数字图像处理基础——opencv库（Python）

一、数字图像处理技术详解

数字图像处理是指使用计算机算法对数字图像进行分析、增强、压缩和解释的技术。这一技术已广泛应用于医疗影像、卫星遥感、工业检测、安防监控、数码摄影等多个领域。以下是该领域的关键知识点：

图像基础概念

1. 数字图像表示

像素矩阵：图像由二维矩阵表示，每个元素为像素值。例如，一张800×600的图像实际上是一个包含480,000个像素点的矩阵。在计算机中，这个矩阵以数组形式存储，每个像素点的位置由其行号和列号唯一确定。

灰度图像：单通道图像，每个像素值仅表示该点的亮度信息。通常使用8位表示（0-255），其中0代表纯黑，255代表纯白。在医学影像（如X光片）和部分工业检测场景中常用。

彩色图像：多通道图像，最常见的是RGB三通道（红、绿、蓝）模式。每个通道都是一个独立的矩阵，组合起来形成彩色图像。例如：

• JPEG照片通常采用RGB格式
• 印刷行业常用CMYK四色模式
• 遥感图像可能包含更多光谱通道（如红外波段）

2. 图像属性

分辨率：指单位长度内的像素数，常用单位有DPI（每英寸点数）或PPI（每英寸像素数）。例如：

• 屏幕显示通常为72-96DPI
• 印刷品要求300DPI或更高
• 4K超高清电视的分辨率为3840×2160像素

位深度：表示每个像素使用的数据位数，决定了图像的色彩丰富度。常见类型包括：

• 1位：黑白二值图像
• 8位：256色（灰度或索引色）
• 24位：真彩色（每个RGB通道8位，共约1677万色）
• 48位：高动态范围图像（每个通道16位）

宽高比：图像宽度与高度的比例关系。标准比例包括：

• 4:3（传统电视、早期显示器）
• 16:9（高清电视、现代显示器）
• 1:1（正方形，如Instagram照片）
• 3:2（35mm胶片比例）

此外，图像处理还需要考虑色彩空间（如sRGB、Adobe RGB）、文件格式（JPEG、PNG、TIFF等）以及压缩方式（有损/无损）等其他重要属性。

二、opencv库

OpenCV（Open Source Computer Vision Library）是一个开源的计算机视觉和机器学习软件库，广泛应用于图像处理、视频分析、人脸识别、物体检测等领域。

1.opencv的安装

pip install opencv-python -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple

pip install opencv-contrib-python -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple#加载contrib包

# OpenCV 图像处理完整指南# 一、基础图像操作# 1. 图像读写# 图像读取
```python'''
import cv2
# 读取图像
img = cv2.imread('image.jpg', flags=cv2.IMREAD_COLOR)

常用读取标志(flags)：

• cv2.IMREAD_COLOR：以BGR三通道彩色图像加载（默认选项）
• cv2.IMREAD_GRAYSCALE：以单通道灰度图像加载
• cv2.IMREAD_UNCHANGED：保留图像原始格式，包括alpha通道

示例：读取PNG透明背景图片应使用cv2.IMREAD_UNCHANGED

图像保存

# 保存图像
cv2.imwrite('output.png', img, [int(cv2.IMWRITE_PNG_COMPRESSION), 9])

支持格式：JPEG、PNG、TIFF等，可通过参数控制压缩质量

2. 图像显示

cv2.imshow('Image Window', image)
cv2.waitKey(0)  # 0表示无限等待按键，单位毫秒
cv2.destroyAllWindows()  # 关闭所有OpenCV窗口

实际应用时可添加键盘交互：

key = cv2.waitKey(1) & 0xFF
if key == ord('q'):  # 按q键退出break

3. 图像属性分析

print("图像维度：", img.shape)  # (height, width, channels)
print("像素总数：", img.size)   # height × width × channels
print("数据类型：", img.dtype)  # 通常是uint8

典型输出：

• 彩色图像：(480, 640, 3)
• 灰度图像：(480, 640)

二、图像处理技术

1. 颜色空间转换

# 转换为灰度
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
# 转换为HSV颜色空间
hsv = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2HSV)

常用转换：

• COLOR_BGR2RGB：BGR转RGB
• COLOR_BGR2Lab：转换到Lab色彩空间
• COLOR_BGR2YCrCb：转换到YCrCb色彩空间

2. 图像滤波

高斯模糊

blurred = cv2.GaussianBlur(img, (5,5), 0)

• 参数说明：(核宽度，核高度)，标准偏差

中值滤波

median = cv2.medianBlur(img, 5)

• 对椒盐噪声特别有效

双边滤波

blur = cv2.bilateralFilter(img, 9, 75, 75)

• 在保持边缘锐利的同时平滑图像

3. 边缘检测

Canny边缘检测

edges = cv2.Canny(img, 100, 200)

• 双阈值设置很关键：threshold1, threshold2

Sobel算子

sobelx = cv2.Sobel(img, cv2.CV_64F, 1, 0, ksize=5)
sobely = cv2.Sobel(img, cv2.CV_64F, 0, 1, ksize=5)

• 可分别检测x方向和y方向的边缘

4. 几何变换

图像缩放

resized = cv2.resize(img, (new_width, new_height), interpolation=cv2.INTER_LINEAR)

插值方法：

• INTER_NEAREST：最近邻插值
• INTER_LINEAR：双线性插值（默认）
• INTER_CUBIC：双三次插值

图像旋转

(h, w) = img.shape[:2]
center = (w//2, h//2)
M = cv2.getRotationMatrix2D(center, 45, 1.0)  # 旋转45度
rotated = cv2.warpAffine(img, M, (w, h))

三、特征检测与匹配

1. 关键点检测

SIFT特征

sift = cv2.SIFT_create()
keypoints = sift.detect(img, None)
img_with_keypoints = cv2.drawKeypoints(img, keypoints, None)

ORB特征

orb = cv2.ORB_create(nfeatures=500)
keypoints, descriptors = orb.detectAndCompute(img, None)

2. 特征匹配

暴力匹配(BFMatcher)

bf = cv2.BFMatcher(cv2.NORM_HAMMING, crossCheck=True)
matches = bf.match(des1, des2)
matches = sorted(matches, key=lambda x: x.distance)
result = cv2.drawMatches(img1, kp1, img2, kp2, matches[:10], None)

FLANN匹配器

FLANN_INDEX_KDTREE = 1
index_params = dict(algorithm=FLANN_INDEX_KDTREE, trees=5)
search_params = dict(checks=50)
flann = cv2.FlannBasedMatcher(index_params, search_params)
matches = flann.knnMatch(des1, des2, k=2)

四、图像分割

1. 阈值分割

全局阈值

ret, thresh = cv2.threshold(gray, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)

自适应阈值

thresh = cv2.adaptiveThreshold(gray, 255, cv2.ADAPTIVE_THRESH_GAUSSIAN_C,cv2.THRESH_BINARY, 11, 2)

2. 轮廓检测

contours, hierarchy = cv2.findContours(thresh, cv2.RETR_TREE,cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
cv2.drawContours(img, contours, -1, (0,255,0), 2)

轮廓检索模式：

• RETR_EXTERNAL：只检测外部轮廓
• RETR_LIST：检测所有轮廓不建立层级关系
• RETR_TREE：检测所有轮廓并建立完整的层级结构

五、视频处理

1. 视频捕获

cap = cv2.VideoCapture(0)  # 0表示默认摄像头while True:ret, frame = cap.read()if not ret:break# 处理帧gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)cv2.imshow('frame', gray)if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):breakcap.release()

2. 视频写入

fourcc = cv2.VideoWriter_fourcc(*'XVID')
out = cv2.VideoWriter('output.avi', fourcc, 20.0, (640,480))for i in range(100):frame = get_frame()  # 获取帧的方法out.write(frame)out.release()

常用视频编码：

• 'XVID': MPEG-4编码
• 'MJPG': Motion-JPEG编码
• 'MP4': MPEG-4视频编码