0.Opencv介绍及环境配置

OpenCV是一个强大的计算机视觉库，它提供了丰富的函数和工具，可用于图像处理、特征提取、目标检测、机器学习等各种计算机视觉任务。接下来我们主要介绍使用Opencv进行图形处理，首先我们要配置好对应的环境。大家在网上可以搜到各种各样的教程，这里我的环境如下

python3.6, opencv-contrib-python3.4.1.15,opencv-python3.4.1.15

大家可以根据自己的python环境自习安装对应的版本。

以我的环境为例，安装命令如下

pip install opencv-python==3.4.1.15

pip install opencv-contrib-python==3.4.1.15

1.图像读取

接下来我们来看在opencv当中，图像最基本的操作。

首先，我们得先知道计算机是如何看一张图像的

我们来观察这个图，我们把它叫做丽娜，我们把图片分成了很多很多小方格，然后我们拿出其中的一个方格观察一下。在这个方格当中，我们的每一个就是一个大区域，它是有很多个小块儿所组成的，其中的每一个小格，它叫做一个像素点，计算机当就是由这些像素点来构成一张图像的，那像素点又是什么呢？

其实，它就是一个值，我们来看最右边，每一个矩阵里边儿的组成，各种值，例如81，116，…，133，170。它们就是构成像素点的每一个值了，而这个数值大小意味着什么呢？

在计算机当中，每一个像素点的值是在0-255之间进行浮动的，表示该点亮度，0表示很亮，255表示很暗

然后我们再来看R、G、B三个通道，每一个彩色图都是由RGB三颜色通道组成的，然后每一个矩阵分别对应每一个通道的亮度。对于灰度图而言，就只有一个通道来表示亮度。

这些像素点组成了一个矩阵，这个矩阵就表示图像的大小，例如我们假设矩阵是300×300，那相应的rgb三个通道都是300×300,因此整个图形的维度就是(300,300,3)

1.1 彩色图像读取

当我们要分析一张图片时，首先就是读取它转换成一个矩阵的格式，下面我们正式看一下如何读取图片

import cv2 #opencv读取的格式是BGR
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np 
%matplotlib inline 
img=cv2.imread('yangqi.jpg')

在这里我们先导入cv2，然后找到你要读取的图片地址，我这里用的是我们家小狗的图片，他的名字叫洋气，‘yangqi.jpg’，使用cv.imread()函数就会把这张图像读进来。

我们来看一下它的结果是什么

img

array([[[ 99, 141, 148],
        [ 95, 137, 144],
        [ 78, 120, 127],
        ...,
        [ 69,  88, 103],
        [ 81, 100, 113],
        [ 88, 107, 120]],

       [[ 93, 137, 144],
        [ 49,  93, 100],
        [ 86, 130, 137],
        ...,
        [175, 197, 209],
        [195, 217, 229],
        [200, 222, 234]],

       [[ 30,  76,  84],
        [ 23,  66,  75],
        [ 72, 115, 124],
        ...,
        [ 43,  65,  77],
        [ 42,  64,  76],
        [ 43,  65,  77]],

       ...,

       [[178, 209, 232],
        [158, 189, 212],
        [154, 185, 206],
        ...,
        [ 68,  78,  85],
        [ 54,  64,  71],
        [ 83,  93, 100]],

       [[164, 195, 216],
        [138, 169, 190],
        [168, 197, 218],
        ...,
        [ 84,  94, 101],
        [ 92, 102, 109],
        [ 87,  97, 104]],

       [[167, 196, 217],
        [129, 158, 179],
        [102, 131, 152],
        ...,
        [101, 111, 118],
        [124, 134, 141],
        [ 96, 106, 113]]], dtype=uint8)

img.shape

(238, 218, 3)

可以看到，它返回的是一个ndarray的结构，纬度为(238, 218, 3)，因为我们这里是一张彩色图片，所以有三个通道。

现在我们已经把图像数据给读进来了，有些时候就是随着我们对图像进行处理，例如边缘检测，或者是一些更复杂的操作。在做操作过程当中，我们想观察一下，这个图像它变换成什么样子了，因此我们需要展示图像，我们可以用matplotlib或者cv2，但是需要注意的是openCV默认读取是BGR的格式，所以在读取的时候，如果我们要用matplotlib的话需要进行相应的转变。我们这里全部都用openCV自带的函数来展示。这里我们利用cv.imshow()函数，传入两个参数，第一个参数表示窗口的名称，第二个函数就是我们要读取的图像数据，也就是我们刚刚得到的那个矩阵

#图像展示
cv2.imshow('cat',img) 
cv2.waitKey(0) # 等待时间，0表示按任意键结束
cv2.destroyAllWindows()

为了方便使用，我们定义函数cv_show()，以后就直接调用这个函数来进行图像读取

def cv_show(name,img):
    cv2.imshow(name,img) 
    cv2.waitKey(0) 
    cv2.destroyAllWindows()

1.2 灰色图像读取

在opencv中，默认都是进行彩色图像读取，有的时候我们想要读取灰度图，在这里我们指定cv2.IMREAD_GRAYSCALE

img=cv2.imread('yangqi.jpg',cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
img

array([[138, 134, 117, ...,  90, 102, 109],
       [134,  90, 127, ..., 198, 218, 223],
       [ 73,  64, 113, ...,  66,  65,  66],
       ...,
       [212, 192, 188, ...,  79,  65,  94],
       [198, 172, 200, ...,  95, 103,  98],
       [199, 161, 134, ..., 112, 135, 107]], dtype=uint8)

img.shape

(238, 218)

可以看到现在的数据变成了一个二维矩阵了，此时是一个单通道，我们再次读取

cv2.imshow('cat2',img) 
cv2.waitKey(0) 
cv2.destroyAllWindows()

可以看出现在这个图片就变成灰白了

2.视频读取

视频读取其实和我们图像读取类似，我们先把视频进行拆分，拆分成其中的每一帧，然后基于每一帧图像去做。下面我们具体来看一下如何使用opencv读取视频，首先找到你要读取的视频路径，然后调用cv2.VideoCapture()函数得到视频流，然后我们使用isOpened()来判断是否能打开，如果能打开，使用vc.read()一帧一帧的读取视频信息，然后返回两个值，open为布尔值，frame为读取的每一帧的图像数据

vc = cv2.VideoCapture('test.mp4')

# 检查是否打开正确
if vc.isOpened(): 
    oepn, frame = vc.read()
else:
    open = False

while open:
    ret, frame = vc.read()
    if frame is None:
        break
    if ret == True:
        gray = cv2.cvtColor(frame,  cv2.COLOR_BGR2GRAY) #转换成黑白图
        cv2.imshow('result', gray)#显示每一帧图像
        if cv2.waitKey(100) & 0xFF == 27:#等待时间
            break
vc.release() 
cv2.destroyAllWindows()

3.ROI读取

3.1 图形切片处理

接下来我们来看，当我拿到一张图像时，有的时候我只对某一个区域感兴趣，例如我们刚刚的cat图片，我可能想要观察的是中间的某一个特定区域，这就是region of interest（ROI）读取,如下所示，我们对图形进行切片处理，得到它的左上部分结果。

img=cv2.imread('yangqi.jpg')
dog=img[0:50,0:200] 
cv_show('yangqi',dog)

3.2 提取颜色通道

有的时候我们需要对图像进行一些特殊的分析，假设一个彩色图像，它是由三个颜色通道组成，BGR(Opencv默认顺序)。在openCV当中，我们可以使用cv2.split()把三个通道分别提取出来看一下

b,g,r=cv2.split(img)

这样我们得到了每一个通道的数据

r.shape,b.shape,g.shape

((238, 218), (238, 218), (238, 218))

可以看到每一个通道都是一个二维矩阵。在我们切片完处理之后，我们希望再将其组合在一起，我们可以直接调用cv2.merge()，注意我们的顺序是BGR

img=cv2.merge((b,g,r))#顺序为bgr
img.shape

我们前面一直说彩色图片有三个通道，那么每个通道的图像是怎样的呢？我们接下来分别来看看。首先，我们只看R通道的图像，那么我们设置B，G通道对于的像素点值全为0

tmp_img = img.copy()
tmp_img[:,:,0] = 0#第一个通道B全部设为0
tmp_img[:,:,1] = 0#第二个通道G全部设为0
cv_show('Red',tmp_img)

可以看到得到了一张红色图片，下面类似的操作可以分别得到蓝色和绿色的结果

tmp_img = img.copy()
tmp_img[:,:,0] = 0
tmp_img[:,:,2] = 0
cv_show('Green',tmp_img)

tmp_img = img.copy()
tmp_img[:,:,1] = 0
tmp_img[:,:,2] = 0
cv_show('Blue',tmp_img)

4.图像填充

接下来我们讨论一下图像填充，这个也比较常见，我们之间在介绍卷积的时候说了padding,它就是在图像在边界进行填充。下面我们就介绍一下使用Opencv来填充图像的一些方法

top_size,bottom_size,left_size,right_size = (100,100,100,100)#要填充的大小

replicate = cv2.copyMakeBorder(img, top_size, bottom_size, left_size, right_size, borderType=cv2.BORDER_REPLICATE) #复制法
reflect = cv2.copyMakeBorder(img, top_size, bottom_size, left_size, right_size,cv2.BORDER_REFLECT) #反射法
reflect101 = cv2.copyMakeBorder(img, top_size, bottom_size, left_size, right_size, cv2.BORDER_REFLECT_101) #反射法101
wrap = cv2.copyMakeBorder(img, top_size, bottom_size, left_size, right_size, cv2.BORDER_WRAP) #外包装法
constant = cv2.copyMakeBorder(img, top_size, bottom_size, left_size, right_size,cv2.BORDER_CONSTANT, value=0) #常数填充，0表示黑色

• BORDER_REPLICATE：复制法，直接复制最边缘的像素
• BORDER_REFLECT：反射法，对感兴趣的图像中的像素在两边进行复制，例如，原始为1234，那么我们复制的方法为321|1234|432
• BORDER_REFLECT_101：反射法101，以最边缘像素为轴进行对称复制，例如，原始为1234,那么我们复制的方法为432|1234|321
• BORDER_WRAP：外包装法,例如原始为1234，复制为234|1234|123
• BORDER_CONSTANT：常量法，常数值填充。

查看结果

import matplotlib.pyplot as plt
plt.subplot(231), plt.imshow(img, 'gray'), plt.title('ORIGINAL')
plt.subplot(232), plt.imshow(replicate, 'gray'), plt.title('REPLICATE')
plt.subplot(233), plt.imshow(reflect, 'gray'), plt.title('REFLECT')
plt.subplot(234), plt.imshow(reflect101, 'gray'), plt.title('REFLECT_101')
plt.subplot(235), plt.imshow(wrap, 'gray'), plt.title('WRAP')
plt.subplot(236), plt.imshow(constant, 'gray'), plt.title('CONSTANT')

plt.show()

5.数值运算与图像融合

接下来我们来看一下在Opencv中的基本数值运算，我们先读取两张图像,yangqi和另一只猫的图片cat

img_dog=cv2.imread('yangqi.jpg')
img_cat=cv2.imread('cat.jpg')

5.1 加法运算

img_cat2= img_cat +10 
img_cat[:5,:,0]

array([[142, 146, 151, ..., 156, 155, 154],
       [107, 112, 117, ..., 155, 154, 153],
       [108, 112, 118, ..., 154, 153, 152],
       [139, 143, 148, ..., 156, 155, 154],
       [153, 158, 163, ..., 160, 159, 158]], dtype=uint8)

然后我们对cat加10，这相当于在每个像素点都加10.

img_cat2[:5,:,0]

array([[152, 156, 161, ..., 166, 165, 164],
       [117, 122, 127, ..., 165, 164, 163],
       [118, 122, 128, ..., 164, 163, 162],
       [149, 153, 158, ..., 166, 165, 164],
       [163, 168, 173, ..., 170, 169, 168]], dtype=uint8)

在opencv中，我们有两种方法实现两个矩阵相加

# 方法一
(img_cat + img_cat2)[:5,:,0] 

array([[ 38,  46,  56, ...,  66,  64,  62],
       [224, 234, 244, ...,  64,  62,  60],
       [226, 234, 246, ...,  62,  60,  58],
       [ 32,  40,  50, ...,  66,  64,  62],
       [ 60,  70,  80, ...,  74,  72,  70]], dtype=uint8)

# 方法二
cv2.add(img_cat,img_cat2)[:5,:,0]

array([[255, 255, 255, ..., 255, 255, 255],
       [224, 234, 244, ..., 255, 255, 255],
       [226, 234, 246, ..., 255, 255, 255],
       [255, 255, 255, ..., 255, 255, 255],
       [255, 255, 255, ..., 255, 255, 255]], dtype=uint8)

• 方法一：直接如上所示，用a+b，这样得出来的结果大家可以看第一个为38，我们知道刚刚两个矩阵的第一个元素相加为142+152=294，之前我们说每一个像素的范围为0-255，在这里超过了255，因此我们这里实际上是294%256=38，进行了一个取余数的操作

• 方法二：cv2.add(),这种方法会将超过255的值定义为255

5.2 图像融合

首先我们来看一下两张图片的维度

img_cat.shape,img_dog.shape

((414, 500, 3), (238, 218, 3))

由于维度不同，不能直接相加，这里我们需要使用cv.resize将dog的图片维度转换，这在我们之前CNN中也用过类似的操作。

img_dog = cv2.resize(img_dog, (500, 414))
img_dog.shape

(414, 500, 3)

现在两张图片的纬度一样了，我们可以调用cv2.addWeighted()将两张图片融合。

这里有5个参数，分别是图片1数据、图片1权重、图片2数据、图片2权重、常数项。

具体操作就是0.4*cat+0.6*dog+0

res = cv2.addWeighted(img_cat, 0.4, img_dog, 0.6, 0)

可以看到这个结果当中，左边像猫，右边像狗，这样就好像两张图像就融合在一起了。

6. 总结

我们介绍了Opencv环境配置、基本的图像和视频读取、读取感兴趣的部分图像、图像填充、以及在Opencv中的基本数值计算和图像融合。