【OpenCV 4开发详解】漫水填充法

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经过几个月的努力，小白终于完成了市面上第一本OpenCV 4入门书籍《OpenCV 4开发详解》。为了更让小伙伴更早的了解最新版的OpenCV 4，小白与出版社沟通，提前在公众号上连载部分内容，请持续关注小白。

漫水填充算法是根据像素灰度值之间的差值寻找相同区域实现分割。我们可以将图像的灰度值理解成像素点的高度，这样一张图像可以看成崎岖不平的地面或者山区，向地面上某一个低洼的地方倾倒一定量的水，水将会掩盖低于某个高度的区域。漫水填充法利用的就是这样的原理，其形式与注水相似，因此被称形象的称为“漫水”。

与向地面注水一致，漫水填充法也需要在图像选择一个注水像素，该像素被称为种子点，种子点按照一定规则不断向外扩散，从而形成具有相似特征的独立区域，进而实现图像分割。漫水填充分割法主要分为3以下三个步骤：

Step1：选择种子点(x,y)(x,y)(x,y)；
Step2：以种子点为中心，判断4邻域或者8邻域的像素值与种子点像素值的差值，将差值小于阈值的像素点添加进区域内。
Step3：将新加入的像素点作为新的种子点，反复执行Step2，直到没有新的像素点被添加进该区域。

OpenCV 4提供了floodFill函数用于实现漫水填充法分割图像，该函数有两种函数原型，代码清单8-16中给出其中一种函数原型。

代码清单8-16 floodFill()函数原型1
1.  int cv::floodFill(InputOutputArray  image,
2.                        InputOutputArray  mask,
3.                        Point  seedPoint,
4.                        Scalar  newVal,
5.                        Rect *  rect = 0,
6.                        Scalar  loDiff = Scalar(),
7.                        Scalar  upDiff = Scalar(),
8.                        int  flags = 4
9.                        )

image：输入输出图像，图像数据类型可以为CV_8U或者CV_32F的单通道或者三通道图像。
mask：掩码矩阵，尺寸比如输入图像的宽和高各大2的单通道图像，用于标记漫水填充的区域。
seedPoint：种子点。
newVal：归入种子点区域内像素点的新像素值。
rect：种子点漫水填充区域的最小矩形边界，默认值为0，表示不输出边界。
loDiff：添加进种子点区域条件的下界差值，当邻域某像素点的像素值与种子点像素值的差值大于该值时，该像素点被添加进种子点所在的区域。
upDiff：添加进种子点区域条件的上界差值，当种子点像素值与邻域某像素点的像素值的差值小于该值时，该像素点被添加进种子点所在的区域。
flags：漫水填充方法的操作标志，其由三部分构成，分别表示邻域种类、掩码像素值和填充算法的规则，填充算法规则可选择的参数在表8-7给出。

表8-3 inpaint()函数修复图像算法可选择标志

标志参数	简记	含义
FLOODFILL_FIXED_RANGE	1<<16	如果设置该参数，则仅考虑当前像素值与初始种子点像素值之间的差值，否则考虑新种子点像素值与当前像素值之间的差异，即范围是否浮动的标志。
FLOODFILL_MASK_ONLY	1<<17	如果设置，该函数不会更改原始图像，即忽略第四个参数newVal，只生成掩码矩阵。

该函数可以根据给定像素点的像素值，寻找邻域内与其像素值接近的区域。该函数的第一个参数既是输入图像又是输出图像，可以是CV_8U或者CV_32F的单通道或者三通道图像。第二个参数是漫水填充的掩码矩阵，非0像素点表示在原图像中被填充的区域。掩码矩阵的宽和高要比原图像的宽和高大2，并且需要在函数之前将该矩阵初始化。函数第三个参数是种子点，可以是图像范围内任意一点。函数第四个参数是被填充像素点的新像素值，该值会直接作用在原图中，对原图进行修改。第五个参数是填充像素的最小矩形区域。第六个和第七个参数是像素点被填充的阈值条件，分别表示范围的下界和上界。最后一个参数是填充方法的操作标志，该标志由三部分组成，第一部分表示邻域的种类，可以选择值为4（表示4-邻域）和8（表示8-邻域）；第二部分表示掩码矩阵中表示被填充像素点的像素值；第三部分是填充规则的标志，其可选择的参数在表8-7给出，这三部分可以通过“|”符号连接，例如“4|（255<<8）| FLOODFILL_FIXED_RANGE”。

有时我们并不需要使用掩码矩阵，输入掩码矩阵是对内存资源的浪费，因此OpenCV 4提供了floodFill()函数第二种原型，用于不输出掩码矩阵，代码清单8-17中给出了这种函数原型。

代码清单8-17 floodFill()函数原型2
1.  int cv::floodFill(InputOutputArray  image,
2.                        Point  seedPoint,
3.                        Scalar  newVal,
4.                        Rect *  rect = 0,
5.                        Scalar  loDiff = Scalar(),
6.                        Scalar  upDiff = Scalar(),
7.                        int  flags = 4
8.                        )

函数所有参数的含义与代码清单8-16中的相同，这里不再赘述，不过需要注意的是函数最后一个参数在可选值的范围上有些变换，由于函数不输出掩码矩阵，因此FLOODFILL_MASK_ONLY标志不起任何作用，因此该种函数原型中没有任何意义，甚至可以缺省表示掩码矩阵中被填充像素点的新像素值的第二部分。

为了了解该函数的使用方法以及漫水填充分割的效果，在代码清单8-18中给出了利用floodFill()函数对图像进行分割的示例程序。程序中每一次循环都会随机生成一个像素点，并对这个像素点进行漫水填充，图8-10给出了填充结果和掩码矩阵，同时输出每个像素点的坐标和填充像素点的数目，输出结果如图8-11所示。

代码清单8-18 myFloodfill.cpp漫水填充分割图像
1.  #include <opencv2\opencv.hpp>
2.  #include <iostream>
3.
4.  using namespace cv;
5.  using namespace std;
6.
7.  int main()
8.  {9.      system("color F0");  //将DOS界面调成白底黑字
10.     Mat img = imread("lena.png");
11.     if (!(img.data))
12.     {13.         cout << "读取图像错误，请确认图像文件是否正确" << endl;
14.         return -1;
15.     }
16.
17.     RNG rng(10086);//随机数，用于随机生成像素
18.
19.     //设置操作标志flags
20.     int connectivity = 4;  //连通邻域方式
21.     int maskVal = 255;  //掩码图像的数值
22.     int flags = connectivity|(maskVal<<8)| FLOODFILL_FIXED_RANGE;  //漫水填充操作方式标志
23.
24.     //设置与选中像素点的差值
25.     Scalar loDiff = Scalar(20, 20, 20);
26.     Scalar upDiff = Scalar(20, 20, 20);
27.
28.     //声明掩模矩阵变量
29.     Mat mask = Mat::zeros(img.rows + 2, img.cols + 2, CV_8UC1);
30.
31.     while (true)
32.     {33.         //随机产生图像中某一像素点
34.         int py = rng.uniform(0,img.rows-1);
35.         int px = rng.uniform(0, img.cols - 1);
36.         Point point = Point(px, py);
37.
38.         //彩色图像中填充的像素值
39.         Scalar newVal = Scalar(rng.uniform(0, 255), rng.uniform(0, 255),
40.                                       rng.uniform(0, 255));
41.
42.         //漫水填充函数
43.         int area = floodFill(img, mask, point, newVal, &Rect(),loDiff,upDiff,flags);
44.
45.         //输出像素点和填充的像素数目
46.         cout << "像素点x：" << point.x << "  y:" << point.y
47.             << "     填充像数数目：" << area << endl;
48.
49.         //输出填充的图像结果
50.         imshow("填充的彩色图像", img);
51.         imshow("掩模图像", mask);
52.
53.         //判断是否结束程序
54.         int c = waitKey(0);
55.         if ((c&255)==27)
56.         {57.             break;
58.         }
59.     }
60.     return 0;
61. }

图8-10 myFloodfill.cpp程序填充结果

OpenCV 4开发详解

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