使用纯JavaCV实现颜色分割 / 轮廓提取 / 离焦 / 线性旋转变焦模糊 / 灰度化 / 标注等处理

年底冲KPI很多项目要结项，临时被拉去开发了一些“很有意思”的项目，感觉自从离开学校以后很长时间都没有再接触过图像处理领域了，有点跟熟悉的陌生人打交道的快感。这里简单记录一下相关代码实现，便于后续归档与复现。

使用纯JavaCV实现图像处理

（1）轮廓提取与颜色分割处理
（2）离焦处理
（3）运动模糊处理
（4）灰度化处理

写在前面：
之前读研的时候在学校偶尔做图像预处理，都是使用的OpenCV图像库，用Python或C++语言进行图像处理编程的时候都很方便。但Java Web的服务端在银河麒麟或CentOS等Linux系统下部署时，该依赖库着实有些水土不服，每次都需要重新编译动态链接库不说，光是离线编译OpenCV库本身就费老劲了。无奈只能撸起袖子用Java重写相关的计算库与方法，想着可否跳过OpenCV封装好的函数，采用原生的写法。

（1）轮廓提取与颜色分割处理

我使用的是org.bytedeco.javacv依赖库，不需要编译安装opencv，在java环境下会更为便捷，pom.xml中引入如下依赖：

<dependency><groupId>org.bytedeco</groupId><artifactId>javacv</artifactId><version>1.4.1</version>
</dependency>

纯javacv代码如下，需要注意Javacv的语法与Opencv区别还挺大的，有很多接口不再适配。

import org.bytedeco.javacpp.Loader;
import org.bytedeco.javacpp.opencv_core;
import static org.bytedeco.javacpp.opencv_core.*;
import static org.bytedeco.javacpp.opencv_highgui.cvShowImage;
import static org.bytedeco.javacpp.opencv_highgui.cvWaitKey;
import static org.bytedeco.javacpp.opencv_imgcodecs.cvLoadImage;
import static org.bytedeco.javacpp.opencv_imgproc.*;/*** 颜色分割变换* rina 2021.11.14*/
public class colorSelect {//hsv绿色范围public static opencv_core.CvScalar g_min = cvScalar(35, 43, 46, 0);  //HSV色域public static opencv_core.CvScalar g_max= cvScalar(77, 255, 220, 0); //HSV色域public static void main(String[] args) {//读入图片IplImage orgImg = cvLoadImage("/opt/project/ColorBbox-OpencvTest/test.png");//rgb->hsvIplImage hsv = IplImage.create( orgImg.width(), orgImg.height(), orgImg.depth(), orgImg.nChannels() );cvCvtColor( orgImg, hsv, CV_BGR2HSV );IplImage imgThreshold = cvCreateImage(cvGetSize(orgImg), 8, 1);//阈值化cvInRangeS(hsv, g_min, g_max, imgThreshold);//形态学闭处理IplImage Morphology_result  = IplImage.create(orgImg.width(),orgImg.height(), IPL_DEPTH_8U, 1);IplConvKernel kernelCross = cvCreateStructuringElementEx(21, 21,7,7, CV_SHAPE_RECT);cvMorphologyEx(imgThreshold, Morphology_result, Morphology_result, kernelCross, MORPH_CLOSE, 1);//膨胀腐蚀IplImage erosion_dst  = IplImage.create(orgImg.width(),orgImg.height(), IPL_DEPTH_8U, 1);IplImage dilate_dst  = IplImage.create(orgImg.width(),orgImg.height(), IPL_DEPTH_8U, 1);IplConvKernel kernel=cvCreateStructuringElementEx(3,3,1,1,CV_SHAPE_RECT);cvErode( Morphology_result, erosion_dst, kernel,3);   //腐蚀cvDilate( erosion_dst, dilate_dst, kernel,4);   //膨胀//查找轮廓并生成轮廓数组, 画出轮廓矩形CvMemStorage mem = CvMemStorage.create();CvSeq contours = new CvSeq();CvSeq ptr = new CvSeq();cvFindContours(dilate_dst, mem, contours, Loader.sizeof(CvContour.class) , CV_RETR_CCOMP, CV_CHAIN_APPROX_SIMPLE, cvPoint(0,0));CvRect boundingBox;int index = 1;for (ptr = contours; ptr != null; ptr = ptr.h_next()) {boundingBox = cvBoundingRect(ptr, 0);cvRectangle( orgImg , cvPoint( boundingBox.x(), boundingBox.y() ),cvPoint( boundingBox.x() + boundingBox.width(), boundingBox.y() + boundingBox.height()),cvScalar( 0, 255, 255, 255 ), 2, 0, 0 );System.out.println("boundingBox_index" + index + ".x     :     " + boundingBox.x());System.out.println("boundingBox_index" + index + ".y     :     " + boundingBox.y());System.out.println("boundingBox_index" + index + ".width     :     " + boundingBox.width());System.out.println("boundingBox_index" + index + ".height     :     " + boundingBox.height());index++;}cvShowImage( "Contours", orgImg );cvWaitKey(0);}
}

使用七巧板图像进行测试，测试图像如下，这里选择的是HSV色域中的绿色区域：

阈值化后，再经过膨胀腐蚀处理后的效果如下所示：

对颜色轮廓进行提取后，进行颜色区域的标注，标注Bbox效果如下所示，这里将绿色区域都框出来了：

注意cvScalar()的参数为HSV色域值，而不是RBG或BGR。

HSV（Hue, Saturation, Value）是根据颜色的直观特性由A. R. Smith在1978年创建的一种颜色空间, 也称六角锥体模型（Hexcone Model）。这个模型中颜色的参数分别是：色调（H），饱和度（S），亮度（V）。

色调H：用角度度量，取值范围为0°～360°，从红色开始按逆时针方向计算，红色为0°，绿色为120°,蓝色为240°。它们的补色是：黄色为60°，青色为180°，品红为300°；
饱和度S：取值范围为0.0～1.0；
亮度V：取值范围为0.0(黑色)～1.0(白色)。

对于基本色中对应的HSV分量需要给定一个严格的范围，下面是一些颜色的模糊范围：
H: 0— 180
S: 0— 255
V: 0— 255

（2）离焦处理

Google到了一个牛逼文档，里面图像处理的例子写的挺齐全的，可以作为参考：http://www.jhlabs.com/ip/blurring.html
另外离焦（高斯模糊）的实现原理参考了这篇大牛技术贴：https://www.cnblogs.com/invisible2/p/9177018.html

下面给出我离焦处理的工具类详细代码：

/*** 离焦 高斯模糊变换* rina 2021.11.24*/
public class GaussianBlurUtils {/*** 高斯模糊* 参考：https://www.cnblogs.com/invisible2/p/9177018.html* @param imagePath* @param radius 模糊半径* @param outPath* @return*/public static void gaussianBlurTrans(String imagePath, int radius, String outPath) throws IOException {File file = new File(imagePath);BufferedImage src = ImageIO.read(file);int width = src.getWidth();int height = src.getHeight();int[] pixels = new int[width * height];int[] outPixels = new int[width * height];src.getRGB(0, 0, width, height, pixels, 0, width);// 均值滤波使用的卷积模板半径，这里使用5*5均值，所以半径使用2int r = 0, g = 0, b = 0;// 获取每个像素点的高斯权重double[][] weights = getGaussianWeight(radius);for (int row = 0; row < height; row++) {for (int col = 0; col < width; col++) {int rSum = 0;int gSum = 0;int bSum = 0;for (int i = -radius; i <= radius; i++) {int roffset = row + i;roffset = (roffset < 0) ? 0 : (roffset >= height ? height - 1 : roffset);for (int j = -radius; j <= radius; j++) {int coffset = col + j;coffset = (coffset < 0) ? 0 : (coffset >= width ? width - 1 : coffset);int pixel = pixels[roffset * width + coffset];r = (pixel >> 16) & 0XFF;g = (pixel >> 8) & 0xff;b = pixel & 0xff;rSum += r * weights[i + radius][j + radius];gSum += g * weights[i + radius][j + radius];bSum += b * weights[i + radius][j + radius];}}r = rSum;g = gSum;b = bSum;outPixels[row * width + col] = (255 << 24) | (clamp(r) << 16) | (clamp(g) << 8) | clamp(b);}}BufferedImage dest = new BufferedImage(width, height, src.getType());dest.setRGB(0, 0, width, height, outPixels, 0, width);File newFile = new File(outPath);ImageIO.write(dest, "jpg", newFile);}/*** 获取（2*r+1)*(2*r+1)图像（半径为r）的高斯权重* 以图像中心为坐标原点来计算所有点的权重* 离中心点越近，权重越大* @param r 半径* @return  图像所有点的权重*/public static double[][] getGaussianWeight(int r) {int n = 2*r+1;double[][] a = new double[n][n];double totalWeight = 0;// 计算每个像素点的权重for (int i=0; i<n; i++) {for (int j=0; j<n; j++) {int x = j - r;int y = i - r;a[i][j] = getGaussianFunction(x, y);totalWeight += a[i][j];}}// 让它们的权重之和等于1for (int i=0; i<n; i++) {for (int j=0; j<n; j++) {a[i][j] = a[i][j] / totalWeight;}}return a;}/*** 高斯函数，根据坐标计算每个点的权重，3*3图像的原点默认是中间的那个点* 参考：https://www.cnblogs.com/invisible2/p/9177018.html* @param x 横坐标* @param y 纵坐标* @return*/public static double getGaussianFunction(int x, int y) {double a = 1.5;double b = -(x*x + y*y)/(2*a*a);double c = Math.exp(b)/(2*Math.PI*a*a);return c;}/*** 如果像素点的值超过了0-255的范围,予以调整* @param value 输入值* @return 输出值*/private static int clamp(int value) {return value > 255 ? 255 : (Math.max(value, 0));}
}

radius 模糊半径可调，依旧是这张七巧板测试图像，离焦模糊效果如下：

（3）运动模糊处理

运动模糊这里实现了线性模糊，旋转模糊，以及含有畸变效果的尺度模糊。
下面给出运动模糊处理的工具类详细代码，定义变量为：

        float centreX;     //X方向系数float centreY;     //Y方向系数float distance;    //这里设置运动距离float angle;       //运动方向(角度)float rotation;    //旋转角度float zoom;        //尺度

/*** 运动模糊变换* rina 2021.11.24*/
public class MotionBlurUtils {private static int log2( int n ) {int m = 1;int log2n = 0;while (m < n) {m *= 2;log2n++;}return log2n;}public static void MotionBlurTrans(String imagePath, String outPath, float centreX, float centreY,float distance, float angle, float rotation, float zoom) throws IOException {File file = new File(imagePath);BufferedImage ImageBuffer = ImageIO.read(file);BufferedImage ResultImageBuffer = ImageBuffer;float cx = (float) ImageBuffer.getWidth() * centreX;float cy = (float) ImageBuffer.getHeight() * centreY;float imageRadius = (float) Math.sqrt( cx*cx + cy*cy );float translateX = (float) (distance * Math.cos( angle ));float translateY = (float) (distance * -Math.sin( angle ));float scale = zoom;float rotate = rotation;float maxDistance = distance + Math.abs(rotation*imageRadius) + zoom*imageRadius;int steps = log2((int)maxDistance);translateX /= maxDistance;translateY /= maxDistance;scale /= maxDistance;rotate /= maxDistance;if ( steps == 0 ) {File newFile = new File(outPath);ImageIO.write(ResultImageBuffer, "jpg", newFile);return;}BufferedImage tmp = new BufferedImage(ImageBuffer.getWidth(), ImageBuffer.getHeight(), ImageBuffer.getType());for ( int i = 0; i < steps; i++ ) {Graphics2D g = tmp.createGraphics();g.drawImage( ResultImageBuffer, null, null );g.setRenderingHint( RenderingHints.KEY_ANTIALIASING, RenderingHints.VALUE_ANTIALIAS_ON );g.setRenderingHint( RenderingHints.KEY_INTERPOLATION, RenderingHints.VALUE_INTERPOLATION_BILINEAR );g.setComposite( AlphaComposite.getInstance( AlphaComposite.SRC_OVER, 0.5f ) );g.translate( cx+translateX, cy+translateY );g.scale( 1.0001+scale, 1.0001+scale );if ( rotation != 0 )g.rotate( rotate );g.translate( -cx, -cy );g.drawImage( tmp, null, null );g.dispose();ResultImageBuffer = tmp;translateX *= 2;translateY *= 2;scale *= 2;rotate *= 2;}File newFile = new File(outPath);ImageIO.write(ResultImageBuffer, "jpg", newFile);}
}

还是这张七巧板测试图像，当不调整运动方向角度时，运动模糊为水平运动模糊，其水平线性运动模糊的效果如下：

当调整运动方向角度时，运动模糊为沿着该角度方向的线性模糊，例如设置angle=10，效果如下，可以发现模糊方向是朝着右上角10度方向倾斜模糊的：

当调整旋转角度时，其旋转模糊效果如下所示：

（4）灰度化处理

参考了一下这篇技术贴：
https://www.cnblogs.com/deng-c-q/p/8710252.html

图片灰度化方式这里分为四种：
（1）最大值法（取颜色RGB中的最大值作为灰度值）
（2）最小值法（取颜色RGB的最小值作为灰度值）
（3）均值法（取颜色的RGB的平均值作为灰度值）
（4）加权法

下面给出灰度化处理的工具类详细代码，如下所示：

/*** 图片灰度化变换* rina 2021.11.24*/
public class GrayTransUtils {/***  颜色分量转换为RGB值* @param alpha* @param red* @param green* @param blue* @return*/private static int colorToRGB(int alpha, int red, int green, int blue) {int newPixel = 0;newPixel += alpha;newPixel = newPixel << 8;newPixel += red;newPixel = newPixel << 8;newPixel += green;newPixel = newPixel << 8;newPixel += blue;return newPixel;}/*** 图片灰度化的方法* @param status 灰度化方法的种类，1表示最大值法，2表示最小值法，3表示均值法，4加权法* @param image 需要灰度化的图片* @throws IOException*/public static BufferedImage grayImageTrans(int status, BufferedImage image) throws IOException {//File file = new File(imagePath);//BufferedImage image = ImageIO.read(file);int width = image.getWidth();int height = image.getHeight();BufferedImage grayImage = new BufferedImage(width, height,  image.getType());//BufferedImage grayImage = new BufferedImage(width, height,  BufferedImage.TYPE_BYTE_GRAY);for (int i = 0; i < width; i++) {for (int j = 0; j < height; j++) {int color = image.getRGB(i, j);final int r = (color >> 16) & 0xff;final int g = (color >> 8) & 0xff;final int b = color & 0xff;int gray = 0;if(status == 1){gray = getBigger(r, g, b);//最大值法灰度化}else if(status==2){gray = getSmall(r, g, b);//最小值法灰度化}else if(status==3){gray = getAvg(r, g, b);//均值法灰度化}else if(status==4){gray = (int) (0.3 * r + 0.59 * g + 0.11 * b);//加权法灰度化}//System.out.println("像素坐标：" + " x=" + i + "   y=" + j + "   灰度值=" + gray);grayImage.setRGB(i, j, colorToRGB(0, gray, gray, gray));}}//File newFile = new File(outPath);//ImageIO.write(grayImage, "jpg", newFile);return grayImage;}//比较三个数的大小取最大数public static int getBigger(int x,int y,int z){if(x>=y&&x>=z){return x;}else if(y>=x&&y>=z){return y;}else if(z>=x&&z>=y){return z;}else{return 0;}}//比较三个数的大小取最小数public static int getSmall(int x,int y,int z){if(x<=y&&x<=z){return x;}else if(y>=x&&y>=z){return y;}else if(z>=x&&z>=y){return z;}else{return 0;}}//均值法public static int getAvg(int x,int y,int z){int avg=(x+y+z)/3;return avg;}
}

最后给出这四种灰度二值化处理的效果图，个人感觉第三种效果更好一些（依旧是这张七巧板测试图例，有一丢丢看吐了…）：

每天都想午休但睡不着的乔木小姐
2021.11.25