[经验] 【OpenCV入门教程之十】 形态学图像处理（一）：膨胀与腐蚀

本篇文章中，我们一起探究了图像处理中，最基本的形态学运算——膨胀与腐蚀。浅墨在文章开头友情提醒，用人物照片做腐蚀和膨胀的素材图片得到的效果会比较惊悚，毁三观的，不建议尝试。。。。。。。。。。 OK，开始吧，依然是先放一张截图： 一、理论与概念讲解——从现象到本质 1.1 形态学概述 形态学（morphology）一词通常表示生物学的一个分支，该分支主要研究动植物的形态和结构。而我们图像处理中指的形态学，往往表示的是数学形态学。下面一起来了解数学形态学的概念。 数学形态学（Mathematical morphology） 是一门建立在格论和拓扑学基础之上的图像分析学科，是数学形态学图像处理的基本理论。其基本的运算包括：二值腐蚀和膨胀、二值开闭运算、骨架抽取、极限腐蚀、击中击不中变换、形态学梯度、Top-hat变换、颗粒分析、流域变换、灰值腐蚀和膨胀、灰值开闭运算、灰值形态学梯度等。 简单来讲，形态学操作就是基于形状的一系列图像处理操作。OpenCV为进行图像的形态学变换提供了快捷、方便的函数。最基本的形态学操作有二种，他们是：膨胀与腐蚀(Dilation与Erosion)。 膨胀与腐蚀能实现多种多样的功能，主要如下：

• 消除噪声
• 分割(isolate)出独立的图像元素，在图像中连接(join)相邻的元素。
• 寻找图像中的明显的极大值区域或极小值区域
• 求出图像的梯度

我们在这里给出下文会用到的，用于对比膨胀与腐蚀运算的“浅墨”字样毛笔字原图：

在进行腐蚀和膨胀的讲解之前，首先需要注意，腐蚀和膨胀是对白色部分（高亮部分）而言的，不是黑色部分。膨胀就是图像中的高亮部分进行膨胀，“领域扩张”，效果图拥有比原图更大的高亮区域。腐蚀就是原图中的高亮部分被腐蚀，“领域被蚕食”，效果图拥有比原图更小的高亮区域。 1.2 膨胀 其实，膨胀就是求局部最大值的操作。 按数学方面来说，膨胀或者腐蚀操作就是将图像（或图像的一部分区域，我们称之为A）与核（我们称之为B）进行卷积。 核可以是任何的形状和大小，它拥有一个单独定义出来的参考点，我们称其为锚点（anchorpoint）。多数情况下，核是一个小的中间带有参考点和实心正方形或者圆盘，其实，我们可以把核视为模板或者掩码。 而膨胀就是求局部最大值的操作，核B与图形卷积，即计算核B覆盖的区域的像素点的最大值，并把这个最大值赋值给参考点指定的像素。这样就会使图像中的高亮区域逐渐增长。如下图所示，这就是膨胀操作的初衷。 膨胀的数学表达式：

膨胀效果图（毛笔字）：

照片膨胀效果图： 1.3 腐蚀 再来看一下腐蚀，大家应该知道，膨胀和腐蚀是一对好基友，是相反的一对操作，所以腐蚀就是求局部最小值的操作。 我们一般都会把腐蚀和膨胀对应起来理解和学习。下文就可以看到，两者的函数原型也是基本上一样的。 原理图： 腐蚀的数学表达式：

腐蚀效果图（毛笔字）：

照片腐蚀效果图： 浅墨表示这张狗狗超可爱：D 二、深入——OpenCV源码分析溯源 直接上源码吧，在…\opencv\sources\modules\imgproc\src\ morph.cpp路径中 的第1353行开始就为erode（腐蚀）函数的源码，1361行为dilate（膨胀）函数的源码。 [cpp] view plain copy

• 1. //-----------------------------------【erode（）函数中文注释版源代码】----------------------------
  2. // 说明：以下代码为来自于计算机开源视觉库OpenCV的官方源代码
  3. // OpenCV源代码版本：2.4.8
  4. // 源码路径：…\opencv\sources\modules\imgproc\src\ morph.cpp
  5. // 源文件中如下代码的起始行数：1353行
  6. // 中文注释by浅墨
  7. //--------------------------------------------------------------------------------------------------------
  8. void cv::erode( InputArray src, OutputArraydst, InputArray kernel,
  9. Point anchor, int iterations,
  10. int borderType, constScalar& borderValue )
  11. {
  12. //调用morphOp函数，并设定标识符为MORPH_ERODE
  13. morphOp( MORPH_ERODE, src, dst, kernel, anchor, iterations, borderType,borderValue );
  14. }

[cpp] view plain copy

• 1. //-----------------------------------【dilate（）函数中文注释版源代码】----------------------------
  2. // 说明：以下代码为来自于计算机开源视觉库OpenCV的官方源代码
  3. // OpenCV源代码版本：2.4.8
  4. // 源码路径：…\opencv\sources\modules\imgproc\src\ morph.cpp
  5. // 源文件中如下代码的起始行数：1361行
  6. // 中文注释by浅墨
  7. //--------------------------------------------------------------------------------------------------------
  8. void cv::dilate( InputArray src,OutputArray dst, InputArray kernel,
  9. Point anchor, int iterations,
  10. int borderType, constScalar& borderValue )
  11. {
  12. //调用morphOp函数，并设定标识符为MORPH_DILATE
  13. morphOp( MORPH_DILATE, src, dst, kernel, anchor, iterations, borderType,borderValue );
  14. }

可以发现erode和dilate这两个函数内部就是调用了一下morphOp，只是他们调用morphOp时，第一个参数标识符不同，一个为MORPH_ERODE（腐蚀），一个为MORPH_DILATE（膨胀）。 morphOp函数的源码在…\opencv\sources\modules\imgproc\src\morph.cpp中的第1286行，有兴趣的朋友们可以研究研究，这里就不费时费力花篇幅展开分析了。 三、浅出——API函数快速上手 3.1 形态学膨胀——dilate函数 erode函数，使用像素邻域内的局部极大运算符来膨胀一张图片，从src输入，由dst输出。支持就地（in-place）操作。 函数原型： [cpp] view plain copy

• 1. C++: void dilate(
  2. InputArray src,
  3. OutputArray dst,
  4. InputArray kernel,
  5. Point anchor=Point(-1,-1),
  6. int iterations=1,
  7. int borderType=BORDER_CONSTANT,
  8. const Scalar& borderValue=morphologyDefaultBorderValue()
  9. );

参数详解：

• 第一个参数，InputArray类型的src，输入图像，即源图像，填Mat类的对象即可。图像通道的数量可以是任意的，但图像深度应为CV_8U，CV_16U，CV_16S，CV_32F或 CV_64F其中之一。
• 第二个参数，OutputArray类型的dst，即目标图像，需要和源图片有一样的尺寸和类型。
• 第三个参数，InputArray类型的kernel，膨胀操作的核。若为NULL时，表示的是使用参考点位于中心3x3的核。

我们一般使用函数 getStructuringElement配合这个参数的使用。getStructuringElement函数会返回指定形状和尺寸的结构元素（内核矩阵）。

其中，getStructuringElement函数的第一个参数表示内核的形状，我们可以选择如下三种形状之一:

• 矩形: MORPH_RECT
• 交叉形: MORPH_CROSS
• 椭圆形: MORPH_ELLIPSE

而getStructuringElement函数的第二和第三个参数分别是内核的尺寸以及锚点的位置。

我们一般在调用erode以及dilate函数之前，先定义一个Mat类型的变量来获得getStructuringElement函数的返回值。对于锚点的位置，有默认值Point(-1,-1)，表示锚点位于中心。且需要注意，十字形的element形状唯一依赖于锚点的位置。而在其他情况下，锚点只是影响了形态学运算结果的偏移。

getStructuringElement函数相关的调用示例代码如下： [cpp] view plain copy

• int g_nStructElementSize = 3; //结构元素(内核矩阵)的尺寸
• //获取自定义核
• Mat element = getStructuringElement(MORPH_RECT,
• Size(2*g_nStructElementSize+1,2*g_nStructElementSize+1),
• Point( g_nStructElementSize, g_nStructElementSize ));

调用这样之后，我们便可以在接下来调用erode或dilate函数时，第三个参数填保存了getStructuringElement返回值的Mat类型变量。对应于我们上面的示例，就是填element变量。

• 第四个参数，Point类型的anchor，锚的位置，其有默认值（-1，-1），表示锚位于中心。
• 第五个参数，int类型的iterations，迭代使用erode（）函数的次数，默认值为1。
• 第六个参数，int类型的borderType，用于推断图像外部像素的某种边界模式。注意它有默认值BORDER_DEFAULT。
• 第七个参数，const Scalar&类型的borderValue，当边界为常数时的边界值，有默认值morphologyDefaultBorderValue()，一般我们不用去管他。需要用到它时，可以看官方文档中的createMorphologyFilter()函数得到更详细的解释。

使用erode函数，一般我们只需要填前面的三个参数，后面的四个参数都有默认值。而且往往结合getStructuringElement一起使用。 调用范例： [cpp] view plain copy

• //载入原图
• Mat image = imread("1.jpg");
• //获取自定义核
• Mat element = getStructuringElement(MORPH_RECT, Size(15, 15));
• Mat out;
• //进行膨胀操作
• dilate(image, out, element);

用上面核心代码架起来的完整程序代码： [cpp] view plain copy

• 1. //-----------------------------------【头文件包含部分】---------------------------------------
  2. // 描述：包含程序所依赖的头文件
  3. //----------------------------------------------------------------------------------------------
  4. #include
  5. #include
  6. #include
  7. #include
  9. //-----------------------------------【命名空间声明部分】---------------------------------------
  10. // 描述：包含程序所使用的命名空间
  11. //-----------------------------------------------------------------------------------------------
  12. using namespace std;
  13. using namespace cv;
  15. //-----------------------------------【main( )函数】--------------------------------------------
  16. // 描述：控制台应用程序的入口函数，我们的程序从这里开始
  17. //-----------------------------------------------------------------------------------------------
  18. int main( )
  19. {
  21. //载入原图
  22. Mat image = imread("1.jpg");
  24. //创建窗口
  25. namedWindow("【原图】膨胀操作");
  26. namedWindow("【效果图】膨胀操作");
  28. //显示原图
  29. imshow("【原图】膨胀操作", image);
  31. //获取自定义核
  32. Mat element = getStructuringElement(MORPH_RECT, Size(15, 15));
  33. Mat out;
  34. //进行膨胀操作
  35. dilate(image,out, element);
  37. //显示效果图
  38. imshow("【效果图】膨胀操作", out);
  40. waitKey(0);
  42. return 0;
  43. }

运行截图： 3.2 形态学腐蚀——erode函数 erode函数，使用像素邻域内的局部极小运算符来腐蚀一张图片，从src输入，由dst输出。支持就地（in-place）操作。 看一下函数原型： [cpp] view plain copy

• 1. C++: void erode(
  2. InputArray src,
  3. OutputArray dst,
  4. InputArray kernel,
  5. Point anchor=Point(-1,-1),
  6. int iterations=1,
  7. int borderType=BORDER_CONSTANT,
  8. const Scalar& borderValue=morphologyDefaultBorderValue()
  9. );

参数详解：

• 第一个参数，InputArray类型的src，输入图像，即源图像，填Mat类的对象即可。图像通道的数量可以是任意的，但图像深度应为CV_8U，CV_16U，CV_16S，CV_32F或 CV_64F其中之一。
• 第二个参数，OutputArray类型的dst，即目标图像，需要和源图片有一样的尺寸和类型。
• 第三个参数，InputArray类型的kernel，腐蚀操作的内核。若为NULL时，表示的是使用参考点位于中心3x3的核。我们一般使用函数 getStructuringElement配合这个参数的使用。getStructuringElement函数会返回指定形状和尺寸的结构元素（内核矩阵）。（具体看上文中浅出部分dilate函数的第三个参数讲解部分）
• 第四个参数，Point类型的anchor，锚的位置，其有默认值（-1，-1），表示锚位于单位（element）的中心，我们一般不用管它。
• 第五个参数，int类型的iterations，迭代使用erode（）函数的次数，默认值为1。
• 第六个参数，int类型的borderType，用于推断图像外部像素的某种边界模式。注意它有默认值BORDER_DEFAULT。
• 第七个参数，const Scalar&类型的borderValue，当边界为常数时的边界值，有默认值morphologyDefaultBorderValue()，一般我们不用去管他。需要用到它时，可以看官方文档中的createMorphologyFilter()函数得到更详细的解释。

同样的，使用erode函数，一般我们只需要填前面的三个参数，后面的四个参数都有默认值。而且往往结合getStructuringElement一起使用。 调用范例： [cpp] view plain copy

• //载入原图
• Mat image = imread("1.jpg");
• //获取自定义核
• Mat element = getStructuringElement(MORPH_RECT, Size(15, 15));
• Mat out;
• //进行腐蚀操作
• erode(image,out, element);

用上面核心代码架起来的完整程序代码： [cpp] view plain copy

• 1. //-----------------------------------【头文件包含部分】---------------------------------------
  2. // 描述：包含程序所依赖的头文件
  3. //----------------------------------------------------------------------------------------------
  4. #include <opencv2/core/core.hpp>
  5. #include<opencv2/highgui/highgui.hpp>
  6. #include<opencv2/imgproc/imgproc.hpp>
  7. #include <iostream>
  9. //-----------------------------------【命名空间声明部分】---------------------------------------
  10. // 描述：包含程序所使用的命名空间
  11. //-----------------------------------------------------------------------------------------------
  12. using namespace std;
  13. using namespace cv;
  15. //-----------------------------------【main( )函数】--------------------------------------------
  16. // 描述：控制台应用程序的入口函数，我们的程序从这里开始
  17. //-----------------------------------------------------------------------------------------------
  18. int main( )
  19. {
  20. //载入原图
  21. Matimage = imread("1.jpg");
  23. //创建窗口
  24. namedWindow("【原图】腐蚀操作");
  25. namedWindow("【效果图】腐蚀操作");
  27. //显示原图
  28. imshow("【原图】腐蚀操作", image);
  31. //获取自定义核
  32. Mat element = getStructuringElement(MORPH_RECT, Size(15, 15));
  33. Mat out;
  35. //进行腐蚀操作
  36. erode(image,out, element);
  38. //显示效果图
  39. imshow("【效果图】腐蚀操作", out);
  41. waitKey(0);
  43. return 0;
  44. }

运行结果： 四、综合示例——在实战中熟稔 依然是每篇文章都会配给大家的一个详细注释的博文配套示例程序，把这篇文章中介绍的知识点以代码为载体，展现给大家。 这个示例程序中的效果图窗口有两个滚动条，顾名思义，第一个滚动条“腐蚀/膨胀”用于在腐蚀/膨胀之间进行切换；第二个滚动条”内核尺寸”用于调节形态学操作时的内核尺寸，以得到效果不同的图像，有一定的可玩性。废话不多说，上代码吧： [cpp] view plain copy

• 2. //-----------------------------------【程序说明】----------------------------------------------
  3. // 程序名称:：《【OpenCV入门教程之十】形态学图像处理（一）：膨胀与腐蚀 》 博文配套源码
  4. // 开发所用IDE版本：Visual Studio 2010
  5. // 开发所用OpenCV版本： 2.4.8
  6. // 2014年4月14日 Create by 浅墨
  7. // 浅墨的微博：@浅墨_毛星云
  8. //------------------------------------------------------------------------------------------------
  10. //-----------------------------------【头文件包含部分】---------------------------------------
  11. // 描述：包含程序所依赖的头文件
  12. //----------------------------------------------------------------------------------------------
  13. #include <opencv2/opencv.hpp>
  14. #include <opencv2/highgui/highgui.hpp>
  15. #include<opencv2/imgproc/imgproc.hpp>
  16. #include <iostream>
  18. //-----------------------------------【命名空间声明部分】---------------------------------------
  19. // 描述：包含程序所使用的命名空间
  20. //-----------------------------------------------------------------------------------------------
  21. using namespace std;
  22. using namespace cv;
  25. //-----------------------------------【全局变量声明部分】--------------------------------------
  26. // 描述：全局变量声明
  27. //-----------------------------------------------------------------------------------------------
  28. Mat g_srcImage, g_dstImage;//原始图和效果图
  29. int g_nTrackbarNumer = 0;//0表示腐蚀erode, 1表示膨胀dilate
  30. int g_nStructElementSize = 3; //结构元素(内核矩阵)的尺寸
  33. //-----------------------------------【全局函数声明部分】--------------------------------------
  34. // 描述：全局函数声明
  35. //-----------------------------------------------------------------------------------------------
  36. void Process();//膨胀和腐蚀的处理函数
  37. void on_TrackbarNumChange(int, void *);//回调函数
  38. void on_ElementSizeChange(int, void *);//回调函数
  41. //-----------------------------------【main( )函数】--------------------------------------------
  42. // 描述：控制台应用程序的入口函数，我们的程序从这里开始
  43. //-----------------------------------------------------------------------------------------------
  44. int main( )
  45. {
  46. //改变console字体颜色
  47. system("color5E");
  49. //载入原图
  50. g_srcImage= imread("1.jpg");
  51. if(!g_srcImage.data ) { printf("Oh，no，读取srcImage错误~！\n"); return false; }
  53. //显示原始图
  54. namedWindow("【原始图】");
  55. imshow("【原始图】", g_srcImage);
  57. //进行初次腐蚀操作并显示效果图
  58. namedWindow("【效果图】");
  59. //获取自定义核
  60. Mat element = getStructuringElement(MORPH_RECT, Size(2*g_nStructElementSize+1,2*g_nStructElementSize+1),Point( g_nStructElementSize, g_nStructElementSize ));
  61. erode(g_srcImage,g_dstImage, element);
  62. imshow("【效果图】", g_dstImage);
  64. //创建轨迹条
  65. createTrackbar("腐蚀/膨胀", "【效果图】", &g_nTrackbarNumer, 1, on_TrackbarNumChange);
  66. createTrackbar("内核尺寸", "【效果图】",&g_nStructElementSize, 21, on_ElementSizeChange);
  68. //输出一些帮助信息
  69. cout<<endl<<"\t嗯。运行成功，请调整滚动条观察图像效果~\n\n"
  70. <<"\t按下“q”键时，程序退出~!\n"
  71. <<"\n\n\t\t\t\tby浅墨";
  73. //轮询获取按键信息，若下q键，程序退出
  74. while(char(waitKey(1))!= 'q') {}
  76. return 0;
  77. }
  79. //-----------------------------【Process( )函数】------------------------------------
  80. // 描述：进行自定义的腐蚀和膨胀操作
  81. //-----------------------------------------------------------------------------------------
  82. void Process()
  83. {
  84. //获取自定义核
  85. Mat element = getStructuringElement(MORPH_RECT, Size(2*g_nStructElementSize+1,2*g_nStructElementSize+1),Point( g_nStructElementSize, g_nStructElementSize ));
  87. //进行腐蚀或膨胀操作
  88. if(g_nTrackbarNumer== 0) {
  89. erode(g_srcImage,g_dstImage, element);
  90. }
  91. else{
  92. dilate(g_srcImage,g_dstImage, element);
  93. }
  95. //显示效果图
  96. imshow("【效果图】", g_dstImage);
  97. }
  100. //-----------------------------【on_TrackbarNumChange( )函数】------------------------------------
  101. // 描述：腐蚀和膨胀之间切换开关的回调函数
  102. //-----------------------------------------------------------------------------------------------------
  103. void on_TrackbarNumChange(int, void *)
  104. {
  105. //腐蚀和膨胀之间效果已经切换，回调函数体内需调用一次Process函数，使改变后的效果立即生效并显示出来
  106. Process();
  107. }
  110. //-----------------------------【on_ElementSizeChange( )函数】-------------------------------------
  111. // 描述：腐蚀和膨胀操作内核改变时的回调函数
  112. //-----------------------------------------------------------------------------------------------------
  113. void on_ElementSizeChange(int, void *)
  114. {
  115. //内核尺寸已改变，回调函数体内需调用一次Process函数，使改变后的效果立即生效并显示出来
  116. Process();
  117. }

放出一些效果图吧。原始图： 膨胀效果图： 腐蚀效果图： 腐蚀和膨胀得到的图，都特有喜感，但千变万变，还是原图好看：