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第一部门:根本入门
1. OpenCV简介
什么是OpenCV及其应用范畴
OpenCV(Open Source Computer Vision Library)是一个开源的盘算机视觉和呆板学习软件库,于1999年由Intel公司发起,如今由非营利构造OpenCV.org维护。OpenCV旨在提供一个共同的根本办法,加速盘算机视觉在贸易产物中的应用,并推动盘算机视觉研究的发展。
OpenCV的紧张特点:
- 完全开源和跨平台
- 支持C++、Python、Java等多种编程语言
- 包含高出2500个优化算法
- 环球拥有高出1800万下载量
紧张应用范畴:
- 工业主动化:缺陷检测、零件辨认、尺寸丈量
- 医疗影像:病变检测、医学图像分析
- 安防监控
:人脸辨认、行为分析、车牌辨认
- 加强现实(AR):实时图像处置处罚、特征追踪
- 主动驾驶:蹊径标记辨认、停滞物检测
- 呆板人导航:情况感知、路径规划
- 文档分析:OCR(光学字符辨认)、文本检测
- 人机交互:手势辨认、姿态检测
- 移动应用:照片处置处罚、实时滤镜
开辟情况搭建
Windows体系
安装Python和pip(如果尚未安装)
- 访问 Python官网,下载并安装最新版Python(保举Python 3.7以上版本)
- 安装时勾选"Add Python to PATH"选项
- 打开下令提示符,输入以下下令确认安装乐成:
- [/code]
-
- bash
- [code]python --version
- pip --version
复制代码 安装OpenCV
- [/code]
-
- bash
- [code]pip install opencv-python
- pip install opencv-contrib-python # 包含扩展模块
复制代码 安装IDE(保举)
- 下载并安装Visual Studio Code: Visual Studio Code - Code Editing. Redefined
- 安装Python扩展
MacOS体系
利用Homebrew安装Python(如果尚未安装)
- [/code]
-
- bash
- [code]/bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"
复制代码- [/code]
-
- bash
- [code]brew install python
复制代码 安装OpenCV
- [/code]
-
- bash
- [code]pip3 install opencv-python
- pip3 install opencv-contrib-python # 包含扩展模块
复制代码 安装IDE(保举)
- 下载并安装Visual Studio Code: Visual Studio Code - Code Editing. Redefined
- 安装Python扩展
Linux体系(Ubuntu示例)
安装Python和pip(如果尚未安装)
- [/code]
-
- bash
- [code]sudo apt update
- sudo apt install python3 python3-pip
复制代码 安装OpenCV依赖项
- [/code]
-
- bash
- [code]sudo apt install libgl1-mesa-glx
复制代码 安装OpenCV
- [/code]
-
- bash
- [code]pip3 install opencv-python
- pip3 install opencv-contrib-python # 包含扩展模块
复制代码 安装IDE(保举)
- [/code]
-
- bash
- [code]sudo snap install code --classic # 安装Visual Studio Code
复制代码 安装设置和第一个步伐"Hello OpenCV"
验证安装
创建一个Python文件,比方verify_opencv.py,输入以下代码:
- [/code]
-
- python
- [code]import cv2
- # 打印OpenCV版本
- print(f"OpenCV 版本: {cv2.__version__}")
- # 检查是否可以创建窗口
- try:
- cv2.namedWindow("Test", cv2.WINDOW_NORMAL)
- cv2.destroyAllWindows()
- print("OpenCV GUI功能正常!")
- except Exception as e:
- print(f"OpenCV GUI功能异常: {e}")
复制代码 运行此脚本验证OpenCV安装是否乐成。
第一个步伐:"Hello OpenCV"
我们将创建一个简朴的步伐,实现以下功能:
- 读取一张图片
- 在图片上体现"Hello OpenCV"笔墨
- 体现图片
- 生存效果
创建一个Python文件,比方hello_opencv.py:
- [/code]
-
- python
- [code]import cv2
- import numpy as np
- # 创建一个纯色背景图像(500x300的蓝色背景)
- # OpenCV中颜色顺序是BGR(蓝、绿、红)而不是RGB
- image = np.zeros((300, 500, 3), dtype=np.uint8)
- image[:] = (255, 127, 0) # 橙色背景
- # 添加文字
- text = "Hello OpenCV!"
- font = cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX
- font_scale = 1.5
- font_thickness = 3
- text_color = (255, 255, 255) # 白色文字
- # 获取文本大小,以便居中
- (text_width, text_height), baseline = cv2.getTextSize(text, font, font_scale, font_thickness)
- x = (image.shape[1] - text_width) // 2 # 计算文本起始x坐标(居中)
- y = (image.shape[0] + text_height) // 2 # 计算文本起始y坐标(居中)
- # 在图像上绘制文本
- cv2.putText(image, text, (x, y), font, font_scale, text_color, font_thickness)
- # 在窗口中显示图像
- window_name = "First OpenCV Program"
- cv2.namedWindow(window_name)
- cv2.imshow(window_name, image)
- # 保存图像
- cv2.imwrite("hello_opencv.jpg", image)
- print("图像已保存为 'hello_opencv.jpg'")
- # 等待直到按下任意键
- print("按任意键关闭窗口...")
- cv2.waitKey(0)
- cv2.destroyAllWindows()
复制代码 代码讲解:
- import cv2:导入OpenCV库。
- import numpy as np:导入NumPy库,用于图像矩阵利用。
- image = np.zeros((300, 500, 3), dtype=np.uint8):创建一个黑色图像,巨细为300x500像素,3个颜色通道。
- image[:] = (255, 127, 0):将图像背景设为橙色。留意OpenCV中颜色序次是BGR(蓝、绿、红)。
- cv2.putText():在图像上绘制笔墨。
- cv2.namedWindow():创建一个定名窗口。
- cv2.imshow():在窗口中体现图像。
- cv2.imwrite():生存图像到文件。
- cv2.waitKey(0):等候按键输入,参数0体现无穷等候。
- cv2.destroyAllWindows():关闭全部窗口。
运行效果:
- 一个带有"Hello OpenCV!"笔墨的橙色窗口
- 天生的图像将生存为hello_opencv.jpg
这是你的第一个OpenCV步伐!恭喜!如今我们已经完成了OpenCV的安装和根本设置,接下来将深入学习图像根本知识。
2. 图像根本
图像的数字体现方式
在盘算机中,图像以二维或三维矩阵(数组)的情势存储:
灰度图像:
- 二维矩阵,每个元素代表一个像素
- 像素值范围通常为0-255(8位),0体现黑色,255体现白色
- 比方:100×100的灰度图像是一个100×100的二维矩阵
彩色图像:
- 三维矩阵,其中第三个维度体现颜色通道
- 常见的RGB图像有3个通道:红、绿、蓝
- 在OpenCV中,颜色通道序次为BGR(蓝、绿、红)
- 像素值范围通常为每通道0-255(8位)
- 比方:100×100的彩色RGB图像是一个100×100×3的三维矩阵
图像数据范例: 在OpenCV中,图像通常利用NumPy数组体现,常见的数据范例有:
- uint8:无符号8位整数(0-255),最常用
- float32:32位浮点数,用于高精度盘算
- float64:64位浮点数
让我们创建一个步伐来明确图像的数字体现:
- [/code]
-
- python
- [code]import cv2
- import numpy as np
- import matplotlib.pyplot as plt
- # 创建一个简单的灰度渐变图像
- gradient = np.linspace(0, 255, 256, dtype=np.uint8)
- gradient = np.tile(gradient, (100, 1))
- # 创建一个简单的彩色图像
- color_channels = np.zeros((100, 256, 3), dtype=np.uint8)
- color_channels[:, :, 0] = np.linspace(0, 255, 256, dtype=np.uint8) # 蓝色通道
- color_channels[:, :, 1] = np.linspace(0, 255, 256, dtype=np.uint8) # 绿色通道
- color_channels[:, :, 2] = np.linspace(0, 255, 256, dtype=np.uint8) # 红色通道
- # 显示图像
- plt.figure(figsize=(10, 6))
- plt.subplot(2, 1, 1)
- plt.title('灰度渐变图像')
- plt.imshow(gradient, cmap='gray')
- plt.axis('off')
- plt.subplot(2, 1, 2)
- plt.title('RGB渐变图像')
- plt.imshow(cv2.cvtColor(color_channels, cv2.COLOR_BGR2RGB)) # 转换BGR为RGB用于正确显示
- plt.axis('off')
- plt.tight_layout()
- plt.savefig('gradients.png')
- plt.show()
- # 打印图像形状和数据类型
- print(f"灰度图像形状: {gradient.shape}, 数据类型: {gradient.dtype}")
- print(f"彩色图像形状: {color_channels.shape}, 数据类型: {color_channels.dtype}")
- # 查看特定位置的像素值
- position = (50, 150) # 第50行,第150列
- print(f"灰度图像在位置{position}的像素值: {gradient[position]}")
- print(f"彩色图像在位置{position}的像素值: {color_channels[position]}")
复制代码 代码讲解:
- 创建了一个灰度渐变图像(从黑到白)
- 创建了一个RGB渐变图像(从黑到白)
- 利用matplotlib体现这些图像
- 打印图像的外形和数据范例
- 检察特定位置的像素值
留意:我们利用cv2.cvtColor()函数将BGR转换为RGB,由于OpenCV利用BGR序次,而matplotlib利用RGB序次。
色彩空间(RGB、HSV、灰度图)
颜色空间是体现颜色的不同方法。最常见的色彩空间包括:
RGB(红-绿-蓝):
- 最常见的色彩空间,利用红、绿、蓝三个通道的组合体现颜色
- 每个通道值范围为0-255(8位)
- 在OpenCV中,默认颜色序次是BGR而不是RGB
HSV(色调-饱和度-明度):
- 色调(H):颜色种类,范围0-179(在OpenCV中,对应0-360度)
- 饱和度(S):颜色的纯度/鲜艳水平,范围0-255
- 明度(V):颜色的亮度,范围0-255
- 比RGB更靠近人类感知颜色的方式
- 常用于颜色追踪和分割
灰度(Grayscale):
- 单通道,只有亮度信息,没有颜色信息
- 值范围通常为0-255,0体现黑色,255体现白色
- 盘算量小,常用于不必要颜色信息的任务
让我们编写一个步伐来实现不同色彩空间的转换和比力:
- [/code]
-
- python
- [code]import cv2
- import numpy as np
- import matplotlib.pyplot as plt
- # 创建一个彩色测试图像(彩虹渐变)
- def create_rainbow():
- # 创建一个大小为200x300的彩虹图像
- rainbow = np.zeros((200, 300, 3), dtype=np.uint8)
-
- # 为了简化,我们创建一个水平的彩虹渐变
- for i in range(300):
- # 将位置映射到0-360的色调值(对应OpenCV中的0-179)
- hue = int(i / 300 * 180)
- # 创建一个满饱和度、满亮度的HSV颜色
- rainbow_hsv = np.ones((200, 1, 3), dtype=np.uint8) * np.array([hue, 255, 255], dtype=np.uint8)
- # 转换为BGR
- rainbow[:, i:i+1] = cv2.cvtColor(rainbow_hsv, cv2.COLOR_HSV2BGR)
-
- return rainbow
- # 创建彩虹图像
- rainbow = create_rainbow()
- # 转换为不同的色彩空间
- rainbow_rgb = cv2.cvtColor(rainbow, cv2.COLOR_BGR2RGB) # BGR到RGB
- rainbow_hsv = cv2.cvtColor(rainbow, cv2.COLOR_BGR2HSV) # BGR到HSV
- rainbow_gray = cv2.cvtColor(rainbow, cv2.COLOR_BGR2GRAY) # BGR到灰度
- # 显示不同色彩空间的图像
- plt.figure(figsize=(12, 10))
- plt.subplot(4, 1, 1)
- plt.title('原始图像 (BGR转RGB显示)')
- plt.imshow(rainbow_rgb)
- plt.axis('off')
- plt.subplot(4, 1, 2)
- plt.title('HSV色彩空间 - 色调(H)通道')
- plt.imshow(rainbow_hsv[:, :, 0], cmap='hsv')
- plt.axis('off')
- plt.subplot(4, 1, 3)
- plt.title('HSV色彩空间 - 饱和度(S)和亮度(V)通道')
- plt.imshow(np.dstack([np.zeros_like(rainbow_hsv[:, :, 1]),
- rainbow_hsv[:, :, 1],
- rainbow_hsv[:, :, 2]]),
- cmap='gray')
- plt.axis('off')
- plt.subplot(4, 1, 4)
- plt.title('灰度图像')
- plt.imshow(rainbow_gray, cmap='gray')
- plt.axis('off')
- plt.tight_layout()
- plt.savefig('color_spaces.png')
- plt.show()
- # 展示H、S、V三个独立通道
- plt.figure(figsize=(12, 8))
- plt.subplot(3, 1, 1)
- plt.title('HSV - 色调(H)通道')
- plt.imshow(rainbow_hsv[:, :, 0], cmap='hsv')
- plt.axis('off')
- plt.subplot(3, 1, 2)
- plt.title('HSV - 饱和度(S)通道')
- plt.imshow(rainbow_hsv[:, :, 1], cmap='gray')
- plt.axis('off')
- plt.subplot(3, 1, 3)
- plt.title('HSV - 亮度(V)通道')
- plt.imshow(rainbow_hsv[:, :, 2], cmap='gray')
- plt.axis('off')
- plt.tight_layout()
- plt.savefig('hsv_channels.png')
- plt.show()
复制代码 代码讲解:
- create_rainbow()函数创建了一个彩虹渐变图像,展示从红到紫的完备色彩范围
- 利用cv2.cvtColor()函数将图像从BGR转换到其他色彩空间
- 利用matplotlib体现不同色彩空间的图像和HSV的各个通道
- cv2.COLOR_BGR2RGB、cv2.COLOR_BGR2HSV、cv2.COLOR_BGR2GRAY是OpenCV中的色彩空间转换常量
OpenCV中常用的色彩空间转换常量:
- cv2.COLOR_BGR2RGB:BGR→RGB
- cv2.COLOR_RGB2BGR:RGB→BGR
- cv2.COLOR_BGR2GRAY:BGR→灰度
- cv2.COLOR_GRAY2BGR:灰度→BGR
- cv2.COLOR_BGR2HSV:BGR→HSV
- cv2.COLOR_HSV2BGR:HSV→BGR
- cv2.COLOR_BGR2Lab:BGR→Lab
- cv2.COLOR_Lab2BGR:Lab→BGR
图像读取、体现与生存
如今,让我们学习怎样利用OpenCV读取、体现和生存图像,这是盘算机视觉应用的根本利用。
图像读取
OpenCV提供了cv2.imread()函数来读取图像:
- [/code]
-
- python
- [code]image = cv2.imread('path/to/image.jpg')
复制代码 imread()有两个参数:
- 文件路径
- 读取标记(可选),常用的有:
- cv2.IMREAD_COLOR:以彩色模式读取图像(默认)
- cv2.IMREAD_GRAYSCALE:以灰度模式读取图像
- cv2.IMREAD_UNCHANGED:读取图像,包括alpha通道(如果有)
图像体现
OpenCV利用cv2.imshow()函数体现图像:
- [/code]
-
- python
- [code]cv2.imshow('Window Name', image)
- cv2.waitKey(0) # 等待按键
- cv2.destroyAllWindows() # 关闭所有窗口
复制代码 图像生存
OpenCV利用cv2.imwrite()函数生存图像:
- [/code]
-
- python
- [code]cv2.imwrite('output.jpg', image)
复制代码 让我们编写一个完备的步伐来演示这些利用:
- [/code]
-
- python
- [code]import cv2
- import os
- import sys
- def process_image(image_path):
- """读取、显示和保存图像的基本演示"""
-
- # 检查文件是否存在
- if not os.path.isfile(image_path):
- print(f"错误: 文件 '{image_path}' 不存在")
- return
-
- # 读取图像(以彩色模式)
- color_image = cv2.imread(image_path, cv2.IMREAD_COLOR)
- if color_image is None:
- print(f"错误: 无法读取图像 '{image_path}'")
- return
-
- # 读取图像(以灰度模式)
- gray_image = cv2.imread(image_path, cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
-
- # 获取图像信息
- height, width = color_image.shape[:2]
- channels = 1 if len(color_image.shape) == 2 else color_image.shape[2]
-
- # 打印图像信息
- print(f"图像信息:")
- print(f"- 路径: {image_path}")
- print(f"- 宽度 x 高度: {width} x {height} 像素")
- print(f"- 通道数: {channels}")
- print(f"- 数据类型: {color_image.dtype}")
- print(f"- 文件大小: {os.path.getsize(image_path) / 1024:.2f} KB")
-
- # 创建输出文件夹
- output_dir = "output"
- if not os.path.exists(output_dir):
- os.makedirs(output_dir)
-
- # 保存灰度图像
- gray_output_path = os.path.join(output_dir, "gray_" + os.path.basename(image_path))
- cv2.imwrite(gray_output_path, gray_image)
- print(f"灰度图像已保存到: {gray_output_path}")
-
- # 显示图像
- cv2.namedWindow("彩色图像", cv2.WINDOW_NORMAL)
- cv2.namedWindow("灰度图像", cv2.WINDOW_NORMAL)
-
- cv2.imshow("彩色图像", color_image)
- cv2.imshow("灰度图像", gray_image)
-
- print("按 'Esc' 键关闭窗口...")
- while True:
- key = cv2.waitKey(0) & 0xFF
- if key == 27: # Esc键
- break
-
- cv2.destroyAllWindows()
- if __name__ == "__main__":
- # 如果提供了命令行参数,使用它作为图像路径
- # 否则,使用默认图像
- if len(sys.argv) > 1:
- image_path = sys.argv[1]
- else:
- # 使用内置的示例图像或当前目录中的示例图像
- # 如果没有图像,将提示用户
- sample_images = ["sample.jpg", "test.jpg", "image.jpg"]
- found = False
-
- for img in sample_images:
- if os.path.isfile(img):
- image_path = img
- found = True
- break
-
- if not found:
- print("请提供图像路径作为命令行参数,或确保当前目录有示例图像。")
- print("用法: python image_io.py <图像路径>")
- sys.exit(1)
-
- process_image(image_path)
复制代码 代码讲解:
- cv2.imread() 函数读取图像,可以选择彩色或灰度模式
- 我们获取并打印图像的根本信息(尺寸、通道数、数据范例等)
- cv2.imwrite() 函数将灰度图像生存到输出目次
- cv2.namedWindow() 创建窗口,指定 cv2.WINDOW_NORMAL 答应调整窗口巨细
- cv2.imshow() 在各自的窗口中体现彩色和灰度图像
- cv2.waitKey(0) 等候按键,& 0xFF 确保在不同平台上准确工作
- cv2.destroyAllWindows() 关闭全部OpenCV窗口
运行步伐:
- 将代码生存为 image_io.py
- 运行下令 python image_io.py path/to/your/image.jpg
- 如果没有提供图像路径,步伐将实验在当前目次中查找示例图像
实用本领:利用matplotlib体现图像
OpenCV的imshow()函数很强盛,但偶然利用matplotlib大概更方便,特别是当你想比力多个图像时:
- [/code]
-
- python
- [code]import cv2
- import matplotlib.pyplot as plt
- # 读取图像
- image = cv2.imread('path/to/image.jpg')
- # 将BGR转换为RGB(matplotlib使用RGB顺序)
- image_rgb = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB)
- # 使用matplotlib显示图像
- plt.figure(figsize=(10, 8))
- plt.imshow(image_rgb)
- plt.title('使用Matplotlib显示图像')
- plt.axis('off') # 隐藏坐标轴
- plt.show()
复制代码 3. 根本图像利用
像素访问与修改
在OpenCV中,图像被体现为NumPy数组,因此可以直接利用NumPy的索引利用来访问和修改像素值。
访问像素值
- [/code]
-
- python
- [code]# 访问(y, x)位置的像素值(注意:先是y行,再是x列)
- pixel = image[y, x]
- # 对于灰度图像,pixel是一个标量
- # 对于彩色图像,pixel是一个含有B,G,R值的数组
复制代码 修改像素值
- [/code]
-
- python
- [code]# 修改(y, x)位置的像素值
- image[y, x] = new_value
- # 对于灰度图像,new_value是一个标量
- # 对于彩色图像,new_value是[B, G, R]
复制代码 让我们编写一个步伐来演示像素访问和修改:
- [/code]
-
- python
- [code]import cv2
- import numpy as np
- import matplotlib.pyplot as plt
- # 创建一个简单的图像
- def create_test_image():
- # 创建白色背景
- image = np.ones((300, 400, 3), dtype=np.uint8) * 255
-
- # 绘制一个蓝色矩形
- cv2.rectangle(image, (50, 50), (200, 150), (255, 0, 0), thickness=-1)
-
- # 绘制一个绿色圆形
- cv2.circle(image, (300, 150), 80, (0, 255, 0), thickness=-1)
-
- # 绘制红色文字
- font = cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX
- cv2.putText(image, "OpenCV", (100, 250), font, 2, (0, 0, 255), 3)
-
- return image
- # 创建测试图像
- original_image = create_test_image()
- # 复制原始图像以便修改
- modified_image = original_image.copy()
- # 1. 单个像素修改 - 创建一个小点
- for i in range(-3, 4):
- for j in range(-3, 4):
- if i*i + j*j <= 9: # 创建一个小圆点
- y, x = 150 + i, 250 + j
- modified_image[y, x] = [0, 0, 0] # 黑色点
- # 2. 区域修改 - 反转一个矩形区域内的颜色
- x1, y1, x2, y2 = 100, 50, 150, 100
- roi = modified_image[y1:y2, x1:x2]
- modified_image[y1:y2, x1:x2] = 255 - roi
- # 3. 像素值分析
- # 获取某一点的像素值
- pixel_point = (300, 150) # x=300, y=150
- pixel_value = original_image[pixel_point[1], pixel_point[0]]
- print(f"点 {pixel_point} 处的像素值 (BGR): {pixel_value}")
- # 获取某一区域的像素值统计
- roi = original_image[50:100, 150:200]
- mean_value = np.mean(roi, axis=(0, 1))
- min_value = np.min(roi, axis=(0, 1))
- max_value = np.max(roi, axis=(0, 1))
- print(f"选定区域的平均像素值 (BGR): {mean_value}")
- print(f"选定区域的最小像素值 (BGR): {min_value}")
- print(f"选定区域的最大像素值 (BGR): {max_value}")
- # 在图像上标记分析的位置
- analysis_image = original_image.copy()
- cv2.circle(analysis_image, pixel_point, 5, (0, 0, 0), -1)
- cv2.rectangle(analysis_image, (150, 50), (200, 100), (0, 0, 0), 2)
- # 显示结果
- plt.figure(figsize=(15, 5))
- plt.subplot(1, 3, 1)
- plt.imshow(cv2.cvtColor(original_image, cv2.COLOR_BGR2RGB))
- plt.title('原始图像')
- plt.axis('off')
- plt.subplot(1, 3, 2)
- plt.imshow(cv2.cvtColor(modified_image,
复制代码 |