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)# 轮廓查找, 新版本返回两个结果, 轮廓和层级, 老版本返回3个参数, 图像, 轮廓和层级
result, contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)# 绘制轮廓, 注意, 绘制轮廓会改变原图
cv2.drawContours(img, contours, 1, (0, 0, 255), 2)cv2.imshow('img', img)cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

7.4 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.

• contourArea(contour)
• arcLength(curve, closed)
  • curve即轮廓
  • closed是否是闭合的轮廓

import cv2
import numpy as np# 该图像显示效果是黑白的, 但是实际上却是3个通道的彩色图像.
img = cv2.imread('./contours1.jpeg')# 变成单通道的黑白图片
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)# 二值化, 注意有2个返回值, 阈值和结果
ret, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)# 轮廓查找, 新版本返回两个结果, 轮廓和层级, 老版本返回3个参数, 图像, 轮廓和层级
result, contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)# 绘制轮廓, 注意, 绘制轮廓会改变原图
cv2.drawContours(img, contours, 1, (0, 0, 255), 2)# 计算面积
area = cv2.contourArea(contours[1])
print('area: ', area)
cv2.imshow('img', img)# 计算周长
perimeter = cv2.arcLength(contours[1], True)
print('perimeter:', perimeter)cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

7.5 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.

apporxPolyDP就是以多边形去逼近轮廓，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，直到最短距离小于指定的精度。

• approxPolyDP(curve, epsilon, closed[, approxCurve])
  • curve 要近似逼近的轮廓
  • epsilon 即DP算法使用的阈值
  • closed轮廓是否闭合

import cv2
import numpy as npimg = cv2.imread('./hand.png')gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)# 二值化, 注意有2个返回值, 阈值和结果
ret, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)# 轮廓查找, 新版本返回两个结果, 轮廓和层级, 老版本返回3个参数, 图像, 轮廓和层级
result, contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)# 绘制轮廓, 注意, 绘制轮廓会改变原图
cv2.drawContours(img, contours, 0, (0, 0, 255), 2)
# 展示没有进行多边形逼近之前的轮廓# 进行多边形逼近, 返回的是多边形上一系列的点, 即多边形逼近之后的轮廓
approx = cv2.approxPolyDP(contours[0], 20, True)
# print(type(approx))
# print(approx)
# print('--------------------------------------')
# print(contours[0])# 把多边形逼近的轮廓画出来.
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°。

• convexHull(points[, hull[, clockwise[, returnPoints]]])
  • points 即轮廓
  • colckwise 顺时针绘制

import cv2
import numpy as npimg = cv2.imread('./hand.png')gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)# 二值化, 注意有2个返回值, 阈值和结果
ret, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)# 轮廓查找, 新版本返回两个结果, 轮廓和层级, 老版本返回3个参数, 图像, 轮廓和层级
result, contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)# 绘制轮廓, 注意, 绘制轮廓会改变原图
cv2.drawContours(img, contours, 0, (0, 0, 255), 2)# 进行多边形逼近, 返回的是多边形上一系列的点, 即多边形逼近之后的轮廓
approx = cv2.approxPolyDP(contours[0], 20, True)# 把多边形逼近的轮廓画出来.
cv2.drawContours(img, [approx], 0, (0, 255, 0), 2)# 计算凸包
hull = cv2.convexHull(contours[0])
cv2.drawContours(img, [hull], 0, (255, 0, 0), 2)cv2.imshow('img', img)cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

7.6 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.

• minAreaRect(points) 最小外接矩阵

  • points 即为轮廓
  • 返回元组, 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, 矩形的选择角度.

• boundingRect(points) 最大外接矩阵

  • points 即为轮廓

import cv2
import numpy as npimg = cv2.imread('./hello.jpeg')gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)ret, binary = cv2.threshold(gray, 150, 255, cv2.THRESH_BINARY)result, contours, hierarchy = cv2.findContours(binary, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)# 最外面的轮廓是整个图像, contours[1]表示图像里面的图形轮廓
# 注意返回的内容是一个旋转的矩形, 包含矩形的起始坐标, 宽高和选择角度
(x, y), (w, h), angle = cv2.minAreaRect(contours[1])print(x, y)
print(w, h)
print(angle)
r = cv2.minAreaRect(contours[1])# 快速把rotatedrect转化为轮廓数据
box = cv2.boxPoints(r)
print(box)
# 轮廓必须是整数, 不能是小数, 所以转化为整数
box = np.round(box).astype('int64')
print(box)
# 绘制最小外接矩形
cv2.drawContours(img, [box], 0, (255, 0, 0), 2)# 返回矩形的x,y和w,h
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()