图像的基本操作

在上个教程中，我们介绍了使用鼠标画笔的功能。本次教程，我们将要谈及OpenCV图像处理的基本操作。

本次教程的所有操作基本上都和Numpy相关，而不是与OpenCV相关。要使用OpenCV编写更好的优化代码，需要Numpy的丰富知识。

1.查看和修改像素值

我们要想查看一幅图像中某一个像素点的像素值，首先需要进行定位，将其坐标标定，我们先来看一个彩色图像(仍然是我们的猫咪，本次教程它是我们的主角)：

现在我想查看某一个坐标的像素值，我们在pycharm中输入代码：

import cv2import numpy as npimg = cv2.imread("cat.jpg")#获取像素值px = img[200,200]print(px)

代码为查看图像坐标(200,200)处的像素值，我们来看结果：

在之前的教程中我们谈到，OpenCV对于图像的读取并非是RGB通道，而是BGR通道，那么程序输出的[178,189,186]则分别对应于BGR的像素，我们可以进行验证：

import cv2import numpy as npimg = cv2.imread("cat.jpg")#获取像素值px = img[200,200]B = img[200,200,0]G = img[200,200,1]R = img[200,200,2]print(px,B,G,R)

现在我们假设，如果图像并非彩色，而是黑白的灰度图像，那么将会怎么输出？先进行实验：

我们仍然用刚刚的代码进行实验(前提是图像已经灰度化处理，这在后面会讲到)，效果：

可以看到，BGR的像素一致，我们得出一个结论：对于灰度图像，其输出的像素值本质上为它的亮度强度值，值的范围为0-255之间，当为0时，则全部为黑色，相反则为白色。

接下来我们来修改像素值，将指定坐标的像素值用一个数组进行赋值：

import cv2import numpy as npimg = cv2.imread("cat1.jpg")#获取像素值px = img[200,200]print(px)img[200,200] = [225,225,225]print(img[200,200])

查看输出：

可以看到，初始像素值跟修改之后的像素值。

一般来说，数组通常选择的是某一片区域，比如头几行或者最后几列。而对于某个像素点的访问，Numpy数组方法，array.item() 和array.itemset()有着更好的作用。但是它返回的是一个标量。所以如果我们想访问所有的B,G,R值，就需要分开调用array.item()，我们来看代码(仍然以坐标200,200为例)：

import cv2import numpy as npimg = cv2.imread("cat.jpg")#获取像素值px = img[200,200]print(px)print(img.item(200,200,0))

我们用item输出像素的B值，也就是蓝色像素的数值：

实验可以看到，跟之前的效果是一样的。

对于指定坐标的赋值，我们使用itemset函数可以精确到某个像素，比如现在我只对蓝色像素的数值进行改变：

import cv2import numpy as npimg = cv2.imread("cat.jpg")#获取像素值px = img[200,200]print(px)print(img.item(200,200,0))img.itemset((200,200,0),100)print(img.item(200,200,0))

可以看到，对于指定的颜色通道的赋值时完全可以的。

2.查看图像属性

现在将要对图像的各个属性进行研究，图像属性包括行数、列数和通道数，图像数据类型，像素数等。

对于一个图像，我们使用shape可以返回行数、列数以及颜色通道的元数：

import cv2import numpy as npimg = cv2.imread("cat.jpg")print(img.shape)

输出的第三个数值代表的是图像的BGR三个通道的元数，也就是3。现在我们使用灰度图像做实验：

import cv2import numpy as npimg = cv2.imread("cat.jpg")img = cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2GRAY)print(img.shape)

灰度图像在之后的教程中会进行讲解，这里先用做实验：

可以看到，如果图像是灰度的，则返回的元组仅包含行数和列数，因此这是检查加载的图像是灰度还是彩色的好方法。

通过size可以返回当前图像的所有的像素点的总数：

import cv2import numpy as npimg = cv2.imread("cat.jpg")print(img.size)

图像的数据类型可以通过dtype获得：

import cv2import numpy as npimg = cv2.imread("cat.jpg")print(img.dtype)

imread函数默认读取图像的格式就是uint8，所以返回的全部都是这个格式。在以后我们学习深度学习框架时会发现，uint8的图像数据格式用来进行模型训练时，做数据归一化(预处理阶段)会导致精度缺失，最后导致分割精度下降。当然这是后话，我们现在不提。

如果我们想修改图像的格式，我们需要用到astype函数，现在将图像修改为float32格式的(这种格式的图像被广泛的应用于深度学习的模型训练)：

import cv2import numpy as npimg = cv2.imread("cat.jpg").astype(np.float32)print(img.dtype)

dtype在调试时非常重要，因为OpenCV-Python代码中的大量错误是由无效的数据类型引起的，我们在以后的学习中会经常遇到这些问题。

3.图像ROI

对于图像中的特定区域的选取我们称之为ROI，其实际上就是对图像的xy坐标进行操作，我们来看示例：

import cv2import numpy as npimg = cv2.imread("cat.jpg")husky = img[1:240,60:270]cv2.imshow("img",husky)cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()

本质相当于截取某一部分图片，现在我们来做一些有意思的操作，将截取部分覆盖到图像的其他地方，本质相当于前面讲过的像素修改：

import cv2import numpy as npimg = cv2.imread("cat.jpg")husky = img[1:240,60:270]img[61:300,270:480] = huskycv2.imshow("img",img)cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()

4.分割和合并图像通道

有时我们需要在B,G,R通道图像上单独进行操作。在这种情况下，需要将BGR图像分割为单个通道。需要使用split函数与merge函数，它们的作用分别为分离和合并：

b,g,r = cv2.split(img) #拆分图像通道img = cv2.merge((b,g,r))

此操作可以将BGR三通道分离出来，从而可以对某一通道进行操作，比如现在我们将R像素全部设置为0：

import cv2import numpy as npimg = cv2.imread("cat.jpg")b,g,r = cv2.split(img) #拆分图像通道img[:,:,2] = 0r = img[:,:,2]img = cv2.merge((b,g,r))cv2.imshow("img",img)cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()

r则为R通道，看效果：

将红色通道去除后，我们的猫咪变的有点绿了。当然，大家还可以进行其他的通道的实验。

5.图像边框填充

如果要在图像周围创建边框(如相框)，则可以使用函数cv2.copyMakeBorder()。它在卷积运算(很重要)，零填充等方面有更多应用。

此函数采用以下参数：

cv2.copyMakeBorder(src, top, bottom, left, right, borderType[, dst[, value]])

♦ src—输入图像

♦ top，bottom，left，right—相应方向上像素数的边框宽度

♦ value—cv2.BORDER_CONSTANT,cv2.BORDER_REFLECT,cv2.BORDER_REFLECT_101 or cv2.BORDER_DEFAULT ,cv2.BORDER_REPLICATE,cv2.BORDER_WRAP

cv2.BORDER_REFLECT_101或cv2.BORDER_DEFAULT

♦ 与上面相同，但略有改动，如下所示：gfedcb | abcdefgh | gfedcba

cv.BORDER_REPLICATE

♦ 最后一个像素在整个过程中被复制，像:aaaaaa |abcdefgh|hhhhhhh这样

cv.BORDER_WRAP

♦ 对称方向 像素互换 就像：cdefgh|abcdefgh|abcdefg 这样。

我们来看代码：

import cv2from matplotlib import pyplot as pltBLUE = [255,0,0]img1 = cv2.imread('cat.jpg')replicate = cv2.copyMakeBorder(img1,10,10,10,10,cv2.BORDER_REPLICATE)reflect = cv2.copyMakeBorder(img1,10,10,10,10,cv2.BORDER_REFLECT)reflect101 = cv2.copyMakeBorder(img1,10,10,10,10,cv2.BORDER_REFLECT_101)wrap = cv2.copyMakeBorder(img1,10,10,10,10,cv2.BORDER_WRAP)constant= cv2.copyMakeBorder(img1,10,10,10,10,cv2.BORDER_CONSTANT,value=BLUE)plt.subplot(231),plt.imshow(img1,'gray'),plt.title('ORIGINAL')plt.subplot(232),plt.imshow(replicate,'gray'),plt.title('REPLICATE')plt.subplot(233),plt.imshow(reflect,'gray'),plt.title('REFLECT')plt.subplot(234),plt.imshow(reflect101,'gray'),plt.title('REFLECT_101')plt.subplot(235),plt.imshow(wrap,'gray'),plt.title('WRAP')plt.subplot(236),plt.imshow(constant,'gray'),plt.title('CONSTANT')plt.show()

实验效果：

对于五个参数都进行了实验，可以看到明显的不同，当然，在这里为了方便图片对比显示，我们使用了matplotlib库，不过这属于python的知识，在这里就不一一介绍讲解了，大家也可以修改代码用OpenCV进行其他参数输出。

图像的算术运算

本次教程我们将概述图像的算数运算，众所周知，数学中有着加减乘除运算，同样的，图像也是如此，它的本质实际上就是一个矩阵，所以图像也存在着加法、减法、位运算等等算数运算。

1.加法

使用cv2.add()将两个图像相加，可以使用numpy中的矩阵加法来实现。但是在opencv中加法是饱和操作，也就是有上限值，numpy会对结果取模，综上，使用opencv的效果更好，我们来看函数实例：

cv2.add(img1, img2)  # 进行图片的加和

参数说明：cv2.add将两个图片进行加和，大于255的使用255计数。

我们将使用以下两个图片作为实例：

来看代码：

import cv2img1 = cv2.imread("01.jpg")img2 = cv2.imread("02.jpg")res = cv2.add(img1,img2)cv2.imshow("res",res)cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()

不难理解，第一幅图像白色部分像素部分为255，黑色部分像素为0，所以和第二幅图像加起来之后白色部分仍然是白色部分，因为加起来的值大于255时，默认取值255。

2.减法

减法运算就是两幅图像见对象像素的灰度值或彩色分量进行相减，它可以用于目标检测，需要用到函数cv2.subtract()，程序实现：

import cv2img1 = cv2.imread("01.jpg")img2 = cv2.imread("02.jpg")res = cv2.subtract(img1,img2)cv2.imshow("res",res)cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()

3.乘法

图像的乘法运算就是将两幅图像对应的灰度值或彩色分量进行相乘。

乘运算的主要作用是抑制图像的某些区域，掩膜值置为1，否则置为0。乘运算有时也被用来实现卷积或相关的运算，其相关函数为cv2.multiply()。

以下为相关程序代码：

import cv2img1 = cv2.imread("01.jpg")img2 = cv2.imread("02.jpg")res = cv2.multiply(img1,img2)cv2.imshow("res",res)cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()

4.除法

图像除运算就是两幅图像对应像素的灰度值或彩色分量进行相除。简单的出运算可以用于改变图像的灰度级。其相关函数为cv2.divide。

以下为代码部分：

5.图像融合

它实际上本质也是一个加法运算，但是这个加法运算跟普通的并不一样，我们可以理解为是一种加权的运算。

我们用函数来表示一个图像，前提是所有的图像尺寸是一样的，即图像矩阵的行列一样，通道数一样。

我们用 f0(x) 和 f1(x) 来表示输入的图像，用 g(x) 来表示输出图像，α表示比例( 0≤α≤1 ，一般来说，α取0和1没有太大意义)，那我们能得到如下图所示的一个公式：

所以图像混合就是将两个图像按照一定的比例转存到另一个图像中。

首先需要看一下函数原型：

cv2.addWeighted(src1, alpha, src2, beta, gamma[, dst[, dtype]]) → dst

♦ src1—第一个输入数组。

♦ alpha—第一个数组元素的权重。

♦ src2—第二个输入数组，其大小和通道号与src1相同。

♦ beta—第二个数组元素的权重。

♦ gamma—标量加到每个和。

♦ dst—输出数组，其大小和通道数与输入数组相同。

♦ dtype—输出数组的可选深度；当两个输入数组的深度相同时，可以将dtype设置为-1，这等效于src1.depth()。

此函数可以用以下矩阵表达式进行代替：

dst = src1 * alpha + src2 * beta + gamma;

注意：由参数说明可以看出，被叠加的两幅图像必须是尺寸相同、类型相同的；并且，当输出图像array的深度为CV_32S时，这个函数就不适用了，这时候就会内存溢出或者算出的结果压根不对。

我们来看一下代码：

import cv2img1 = cv2.imread("01.jpg")img = cv2.imread("02.jpg")h, w, _ = img1.shapeimg2 = cv2.resize(img, (w,h), interpolation=cv2.INTER_AREA)alpha = 0.7beta = 1-alphagamma = 0img_add = cv2.addWeighted(img1, alpha, img2, beta, gamma)cv2.imshow('img_add',img_add)cv2.waitKey()cv2.destroyAllWindows()

效果：

此函数最大的缺陷就是需要两张图片尺寸必须完全一样，所以在实验时必须要注意。

6.按位运算

我们在学习数电时想必都学过逻辑运算，OpenCV中也有相关的运算。与或非这些想必就不必再多讲了，我们可以通过代码实验来熟悉：

1)与运算：

import cv2img1 = cv2.imread("01.jpg")img2 = cv2.imread("02.jpg")res = cv2.bitwise_and(img1,img2)cv2.imshow("res",res)cv2.waitKey()cv2.destroyAllWindows()

2)或运算：

import cv2img1 = cv2.imread("01.jpg")img2 = cv2.imread("02.jpg")res = cv2.bitwise_or(img1,img2)cv2.imshow("res",res)cv2.waitKey()cv2.destroyAllWindows()

可以看到，跟加法运算基本上类似。

3)非运算：

import cv2img1 = cv2.imread("01.jpg")img2 = cv2.imread("02.jpg")res = cv2.bitwise_not(img1,img2)cv2.imshow("res",res)cv2.waitKey()cv2.destroyAllWindows()

非运算在之后的学习中是非常有帮助的，它的以用来对二值化图像进行取反，然后方便进行形态学操作。

4)异或运算：

import cv2img1 = cv2.imread("01.jpg")img2 = cv2.imread("02.jpg")res = cv2.bitwise_xor(img1,img2)cv2.imshow("res",res)cv2.waitKey()cv2.destroyAllWindows()

关于图像的所有的基本运算就介绍到这里。

7.练习实例

现在带大家做一个好玩的小项目，题目是：用OpenCV完成一个幻灯片演示一幅图转成另一幅图，并在图像之间进行平滑过渡。

实际上，我们使用刚刚的线性加权函数就可以完成，我们只需要定义一个变量a，然后让其值小于一，变量的值依次递增。这样总体进行分析的话，第一幅图图像的加权值为a，第二幅图像的加权值为1-a，那么在一个循环里面它们会进行动态过渡，我们来看一下代码：

import cv2 as cvimg1 = cv.imread('01.jpg')img2 = cv.imread('02.jpg')l, h = img1.shape[0:2]img2_R = cv.resize(img2, (h, l))a=0cv.namedWindow('ppt',True)dst = cv.addWeighted(img1, a, img2_R, 1-a, -1)cv.imshow('ppt', dst)cv.waitKey(0)while a<1.0:dst = cv.addWeighted(img1, a, img2_R, 1-a, -1)cv.imshow('ppt', dst)cv.waitKey(100)a+=0.02cv.waitKey(0)cv.destroyAllWindows()

按下esc键开始幻灯片放映，由于效果为动态，此处不便展示，大家请自己实验，还是很有意思的。

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