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  • 详细分析图像形态学操作

            原文链接：http://blog.csdn.net/poem_qianmo/article/details/23710721

            还是比教科书上的图文并茂的多。以防删除，如有疑问或者版权问题，请移步原博客或者告知本人。


    本篇文章中，我们一起探究了图像处理中，最基本的形态学运算——膨胀与腐蚀。浅墨在文章开头友情提醒，用人物照片做腐蚀和膨胀的素材图片得到的效果会比较惊悚，毁三观的，不建议尝试。。。。。。。。。。


    OK，开始吧，依然是先放一张截图：





    一、理论与概念讲解——从现象到本质



    1.1 形态学概述

     

    形态学（morphology）一词通常表示生物学的一个分支，该分支主要研究动植物的形态和结构。而我们图像处理中指的形态学，往往表示的是数学形态学。下面一起来了解数学形态学的概念。

    数学形态学（Mathematical morphology） 是一门建立在格论和拓扑学基础之上的图像分析学科，是数学形态学图像处理的基本理论。其基本的运算包括：二值腐蚀和膨胀、二值开闭运算、骨架抽取、极限腐蚀、击中击不中变换、形态学梯度、Top-hat变换、颗粒分析、流域变换、灰值腐蚀和膨胀、灰值开闭运算、灰值形态学梯度等。

     

    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。OpenCV为进行图像的形态学变换提供了快捷、方便的函数。最基本的形态学操作有二种，他们是：膨胀与腐蚀(Dilation与Erosion)。

    膨胀与腐蚀能实现多种多样的功能，主要如下：

    • 消除噪声
    • 分割(isolate)出独立的图像元素，在图像中连接(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
    • 求出图像的梯度

     


    我们在这里给出下文会用到的，用于对比膨胀与腐蚀运算的“浅墨”字样毛笔字原图：

     

    在进行腐蚀和膨胀的讲解之前，首先需要注意，腐蚀和膨胀是对白色部分（高亮部分）而言的，不是黑色部分。膨胀就是图像中的高亮部分进行膨胀，“领域扩张”，效果图拥有比原图更大的高亮区域。腐蚀就是原图中的高亮部分被腐蚀，“领域被蚕食”，效果图拥有比原图更小的高亮区域。

     





    1.2 膨胀

     

    其实，膨胀就是求局部最大值的操作。

    按数学方面来说，膨胀或者腐蚀操作就是将图像（或图像的一部分区域，我们称之为A）与核（我们称之为B）进行卷积。

    核可以是任何的形状和大小，它拥有一个单独定义出来的参考点，我们称其为锚点（anchorpoint）。多数情况下，核是一个小的中间带有参考点和实心正方形或者圆盘，其实，我们可以把核视为模板或者掩码。

     

    而膨胀就是求局部最大值的操作，核B与图形卷积，即计算核B覆盖的区域的像素点的最大值，并把这个最大值赋值给参考点指定的像素。这样就会使图像中的高亮区域逐渐增长。如下图所示，这就是膨胀操作的初衷。



    膨胀的数学表达式：


    膨胀效果图（毛笔字）：

     

    照片膨胀效果图：


     



    1.3 腐蚀


    再来看一下腐蚀，大家应该知道，膨胀和腐蚀是一对好基友，是相反的一对操作，所以腐蚀就是求局部最小值的操作。

    我们一般都会把腐蚀和膨胀对应起来理解和学习。下文就可以看到，两者的函数原型也是基本上一样的。

     

    原理图：

     

    腐蚀的数学表达式：

     

    腐蚀效果图（毛笔字）：


    照片腐蚀效果图：

     

     浅墨表示这张狗狗超可爱：D

     

     



    二、深入——OpenCV源码分析溯源

     


    直接上源码吧，在…opencvsourcesmodulesimgprocsrc morph.cpp路径中 的第1353行开始就为erode（腐蚀）函数的源码，1361行为dilate（膨胀）函数的源码。

    [cpp] view plaincopyprint?在CODE上查看代码片派生到我的代码片
    1. //-----------------------------------【erode（）函数中文注释版源代码】----------------------------   
    2. //    说明：以下代码为来自于计算机开源视觉库OpenCV的官方源代码   
    3. //    OpenCV源代码版本：2.4.8   
    4. //    源码路径：…opencvsourcesmodulesimgprocsrc morph.cpp   
    5. //    源文件中如下代码的起始行数：1353行   
    6. //    中文注释by浅墨   
    7. //--------------------------------------------------------------------------------------------------------    
    8. void cv::erode( InputArray src, OutputArraydst, InputArray kernel,  
    9.                 Point anchor, int iterations,  
    10.                 int borderType, constScalar& borderValue )  
    11. {  
    12. //调用morphOp函数，并设定标识符为MORPH_ERODE  
    13.    morphOp( MORPH_ERODE, src, dst, kernel, anchor, iterations, borderType,borderValue );  
    14. }  
    [cpp] view plaincopyprint?在CODE上查看代码片派生到我的代码片
    1. //-----------------------------------【dilate（）函数中文注释版源代码】----------------------------   
    2. //    说明：以下代码为来自于计算机开源视觉库OpenCV的官方源代码   
    3. //    OpenCV源代码版本：2.4.8   
    4. //    源码路径：…opencvsourcesmodulesimgprocsrc morph.cpp   
    5. //    源文件中如下代码的起始行数：1361行   
    6. //    中文注释by浅墨   
    7. //--------------------------------------------------------------------------------------------------------   
    8. void cv::dilate( InputArray src,OutputArray dst, InputArray kernel,  
    9.                  Point anchor, int iterations,  
    10.                  int borderType, constScalar& borderValue )  
    11. {  
    12. //调用morphOp函数，并设定标识符为MORPH_DILATE  
    13.    morphOp( MORPH_DILATE, src, dst, kernel, anchor, iterations, borderType,borderValue );  
    14. }  


    可以发现erode和dilate这两个函数内部就是调用了一下morphOp，只是他们调用morphOp时，第一个参数标识符不同，一个为MORPH_ERODE（腐蚀），一个为MORPH_DILATE（膨胀）。

    morphOp函数的源码在…opencvsourcesmodulesimgprocsrcmorph.cpp中的第1286行，有兴趣的朋友们可以研究研究，这里就不费时费力花篇幅展开分析了。

     

     

     

    三、浅出——API函数快速上手

     



    3.1  形态学膨胀——dilate函数

     


    erode函数，使用像素邻域内的局部极大运算符来膨胀一张图片，从src输入，由dst输出。支持就地（in-place）操作。

    函数原型：

    [cpp] view plaincopyprint?在CODE上查看代码片派生到我的代码片

        C++: void dilate(  
        InputArray src,  
        OutputArray dst,  
        InputArray kernel,  
        Point anchor=Point(-1,-1),  
        int iterations=1,  
        int borderType=BORDER_CONSTANT,  
        const Scalar& borderValue=morphologyDefaultBorderValue()   
    );


    参数详解：

    • 第一个参数，InputArray类型的src，输入图像，即源图像，填Mat类的对象即可。图像通道的数量可以是任意的，但图像深度应为CV_8U，CV_16U，CV_16S，CV_32F或 CV_64F其中之一。
    • 第二个参数，OutputArray类型的dst，即目标图像，需要和源图片有一样的尺寸和类型。
    • 第三个参数，InputArray类型的kernel，膨胀操作的核。若为NULL时，表示的是使用参考点位于中心3x3的核。

    我们一般使用函数 getStructuringElement配合这个参数的使用。getStructuringElement函数会返回指定形状和尺寸的结构元素（内核矩阵）。

    其中，getStructuringElement函数的第一个参数表示内核的形状，我们可以选择如下三种形状之一:

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

    而getStructuringElement函数的第二和第三个参数分别是内核的尺寸以及锚点的位置。

    我们一般在调用erode以及dilate函数之前，先定义一个Mat类型的变量来获得getStructuringElement函数的返回值。对于锚点的位置，有默认值Point(-1,-1)，表示锚点位于中心。且需要注意，十字形的element形状唯一依赖于锚点的位置。而在其他情况下，锚点只是影响了形态学运算结果的偏移。

    getStructuringElement函数相关的调用示例代码如下：

    [cpp] view plaincopyprint?在CODE上查看代码片
    int g_nStructElementSize = 3; //结构元素(内核矩阵)的尺寸  
   
//获取自定义核  
Mat element = getStructuringElement(MORPH_RECT,  
    Size(2*g_nStructElementSize+1,2*g_nStructElementSize+1),  
    Point( g_nStructElementSize, g_nStructElementSize ));


    调用这样之后，我们便可以在接下来调用erode或dilate函数时，第三个参数填保存了getStructuringElement返回值的Mat类型变量。对应于我们上面的示例，就是填element变量。


    • 第四个参数，Point类型的anchor，锚的位置，其有默认值（-1，-1），表示锚位于中心。
    • 第五个参数，int类型的iterations，迭代使用erode（）函数的次数，默认值为1。
    • 第六个参数，int类型的borderType，用于推断图像外部像素的某种边界模式。注意它有默认值BORDER_DEFAULT。
    • 第七个参数，const Scalar&类型的borderValue，当边界为常数时的边界值，有默认值morphologyDefaultBorderValue()，一般我们不用去管他。需要用到它时，可以看官方文档中的createMorphologyFilter()函数得到更详细的解释。
    •  

    使用erode函数，一般我们只需要填前面的三个参数，后面的四个参数都有默认值。而且往往结合getStructuringElement一起使用。

    调用范例：

    [cpp] view plaincopyprint?在CODE上查看代码片派生到我的代码片

    用上面核心代码架起来的完整程序代码：

     

                //载入原图   
            Mat image = imread("1.jpg");  
    //获取自定义核  
            Mat element = getStructuringElement(MORPH_RECT, Size(15, 15));  
            Mat out;  
            //进行膨胀操作  
            dilate(image, out, element);


    [cpp] view plaincopyprint?在CODE上查看代码片派生到我的代码片

    //     描述：包含程序所依赖的头文件  
//----------------------------------------------------------------------------------------------  
#include <opencv2/core/core.hpp>  
#include<opencv2/highgui/highgui.hpp>  
#include<opencv2/imgproc/imgproc.hpp>  
#include <iostream>  
   
//-----------------------------------【命名空间声明部分】---------------------------------------  
//     描述：包含程序所使用的命名空间  
//-----------------------------------------------------------------------------------------------   
using namespace std;  
using namespace cv;  
   
//-----------------------------------【main( )函数】--------------------------------------------  
//     描述：控制台应用程序的入口函数，我们的程序从这里开始  
//-----------------------------------------------------------------------------------------------  
int main(  )  
{  
   
       //载入原图   
       Mat image = imread("1.jpg");  
   
       //创建窗口   
       namedWindow("【原图】膨胀操作");  
       namedWindow("【效果图】膨胀操作");  
   
       //显示原图  
       imshow("【原图】膨胀操作", image);  
   
<span style="white-space:pre">  </span>//获取自定义核  
       Mat element = getStructuringElement(MORPH_RECT, Size(15, 15));  
       Mat out;  
<span style="white-space:pre">  </span>//进行膨胀操作  
       dilate(image,out, element);  
   
       //显示效果图  
       imshow("【效果图】膨胀操作", out);  
   
       waitKey(0);  
   
       return 0;  
}



     运行截图：



     

     

     

    3.2 形态学腐蚀——erode函数



    erode函数，使用像素邻域内的局部极小运算符来腐蚀一张图片，从src输入，由dst输出。支持就地（in-place）操作。

     

    看一下函数原型：

    [cpp] view plaincopyprint?在CODE上查看代码片派生到我的代码片

        C++: void erode(  
        InputArray src,  
        OutputArray dst,  
        InputArray kernel,  
        Point anchor=Point(-1,-1),  
        int iterations=1,  
        int borderType=BORDER_CONSTANT,  
        const Scalar& borderValue=morphologyDefaultBorderValue()  
     );


    参数详解：

    • 第一个参数，InputArray类型的src，输入图像，即源图像，填Mat类的对象即可。图像通道的数量可以是任意的，但图像深度应为CV_8U，CV_16U，CV_16S，CV_32F或 CV_64F其中之一。
    • 第二个参数，OutputArray类型的dst，即目标图像，需要和源图片有一样的尺寸和类型。
    • 第三个参数，InputArray类型的kernel，腐蚀操作的内核。若为NULL时，表示的是使用参考点位于中心3x3的核。我们一般使用函数 getStructuringElement配合这个参数的使用。getStructuringElement函数会返回指定形状和尺寸的结构元素（内核矩阵）。（具体看上文中浅出部分dilate函数的第三个参数讲解部分）
    • 第四个参数，Point类型的anchor，锚的位置，其有默认值（-1，-1），表示锚位于单位（element）的中心，我们一般不用管它。
    • 第五个参数，int类型的iterations，迭代使用erode（）函数的次数，默认值为1。
    • 第六个参数，int类型的borderType，用于推断图像外部像素的某种边界模式。注意它有默认值BORDER_DEFAULT。
    • 第七个参数，const Scalar&类型的borderValue，当边界为常数时的边界值，有默认值morphologyDefaultBorderValue()，一般我们不用去管他。需要用到它时，可以看官方文档中的createMorphologyFilter()函数得到更详细的解释。

    同样的，使用erode函数，一般我们只需要填前面的三个参数，后面的四个参数都有默认值。而且往往结合getStructuringElement一起使用。

    调用范例：

    [cpp] view plaincopyprint?在CODE上查看代码片派生到我的代码片

           //载入原图   
        Mat image = imread("1.jpg");  
//获取自定义核  
        Mat element = getStructuringElement(MORPH_RECT, Size(15, 15));  
        Mat out;  
        //进行腐蚀操作  
        erode(image,out, element);


    用上面核心代码架起来的完整程序代码：

     

    [cpp] view plaincopyprint?在CODE上查看代码片派生到我的代码片


        //-----------------------------------【头文件包含部分】---------------------------------------  
    //     描述：包含程序所依赖的头文件  
    //----------------------------------------------------------------------------------------------  
    #include <opencv2/core/core.hpp>  
    #include<opencv2/highgui/highgui.hpp>  
    #include<opencv2/imgproc/imgproc.hpp>  
    #include <iostream>  
       
    //-----------------------------------【命名空间声明部分】---------------------------------------  
    //     描述：包含程序所使用的命名空间  
    //-----------------------------------------------------------------------------------------------   
    using namespace std;  
    using namespace cv;  
       
    //-----------------------------------【main( )函数】--------------------------------------------  
    //     描述：控制台应用程序的入口函数，我们的程序从这里开始  
    //-----------------------------------------------------------------------------------------------  
    int main(  )  
    {  
           //载入原图   
           Matimage = imread("1.jpg");  
       
            //创建窗口   
           namedWindow("【原图】腐蚀操作");  
           namedWindow("【效果图】腐蚀操作");  
       
           //显示原图  
           imshow("【原图】腐蚀操作", image);  
       
              
    //获取自定义核  
           Mat element = getStructuringElement(MORPH_RECT, Size(15, 15));  
           Mat out;  
       
    //进行腐蚀操作  
           erode(image,out, element);  
       
           //显示效果图  
           imshow("【效果图】腐蚀操作", out);  
       
           waitKey(0);  
       
           return 0;  
    }

    运行结果：

     

     

     

     

    四、综合示例——在实战中熟稔

     

     

    依然是每篇文章都会配给大家的一个详细注释的博文配套示例程序，把这篇文章中介绍的知识点以代码为载体，展现给大家。

    这个示例程序中的效果图窗口有两个滚动条，顾名思义，第一个滚动条“腐蚀/膨胀”用于在腐蚀/膨胀之间进行切换；第二个滚动条”内核尺寸”用于调节形态学操作时的内核尺寸，以得到效果不同的图像，有一定的可玩性。废话不多说，上代码吧：

    [cpp] view plaincopyprint?在CODE上查看代码片派生到我的代码片

     

    //-----------------------------------【程序说明】----------------------------------------------  
//            程序名称:：《【OpenCV入门教程之十】形态学图像处理（一）：膨胀与腐蚀  》 博文配套源码  
//            开发所用IDE版本：Visual Studio 2010  
//          开发所用OpenCV版本： 2.4.8  
//            2014年4月14日 Create by 浅墨  
//            浅墨的微博：@浅墨_毛星云  
//------------------------------------------------------------------------------------------------  
   
//-----------------------------------【头文件包含部分】---------------------------------------  
//            描述：包含程序所依赖的头文件  
//----------------------------------------------------------------------------------------------  
#include <opencv2/opencv.hpp>  
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>  
#include<opencv2/imgproc/imgproc.hpp>  
#include <iostream>  
   
//-----------------------------------【命名空间声明部分】---------------------------------------  
//            描述：包含程序所使用的命名空间  
//-----------------------------------------------------------------------------------------------  
using namespace std;  
using namespace cv;  
   
   
//-----------------------------------【全局变量声明部分】--------------------------------------  
//            描述：全局变量声明  
//-----------------------------------------------------------------------------------------------  
Mat g_srcImage, g_dstImage;//原始图和效果图  
int g_nTrackbarNumer = 0;//0表示腐蚀erode, 1表示膨胀dilate  
int g_nStructElementSize = 3; //结构元素(内核矩阵)的尺寸  
   
   
//-----------------------------------【全局函数声明部分】--------------------------------------  
//            描述：全局函数声明  
//-----------------------------------------------------------------------------------------------  
void Process();//膨胀和腐蚀的处理函数  
void on_TrackbarNumChange(int, void *);//回调函数  
void on_ElementSizeChange(int, void *);//回调函数  
   
   
//-----------------------------------【main( )函数】--------------------------------------------  
//            描述：控制台应用程序的入口函数，我们的程序从这里开始  
//-----------------------------------------------------------------------------------------------  
int main( )  
{  
       //改变console字体颜色  
       system("color5E");   
   
       //载入原图  
       g_srcImage= imread("1.jpg");  
       if(!g_srcImage.data ) { printf("Oh，no，读取srcImage错误~！
"); return false; }  
        
       //显示原始图  
       namedWindow("【原始图】");  
       imshow("【原始图】", g_srcImage);  
        
       //进行初次腐蚀操作并显示效果图  
       namedWindow("【效果图】");  
       //获取自定义核  
       Mat element = getStructuringElement(MORPH_RECT, Size(2*g_nStructElementSize+1,2*g_nStructElementSize+1),Point( g_nStructElementSize, g_nStructElementSize ));  
       erode(g_srcImage,g_dstImage, element);  
       imshow("【效果图】", g_dstImage);  
   
       //创建轨迹条  
       createTrackbar("腐蚀/膨胀", "【效果图】", &g_nTrackbarNumer, 1, on_TrackbarNumChange);  
       createTrackbar("内核尺寸", "【效果图】",&g_nStructElementSize, 21, on_ElementSizeChange);  
   
       //输出一些帮助信息  
       cout<<endl<<"	嗯。运行成功，请调整滚动条观察图像效果~

"  
              <<"	按下“q”键时，程序退出~!
"  
              <<"

				by浅墨";  
   
       //轮询获取按键信息，若下q键，程序退出  
       while(char(waitKey(1))!= 'q') {}  
   
       return 0;  
}  
   
//-----------------------------【Process( )函数】------------------------------------  
//            描述：进行自定义的腐蚀和膨胀操作  
//-----------------------------------------------------------------------------------------  
void Process()  
{  
       //获取自定义核  
       Mat element = getStructuringElement(MORPH_RECT, Size(2*g_nStructElementSize+1,2*g_nStructElementSize+1),Point( g_nStructElementSize, g_nStructElementSize ));  
   
       //进行腐蚀或膨胀操作  
       if(g_nTrackbarNumer== 0) {     
              erode(g_srcImage,g_dstImage, element);  
       }  
       else{  
              dilate(g_srcImage,g_dstImage, element);  
       }  
   
       //显示效果图  
       imshow("【效果图】", g_dstImage);  
}  
   
   
//-----------------------------【on_TrackbarNumChange( )函数】------------------------------------  
//            描述：腐蚀和膨胀之间切换开关的回调函数  
//-----------------------------------------------------------------------------------------------------  
void on_TrackbarNumChange(int, void *)  
{  
       //腐蚀和膨胀之间效果已经切换，回调函数体内需调用一次Process函数，使改变后的效果立即生效并显示出来  
       Process();  
}  
   
   
//-----------------------------【on_ElementSizeChange( )函数】-------------------------------------  
//            描述：腐蚀和膨胀操作内核改变时的回调函数  
//-----------------------------------------------------------------------------------------------------  
void on_ElementSizeChange(int, void *)  
{  
       //内核尺寸已改变，回调函数体内需调用一次Process函数，使改变后的效果立即生效并显示出来  
       Process();  
}


    放出一些效果图吧。原始图：

     


    膨胀效果图：

     






    腐蚀效果图：







    腐蚀和膨胀得到的图，都特有喜感，但千变万变，还是原图好看：



    OK，就放出这些吧，具体更多的运行效果大家就自己下载示例程序回去玩吧。


    本篇文章到这里就基本结束了，最后放出文章配套示例程序的打包下载地址。

     

    本篇文章的配套源代码请点击这里下载：


    【浅墨OpenCV入门教程之十】配套源代码下载

     

    OK，今天的内容大概就是这些，我们下篇文章见：）
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