使用OpenCV進(jìn)行圖像二值化與灰度化

作者：Reathin 2024-01-09 08:20:23

圖像二值化是將圖像中的像素點(diǎn)設(shè)置為0或255，從而實(shí)現(xiàn)黑白效果的過程。通過適當(dāng)?shù)拈撝颠x取，可以將灰度圖像中的像素分為兩類，一類被認(rèn)為是前景（目標(biāo)），另一類被認(rèn)為是背景。這樣可以使圖像數(shù)據(jù)量減小，同時(shí)凸顯出目標(biāo)的輪廓。

灰度化方法

最大值法：將彩色圖像中的三分量亮度的最大值作為灰度圖的灰度值。

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平均值法：將彩色圖像中的三分量亮度求平均得到一個(gè)灰度值。

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加權(quán)平均法：根據(jù)人眼對(duì)R，G，B三通道的敏感度，按照一定權(quán)值進(jìn)行加權(quán)平均得到灰度值。

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浮點(diǎn)灰度法：將紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色通道乘以不同的浮點(diǎn)數(shù)權(quán)重，其中 RGB 的權(quán)重總和為 1，得到一個(gè)灰度值。

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整數(shù)灰度法：避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算使用整數(shù)算法，其中 RGB 的權(quán)重總和為 100，得到一個(gè)灰度值。

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移位灰度法：移位計(jì)算比整數(shù)灰度法處理速度更快。

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單通道法：僅取綠色作為灰度值。

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灰度方法示例：

//進(jìn)行灰度
mBitmap?.run {
    val bitmap = Bitmap.createBitmap(this.width, this.height, Bitmap.Config.ARGB_8888)
    val srcMat = Mat()
    val dstMat = Mat()
    Utils.bitmapToMat(this, srcMat)
    Imgproc.cvtColor(srcMat, dstMat, Imgproc.COLOR_BGRA2GRAY)
    Utils.matToBitmap(dstMat, bitmap)
    runOnUiThread { mBinding.ivImage.setImageBitmap(bitmap) }
    srcMat.release()
    dstMat.release()
}

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二值化方法

全局閾值法：該方法假設(shè)在整個(gè)圖像范圍內(nèi)，亮度高于某個(gè)閾值的像素應(yīng)被標(biāo)記成前景（白色），而亮度低于該閾值的像素則應(yīng)被標(biāo)記成背景（黑色）。
otsu閾值法：這是一種根據(jù)直方圖的自適應(yīng)閾值選擇算法，使用的閾值可使目標(biāo)與背景之間的差異達(dá)到最大。
局部閾值法：該方法不像全局閾值法將整張圖像劃分為前景和背景，而是根據(jù)每個(gè)像素周圍鄰域亮度變化來確定其屬于前景還是背景。這種方法通常用于具有光照不均、噪聲較多、紋理粗糙等情況下的圖像二值化。
自適應(yīng)閾值法：該方法將每個(gè)像素的閾值設(shè)置為與其鄰域內(nèi)像素的平均值或加權(quán)平均值相關(guān)的值。這種方法通常用于灰度圖像中需要提取一些特殊特征的情況下。
基于形態(tài)學(xué)操作的局部二值化法：該方法是在閾值法的基礎(chǔ)上，對(duì)圖像的不同區(qū)域設(shè)定不同的閾值，以更好地反映圖像的局部特征。
基于聚類分析的二值化法：該方法是將像素點(diǎn)的灰度值分為兩個(gè)簇，然后分別計(jì)算兩個(gè)簇的均值，將均值作為閾值來進(jìn)行處理。
基于邊緣檢測(cè)的二值化法：該方法是在圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)之后，將邊緣像素設(shè)為白色，其他像素設(shè)為黑色，以實(shí)現(xiàn)圖像的二值化。

在 OpenCV 中，通過使用閾值分割 threshold() 函數(shù)、彩色圖像分割 inRange() 函數(shù)以及邊緣檢測(cè) Canny() 函數(shù)都可以實(shí)現(xiàn)圖像二值化。

OpenCV中最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式，先把圖像灰度化，然后對(duì)灰度圖像中的每個(gè)像素進(jìn)行遍歷，根據(jù)它的像素值是否大于一個(gè)固定的閾值，對(duì)輸出圖像對(duì)應(yīng)位置的像素賦予不同的值。公式如下：

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二值化方法示例：

mBitmap?.run {
    val bitmap = Bitmap.createBitmap(this.width, this.height, Bitmap.Config.ARGB_8888)
    //先灰度
    val srcMat = Mat()
    val dstMat = Mat()
    Utils.bitmapToMat(this, srcMat)
    Imgproc.cvtColor(srcMat, dstMat, Imgproc.COLOR_BGRA2GRAY)
    val resultMat = Mat()
    Imgproc.threshold(dstMat, resultMat, 100.0, 255.0, Imgproc.THRESH_BINARY)
    Utils.matToBitmap(resultMat, bitmap)
    runOnUiThread { mBinding.ivImage.setImageBitmap(bitmap) }
    srcMat.release()
    dstMat.release()
    resultMat.release()
}

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完整示例

<?xml versinotallow="1.0" encoding="utf-8"?>
<LinearLayout xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools"
    android:layout_width="match_parent"
    android:layout_height="match_parent"
    android:orientation="vertical"
    tools:context=".activity.TestActivity">

    <ImageView
        android:id="@+id/iv_image"
        android:layout_width="match_parent"
        android:layout_height="300dp"
        android:scaleType="centerCrop" />

    <LinearLayout
        android:layout_width="match_parent"
        android:layout_height="wrap_content"
        android:layout_marginTop="20dp"
        android:orientation="horizontal">

        <Button
            android:id="@+id/btn_load"
            android:layout_width="wrap_content"
            android:layout_height="wrap_content"
            android:layout_weight="1"
            android:text="加載圖片"
            android:textSize="16sp" />

        <Button
            android:id="@+id/btn_gray"
            android:layout_width="wrap_content"
            android:layout_height="wrap_content"
            android:layout_marginStart="16dp"
            android:layout_weight="1"
            android:text="圖片灰度化"
            android:textSize="16sp" />

        <Button
            android:id="@+id/btn_binarization"
            android:layout_width="wrap_content"
            android:layout_height="wrap_content"
            android:layout_marginStart="16dp"
            android:layout_weight="1"
            android:text="圖片二值化"
            android:textSize="16sp" />
    </LinearLayout>
</LinearLayout>

class TestActivity : AppCompatActivity() {

    private val TAG = MainActivity::class.java.simpleName
    private lateinit var mBinding: ActivityTestBinding
    private var mBitmap: Bitmap? = null

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        mBinding = ActivityTestBinding.inflate(layoutInflater)
        setContentView(mBinding.root)

        //初始化OpenCV
        val initState = OpenCVLoader.initLocal()
        Log.d(TAG, "onCreate: OpenCV初始化$initState")

        mBinding.btnLoad.setOnClickListener {
            val intent = Intent()
            intent.setType("image/*")

            intent.setAction(Intent.ACTION_GET_CONTENT)
            startActivityForResult(intent, 20240104)
        }
        mBinding.btnGray.setOnClickListener {
            if (mBitmap == null) {
                return@setOnClickListener
            }
            //進(jìn)行灰度
            mBitmap?.run {
                val bitmap = Bitmap.createBitmap(this.width, this.height, Bitmap.Config.ARGB_8888)
                val srcMat = Mat()
                val dstMat = Mat()
                Utils.bitmapToMat(this, srcMat)
                Imgproc.cvtColor(srcMat, dstMat, Imgproc.COLOR_BGRA2GRAY)
                Utils.matToBitmap(dstMat, bitmap)
                runOnUiThread { mBinding.ivImage.setImageBitmap(bitmap) }
                srcMat.release()
                dstMat.release()
            }
        }
        mBinding.btnBinarization.setOnClickListener {
            if (mBitmap == null) {
                return@setOnClickListener
            }
            mBitmap?.run {
                val bitmap = Bitmap.createBitmap(this.width, this.height, Bitmap.Config.ARGB_8888)
                //先灰度
                val srcMat = Mat()
                val dstMat = Mat()
                Utils.bitmapToMat(this, srcMat)
                Imgproc.cvtColor(srcMat, dstMat, Imgproc.COLOR_BGRA2GRAY)
                val resultMat = Mat()
                Imgproc.threshold(dstMat, resultMat, 100.0, 255.0, Imgproc.THRESH_BINARY)
                Utils.matToBitmap(resultMat, bitmap)
                runOnUiThread { mBinding.ivImage.setImageBitmap(bitmap) }
                srcMat.release()
                dstMat.release()
                resultMat.release()
            }

        }
    }

    override fun onActivityResult(requestCode: Int, resultCode: Int, data: Intent?) {
        super.onActivityResult(requestCode, resultCode, data)
        if (requestCode == 20240104 && resultCode == RESULT_OK && data != null) {
            data.data?.run {
                mBitmap = BitmapFactory.decodeStream(contentResolver.openInputStream(this))
            }
            mBitmap?.run {
                mBinding.ivImage.setImageBitmap(this)
            }
        }
    }
}