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目标

本文档尝试解答如下问题:

  • 如何使用OpenCV提供的两种最基本的形态学操作,腐蚀与膨胀( Erosion 与 Dilation):

原理

注意

以下内容来自于Bradski和Kaehler的大作: Learning OpenCV .

形态学操作

  • 简单来讲,形态学操作就是基于形状的一系列图像处理操作。通过将 结构元素 作用于输入图像来产生输出图像。

  • 最基本的形态学操作有二:腐蚀与膨胀(Erosion 与 Dilation)。 他们的运用广泛:

    • 消除噪声
    • 分割(isolate)独立的图像元素,以及连接(join)相邻的元素。
    • 寻找图像中的明显的极大值区域或极小值区域。
  • 通过以下图像,我们简要来讨论一下膨胀与腐蚀操作(译者注:注意这张图像中的字母为黑色,背景为白色,而不是一般意义的背景为黑色,前景为白色):

    Original image
第 1 段(可获 2 积分)

膨胀

  • 此操作将图像 A 与任意形状的内核 (B),通常为正方形或圆形,进行卷积。

  • 内核 B 有一个可定义的 锚点, 通常定义为内核中心点。

  • 进行膨胀操作时,将内核 B 划过图像,将内核 B 覆盖区域的最大相素值提取,并代替锚点位置的相素。显然,这一最大化操作将会导致图像中的亮区开始”扩展” (因此有了术语膨胀 dilation )。对上图采用膨胀操作我们得到:

    Dilation result - Theory example

 

第 2 段(可获 2 积分)

背景(白色)膨胀,而黑色字母缩小了。

腐蚀

  • 腐蚀在形态学操作家族里是膨胀操作的孪生姐妹。它提取的是内核覆盖下的相素最小值。

  • 进行腐蚀操作时,将内核 B 划过图像,将内核 B 覆盖区域的最小相素值提取,并代替锚点位置的相素。

  • 以与膨胀相同的图像作为样本,我们使用腐蚀操作。从下面的结果图我们看到亮区(背景)变细,而黑色区域(字母)则变大了。

    Erosion result - Theory example
第 3 段(可获 2 积分)

源码

下面是本教程的源码, 你也可以从这里下载。

#include "opencv2/imgproc/imgproc.hpp"
#include "opencv2/highgui/highgui.hpp"
#include "highgui.h"
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

using namespace cv;

/// 全局变量
Mat src, erosion_dst, dilation_dst;

int erosion_elem = 0;
int erosion_size = 0;
int dilation_elem = 0;
int dilation_size = 0;
int const max_elem = 2;
int const max_kernel_size = 21;

/** Function Headers */
void Erosion( int, void* );
void Dilation( int, void* );

/** @function main */
int main( int argc, char** argv )
{
  /// Load 图像
  src = imread( argv[1] );

  if( !src.data )
  { return -1; }

  /// 创建显示窗口
  namedWindow( "Erosion Demo", CV_WINDOW_AUTOSIZE );
  namedWindow( "Dilation Demo", CV_WINDOW_AUTOSIZE );
  cvMoveWindow( "Dilation Demo", src.cols, 0 );

  /// 创建腐蚀 Trackbar
  createTrackbar( "Element:\n 0: Rect \n 1: Cross \n 2: Ellipse", "Erosion Demo",
                  &erosion_elem, max_elem,
                  Erosion );

  createTrackbar( "Kernel size:\n 2n +1", "Erosion Demo",
                  &erosion_size, max_kernel_size,
                  Erosion );

  /// 创建膨胀 Trackbar
  createTrackbar( "Element:\n 0: Rect \n 1: Cross \n 2: Ellipse", "Dilation Demo",
                  &dilation_elem, max_elem,
                  Dilation );

  createTrackbar( "Kernel size:\n 2n +1", "Dilation Demo",
                  &dilation_size, max_kernel_size,
                  Dilation );

  /// Default start
  Erosion( 0, 0 );
  Dilation( 0, 0 );

  waitKey(0);
  return 0;
}

/**  @function Erosion  */
void Erosion( int, void* )
{
  int erosion_type;
  if( erosion_elem == 0 ){ erosion_type = MORPH_RECT; }
  else if( erosion_elem == 1 ){ erosion_type = MORPH_CROSS; }
  else if( erosion_elem == 2) { erosion_type = MORPH_ELLIPSE; }

  Mat element = getStructuringElement( erosion_type,
                                       Size( 2*erosion_size + 1, 2*erosion_size+1 ),
                                       Point( erosion_size, erosion_size ) );

  /// 腐蚀操作
  erode( src, erosion_dst, element );
  imshow( "Erosion Demo", erosion_dst );
}

/** @function Dilation */
void Dilation( int, void* )
{
  int dilation_type;
  if( dilation_elem == 0 ){ dilation_type = MORPH_RECT; }
  else if( dilation_elem == 1 ){ dilation_type = MORPH_CROSS; }
  else if( dilation_elem == 2) { dilation_type = MORPH_ELLIPSE; }

  Mat element = getStructuringElement( dilation_type,
                                       Size( 2*dilation_size + 1, 2*dilation_size+1 ),
                                       Point( dilation_size, dilation_size ) );
  ///膨胀操作
  dilate( src, dilation_dst, element );
  imshow( "Dilation Demo", dilation_dst );
}

 

 

第 4 段(可获 2 积分)

解释

  1. 大部分代码应该不需要解释了 (如果有任何疑问,请回头参考前面的教程)。 让我们来回顾一下本程序的总体流程:

    • 装载图像 (可以是 RGB图像或者灰度图 )
    • 创建两个显示窗口 (一个用于膨胀输出,一个用于腐蚀输出)
    • 为每个操作创建两个 Trackbars:
      • 第一个 trackbar “Element” 返回 erosion_elem 或者 dilation_elem
      • 第二个 trackbar “Kernel size” 返回 erosion_size 或者 dilation_size 。
    • 每次移动标尺, 用户函数 Erosion 或者 Dilation 就会被调用,函数将根据当前的trackbar位置更新输出图像。

    让我们分析一下这两个函数:

  2. Erosion:

    /**  @function Erosion  */
    void Erosion( int, void* )
    {
      int erosion_type;
      if( erosion_elem == 0 ){ erosion_type = MORPH_RECT; }
      else if( erosion_elem == 1 ){ erosion_type = MORPH_CROSS; }
      else if( erosion_elem == 2) { erosion_type = MORPH_ELLIPSE; }
    
      Mat element = getStructuringElement( erosion_type,
                                           Size( 2*erosion_size + 1, 2*erosion_size+1 ),
                                           Point( erosion_size, erosion_size ) );
      /// 腐蚀操作
      erode( src, erosion_dst, element );
      imshow( "Erosion Demo", erosion_dst );
    }
    • 进行 腐蚀 操作的函数是 erode 。 它接受了三个参数:

      • src: 原图像

      • erosion_dst: 输出图像

      • element: 腐蚀操作的内核。 如果不指定,默认为一个简单的 3x3 矩阵。否则,我们就要明确指定它的形状,可以使用函数getStructuringElement:

        Mat element = getStructuringElement( erosion_type,
                                             Size( 2*erosion_size + 1, 2*erosion_size+1 ),
                                             Point( erosion_size, erosion_size ) );

         

      我们可以为我们的内核选择三种形状之一:

      • 矩形: MORPH_RECT
      • 交叉形: MORPH_CROSS
      • 椭圆形: MORPH_ELLIPSE

      然后,我们还需要指定内核大小,以及 锚点 位置。不指定锚点位置,则默认锚点在内核中心位置。

    • 就这些了,我们现在可以对图像进行腐蚀操作了。

    注意:

    OpenCV的 erode 函数还有另外的参数,其中一个参数允许你一下对图像进行多次腐蚀操作。在这个简单的文档中没有用到它,但是你可以参考OpenCV的使用手册。

  3. Dilation:

第 5 段(可获 2 积分)

下面是膨胀的代码,你可以看到,它和 Erosion 函数是多么相似。 这里我们同样可以指定内核的形状,锚点和大小。

/** @function Dilation */
void Dilation( int, void* )
{
  int dilation_type;
  if( dilation_elem == 0 ){ dilation_type = MORPH_RECT; }
  else if( dilation_elem == 1 ){ dilation_type = MORPH_CROSS; }
  else if( dilation_elem == 2) { dilation_type = MORPH_ELLIPSE; }

  Mat element = getStructuringElement( dilation_type,
                                       Size( 2*dilation_size + 1, 2*dilation_size+1 ),
                                       Point( dilation_size, dilation_size ) );
  /// Apply the dilation operation
  dilate( src, dilation_dst, element );
  imshow( "Dilation Demo", dilation_dst );
}

 

第 6 段(可获 2 积分)

结果

  • 编译并使用图像路径作为参数运行程序,比如我们使用以下图像:

    Original image

    下面是操作的结果。 更改Trackbars的位置就会产生不一样的输出图像,自己试试吧。 最后,你还可以通过增加第三个Trackbar来控制膨胀或腐蚀的次数。

    Dilation and Erosion application
第 7 段(可获 2 积分)

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