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机器学习——数字图像与机器视觉基础

2021-12-10 22:30:33 作者：互联网

目录酱

一、bmp图像浅析
二、用奇异值分解对图片进行降维处理
三、采用图像的开闭运算，检测出2个样本图像中硬币、细胞的个数
四、采用图像梯度、开闭、轮廓运算等，对图片中的条形码进行定位提取；再调用条码库获得条码字符
五、总结
参考文献

一、bmp图像浅析

准备一张图片
利用ps将其保存为32位、16位彩色和256色、16色、单色的位图（BMP)文件
分别查看这些图片信息
分析位图文件头（以32位为例）

位图文件头分四部分，共14字节

名称	占用空间	内容	实际数据
bfType	2字节	标识，就是“BM”二字	BM
bfSize	4字节	整个BMP文件的大小	0x0046b438(4633656)
bfReserved1/2	4字节	保留字，占位	0x00000000
bfOffBits	4字节	偏移数，即位图文件头+位图信息头+调色板的大小	0x00000036(54)

注意，Windows的数据是倒着念的，这是PC电脑的特色。如果一段数据为50 1A 25 3C，倒着念就是3C 25 1A50，即0x3C251A50。因此，如果bfSize的数据为38 b4 46 00，实际上就成了0x0046b438。彩色表/调色板（color table）是单色、16色和256色图像文件所特有的，相对应的调色板大小是2、16和256，调色板以4字节为单位，每4个字节存放一个颜色值，图像的数据是指向调色板的索引。

分析位图信息头

位图信息头分十一部分，共40字节

名称	占用空间	内容	实际数据
biSize	4字节	位图信息头的大小，总为40	0x28(40)
biWidth	4字节	位图的宽度，单位是像素	0x400(1024)
biHeight	4字节	位图的高度，单位是像素	0x300(768)
biPlanes	2字节	目标绘图设备包含的层数，固定值1	1
biBitCount	2字节	每个像素的位数1-黑白图，4-16色，8-256色，24-真彩色	0x10(16)
biCompression	4字节	压缩方式，BI_RGB(0)为不压缩	0
biSizeImage	4字节	位图全部像素占用的字节数，BI_RGB时可设为0	0x018000
biXPelsPerMeter	4字节	水平分辨率(像素/米)	0x0b13
biYPelsPerMeter	4字节	垂直分辨率(像素/米)	0x0b13
biClrUsed	4字节	位图使用的颜色数如果为0，则颜色数为2的biBitCount次方	0
biClrImportant	4字节	重要的颜色数，0代表所有颜色都重要	0

位深度=通道数* 每个通道所占位数。
- 我们所说的灰度图和二值化的图像都是单通道图片。
  灰度图的位深度为1* 8=8.
  二值化图像的位深度为1* 1=1.
  单通道图片，每个像素点的数值表示了黑的程度。
- 8位： 2^8 = 2^2(B) 2^3(G) 2^3® = 256 (256色) 可以总共显示256种颜色
  16位：2^16 = 2^5(B) 2^6(G) 2^5® = 65536 可以总共显示65536种颜色
  24位：2^24 = 2^8(B) 2^8(G) 2^8® = 16777216 可以总共显示16777216种颜色
  32位：Alpha透明度 + 24位
- 当8/16位深度时，单个原始颜色（R/G/B）最大只能表示为（0~ 2^3）/（0~ 2^6），无法满足（0~0xff）的范围，所以显示的颜色范围有限。
  当24位深度时，使用24bit显示一个像素点，由8bit Red 8bit Green 8bit Blue组合颜色而成，每一个原始颜色（R/G/B）都可以完全显示（0~0xff），所以24位及以上，我们就叫做真彩色
  当32位深度时，与24位相同，可以显示所有的颜色，同时多了一个透明度值。
比较
可以看到，单色图就是色深度为1位的图，16色是色深度为4位的图片，而256色图片则是8位的图片。而随着色深度位数的减小，图片大小也有显著的变小。
将原图jpg转为bmp，png和gif

可以看到图片大小bmp>png>gif>jpg。

二、用奇异值分解对图片进行降维处理

打开anaconda，运行代码

import numpy as np
import os
from PIL import Image
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib as mpl
from pprint import pprint


def restore1(sigma, u, v, K):  # 奇异值、左特征向量、右特征向量
    m = len(u)
    n = len(v[0])
    a = np.zeros((m, n))
    for k in range(K):
        uk = u[:, k].reshape(m, 1)
        vk = v[k].reshape(1, n)
        a += sigma[k] * np.dot(uk, vk)
    a[a < 0] = 0
    a[a > 255] = 255
    # a = a.clip(0, 255)
    return np.rint(a).astype('uint8')


def restore2(sigma, u, v, K):  # 奇异值、左特征向量、右特征向量
    m = len(u)
    n = len(v[0])
    a = np.zeros((m, n))
    for k in range(K+1):
        for i in range(m):
            a[i] += sigma[k] * u[i][k] * v[k]
    a[a < 0] = 0
    a[a > 255] = 255
    return np.rint(a).astype('uint8')


if __name__ == "__main__":
    A = Image.open("C:\\Users\\Leon_D_Alan\\OneDrive\图片\\ps专用图片副本\\碧翠丝.png", 'r')
    print(A)
    output_path = r'C:\\Users\\Leon_D_Alan\\OneDrive\图片\\ps专用图片副本\\SVD_Output'
    if not os.path.exists(output_path):
        os.mkdir(output_path)
    a = np.array(A)
    print(a.shape)
    K = 50
    u_r, sigma_r, v_r = np.linalg.svd(a[:, :, 0])
    u_g, sigma_g, v_g = np.linalg.svd(a[:, :, 1])
    u_b, sigma_b, v_b = np.linalg.svd(a[:, :, 2])
    plt.figure(figsize=(11, 9), facecolor='w')
    mpl.rcParams['font.sans-serif'] = ['simHei']
    mpl.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
    for k in range(1, K+1):
        print(k)
        R = restore1(sigma_r, u_r, v_r, k)
        G = restore1(sigma_g, u_g, v_g, k)
        B = restore1(sigma_b, u_b, v_b, k)
        I = np.stack((R, G, B), axis=2)
        Image.fromarray(I).save('%s\\svd_%d.png' % (output_path, k))
        if k <= 12:
            plt.subplot(3, 4, k)
            plt.imshow(I)
            plt.axis('off')
            plt.title('奇异值个数：%d' % k)
    plt.suptitle('SVD与图像分解', fontsize=20)
    plt.tight_layout()
    # plt.subplots_adjust(top=0.9)
    plt.show()

在这里插入图片描述
当奇异值越少，图片越模糊。

三、采用图像的开闭运算，检测出2个样本图像中硬币、细胞的个数

处理过程：读取图片–>转为灰度图片–>二值化–>腐蚀–>膨胀–>找中心点–>标识–>显示
硬币识别代码

import cv2
import numpy as np

def stackImages(scale, imgArray):
    """
        将多张图像压入同一个窗口显示
        :param scale:float类型，输出图像显示百分比，控制缩放比例，0.5=图像分辨率缩小一半
        :param imgArray:元组嵌套列表，需要排列的图像矩阵
        :return:输出图像
    """
    rows = len(imgArray)
    cols = len(imgArray[0])
    rowsAvailable = isinstance(imgArray[0], list)
    width = imgArray[0][0].shape[1]
    height = imgArray[0][0].shape[0]
    if rowsAvailable:
        for x in range(0, rows):
            for y in range(0, cols):
                if imgArray[x][y].shape[:2] == imgArray[0][0].shape[:2]:
                    imgArray[x][y] = cv2.resize(imgArray[x][y], (0, 0), None, scale, scale)
                else:
                    imgArray[x][y] = cv2.resize(imgArray[x][y], (imgArray[0][0].shape[1], imgArray[0][0].shape[0]),
                                                None, scale, scale)
                if len(imgArray[x][y].shape) == 2: imgArray[x][y] = cv2.cvtColor(imgArray[x][y], cv2.COLOR_GRAY2BGR)
        imageBlank = np.zeros((height, width, 3), np.uint8)
        hor = [imageBlank] * rows
        hor_con = [imageBlank] * rows
        for x in range(0, rows):
            hor[x] = np.hstack(imgArray[x])
        ver = np.vstack(hor)
    else:
        for x in range(0, rows):
            if imgArray[x].shape[:2] == imgArray[0].shape[:2]:
                imgArray[x] = cv2.resize(imgArray[x], (0, 0), None, scale, scale)
            else:
                imgArray[x] = cv2.resize(imgArray[x], (imgArray[0].shape[1], imgArray[0].shape[0]), None, scale, scale)
            if len(imgArray[x].shape) == 2: imgArray[x] = cv2.cvtColor(imgArray[x], cv2.COLOR_GRAY2BGR)
        hor = np.hstack(imgArray)
        ver = hor
    return ver


#读取图片
src = cv2.imread("1.png")
img = src.copy()

#灰度
img_1 = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

#二值化
ret, img_2 = cv2.threshold(img_1, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY_INV + cv2.THRESH_OTSU)

#腐蚀
kernel = np.ones((20, 20), int)
img_3 = cv2.erode(img_2, kernel, iterations=1)

#膨胀
kernel = np.ones((3, 3), int)
img_4 = cv2.dilate(img_3, kernel, iterations=1)

#找到硬币中心
contours, hierarchy = cv2.findContours(img_4, cv2.RETR_EXTERNAL, cv2.CHAIN_APPROX_NONE)[-2:]

#标识硬币
cv2.drawContours(img, contours, -1, (0, 0, 255), 5)

#显示图片
cv2.putText(img, "count:{}".format(len(contours)), (0, 30), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (255, 0, 0), 3)
cv2.putText(src, "src", (0, 30), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (255, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_1, "gray", (0, 30), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (255, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_2, "thresh", (0, 30), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (255, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_3, "erode", (0, 30), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (255, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_4, "dilate", (0, 30), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (255, 0, 0), 3)
imgStack = stackImages(1, ([src, img_1, img_2], [img_3, img_4, img]))
cv2.imshow("imgStack", imgStack)
cv2.waitKey(0)

在这里插入图片描述

硬币识别代码

import cv2
import numpy as np

def stackImages(scale, imgArray):
    """
        将多张图像压入同一个窗口显示
        :param scale:float类型，输出图像显示百分比，控制缩放比例，0.5=图像分辨率缩小一半
        :param imgArray:元组嵌套列表，需要排列的图像矩阵
        :return:输出图像
    """
    rows = len(imgArray)
    cols = len(imgArray[0])
    rowsAvailable = isinstance(imgArray[0], list)
    width = imgArray[0][0].shape[1]
    height = imgArray[0][0].shape[0]
    if rowsAvailable:
        for x in range(0, rows):
            for y in range(0, cols):
                if imgArray[x][y].shape[:2] == imgArray[0][0].shape[:2]:
                    imgArray[x][y] = cv2.resize(imgArray[x][y], (0, 0), None, scale, scale)
                else:
                    imgArray[x][y] = cv2.resize(imgArray[x][y], (imgArray[0][0].shape[1], imgArray[0][0].shape[0]),
                                                None, scale, scale)
                if len(imgArray[x][y].shape) == 2: imgArray[x][y] = cv2.cvtColor(imgArray[x][y], cv2.COLOR_GRAY2BGR)
        imageBlank = np.zeros((height, width, 3), np.uint8)
        hor = [imageBlank] * rows
        hor_con = [imageBlank] * rows
        for x in range(0, rows):
            hor[x] = np.hstack(imgArray[x])
        ver = np.vstack(hor)
    else:
        for x in range(0, rows):
            if imgArray[x].shape[:2] == imgArray[0].shape[:2]:
                imgArray[x] = cv2.resize(imgArray[x], (0, 0), None, scale, scale)
            else:
                imgArray[x] = cv2.resize(imgArray[x], (imgArray[0].shape[1], imgArray[0].shape[0]), None, scale, scale)
            if len(imgArray[x].shape) == 2: imgArray[x] = cv2.cvtColor(imgArray[x], cv2.COLOR_GRAY2BGR)
        hor = np.hstack(imgArray)
        ver = hor
    return ver


#读取图片
src = cv2.imread("1.png")
img = src.copy()

#灰度
img_1 = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

#二值化
ret, img_2 = cv2.threshold(img_1, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY_INV + cv2.THRESH_OTSU)

#腐蚀
kernel = np.ones((20, 20), int)
img_3 = cv2.erode(img_2, kernel, iterations=1)

#膨胀
kernel = np.ones((3, 3), int)
img_4 = cv2.dilate(img_3, kernel, iterations=1)

#找到硬币中心
contours, hierarchy = cv2.findContours(img_4, cv2.RETR_EXTERNAL, cv2.CHAIN_APPROX_NONE)[-2:]

#标识硬币
cv2.drawContours(img, contours, -1, (0, 0, 255), 5)

#显示图片
cv2.putText(img, "count:{}".format(len(contours)), (0, 30), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (255, 0, 0), 3)
cv2.putText(src, "src", (0, 30), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (255, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_1, "gray", (0, 30), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (255, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_2, "thresh", (0, 30), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (0, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_3, "erode", (0, 30), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (0, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_4, "dilate", (0, 30), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (0, 0, 0), 3)
imgStack = stackImages(1, ([src, img_1, img_2], [img_3, img_4, img]))
cv2.imshow("imgStack", imgStack)
cv2.waitKey(0)

在这里插入图片描述

四、采用图像梯度、开闭、轮廓运算等，对图片中的条形码进行定位提取；再调用条码库获得条码字符

这里要用到imutils包和pyzbar包，打开Anaconda Prompt使用以下命令安装

pip install imutils

pip install pyzbar

代码

import cv2
import numpy as np
import imutils
from pyzbar import pyzbar
def stackImages(scale, imgArray):
    """
        将多张图像压入同一个窗口显示
        :param scale:float类型，输出图像显示百分比，控制缩放比例，0.5=图像分辨率缩小一半
        :param imgArray:元组嵌套列表，需要排列的图像矩阵
        :return:输出图像
    """
    rows = len(imgArray)
    cols = len(imgArray[0])
    rowsAvailable = isinstance(imgArray[0], list)
    width = imgArray[0][0].shape[1]
    height = imgArray[0][0].shape[0]
    if rowsAvailable:
        for x in range(0, rows):
            for y in range(0, cols):
                if imgArray[x][y].shape[:2] == imgArray[0][0].shape[:2]:
                    imgArray[x][y] = cv2.resize(imgArray[x][y], (0, 0), None, scale, scale)
                else:
                    imgArray[x][y] = cv2.resize(imgArray[x][y], (imgArray[0][0].shape[1], imgArray[0][0].shape[0]),
                                                None, scale, scale)
                if len(imgArray[x][y].shape) == 2: imgArray[x][y] = cv2.cvtColor(imgArray[x][y], cv2.COLOR_GRAY2BGR)
        imageBlank = np.zeros((height, width, 3), np.uint8)
        hor = [imageBlank] * rows
        hor_con = [imageBlank] * rows
        for x in range(0, rows):
            hor[x] = np.hstack(imgArray[x])
        ver = np.vstack(hor)
    else:
        for x in range(0, rows):
            if imgArray[x].shape[:2] == imgArray[0].shape[:2]:
                imgArray[x] = cv2.resize(imgArray[x], (0, 0), None, scale, scale)
            else:
                imgArray[x] = cv2.resize(imgArray[x], (imgArray[0].shape[1], imgArray[0].shape[0]), None, scale, scale)
            if len(imgArray[x].shape) == 2: imgArray[x] = cv2.cvtColor(imgArray[x], cv2.COLOR_GRAY2BGR)
        hor = np.hstack(imgArray)
        ver = hor
    return ver


#读取图片
src = cv2.imread("C:\\Users\\28205\\Documents\\Tencent Files\\2820535964\\FileRecv\\txm.jpg")
img = src.copy()

#灰度
img_1 = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

#高斯滤波
img_2 = cv2.GaussianBlur(img_1, (5, 5), 1)


#Sobel算子
sobel_x = cv2.Sobel(img_2, cv2.CV_64F, 1, 0, ksize=3)
sobel_y = cv2.Sobel(img_2, cv2.CV_64F, 0, 1, ksize=3)
sobel_x = cv2.convertScaleAbs(sobel_x)
sobel_y = cv2.convertScaleAbs(sobel_y)
img_3 = cv2.addWeighted(sobel_x, 0.5, sobel_y, 0.5, 0)

#均值方波
img_4 = cv2.blur(img_3, (5, 5))

#二值化
ret, img_5 = cv2.threshold(img_4, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY + cv2.THRESH_OTSU)

#闭运算
kernel = np.ones((100, 100), int)
img_6 = cv2.morphologyEx(img_5, cv2.MORPH_CLOSE, kernel)

#开运算
kernel = np.ones((200, 200), int)
img_7 = cv2.morphologyEx(img_6, cv2.MORPH_OPEN, kernel)

#绘制条形码区域
contours = cv2.findContours(img_7, cv2.RETR_EXTERNAL, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
contours = imutils.grab_contours(contours)
c = sorted(contours, key = cv2.contourArea, reverse = True)[0]
rect = cv2.minAreaRect(c)
box = cv2.cv.BoxPoints(rect) if imutils.is_cv2() else cv2.boxPoints(rect)
box = np.int0(box)
cv2.drawContours(img, [box], -1, (0,255,0), 20)

#显示图片信息
cv2.putText(img, "results", (200, 200), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (255, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_1, "gray", (200, 200), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (0, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_2, "GaussianBlur",(200, 200), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (0, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_3, "Sobel", (200, 200), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (255, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_4, "blur", (200, 200), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (255, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_5, "threshold", (200, 200), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (255, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_6, "close", (200, 200), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (0, 0, 0), 3)
cv2.putText(img_7, "open", (200, 200), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, (0, 0, 0), 3)

#输出条形码
barcodes = pyzbar.decode(src)
for barcode in barcodes:
    barcodeData = barcode.data.decode("utf-8")
    cv2.putText(img, barcodeData, (200, 600), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 5.0, (0, 255, 0), 30)

#显示所有图片
imgStack = stackImages(0.8, ([img_1, img_2],[img_3,img_4],[img_5,img_6],[img_7,img]))
cv2.imshow("imgStack", imgStack)
cv2.waitKey(0)

在这里插入图片描述

五、总结

在检测图中细胞个数时，效果没有检测硬币那么好，这与图片中某些细胞颜色较浅，转换为灰度图片后，与周围颜色分辨不明显有关。条形码的识别也不是很精准。

参考文献

https://blog.csdn.net/csdn66_2016/article/details/82850695
https://blog.csdn.net/qq_41881259/article/details/106441768
https://blog.csdn.net/qq_45659777/article/details/121698713

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