python數位影像處理之高階形態學處理

這篇文章主要介紹了python數位影像處理之高階形態學處理，現在分享給大家，也給大家做個參考。一起過來看看吧

形態學處理，除了最基本的膨脹、腐蝕、開/閉運算、黑/白帽處理外，還有一些更高級的運用，如凸包，連通區域標記，刪除小塊區域等。

1、凸包

凸包是指一個凸多邊形，這個凸多邊形將圖片中所有的白色像素點都包含在內。

函數為：

skimage.morphology.convex_hull_image(image)

輸入為二值影像，輸出一個邏輯二值影像。在凸包內的點為True, 否則為False

例：

#

import matplotlib.pyplot as plt
from skimage import data,color,morphology

#生成二值测试图像
img=color.rgb2gray(data.horse())
img=(img<0.5)*1

chull = morphology.convex_hull_image(img)

#绘制轮廓
fig, axes = plt.subplots(1,2,figsize=(8,8))
ax0, ax1= axes.ravel()
ax0.imshow(img,plt.cm.gray)
ax0.set_title(&#39;original image&#39;)

ax1.imshow(chull,plt.cm.gray)
ax1.set_title(&#39;convex_hull image&#39;)

##convex_hull_image( )是將圖片中的所有目標看作一個整體，因此計算出來只有一個最小凸多邊形。如果圖中有多個目標物體，每個物體需要計算一個最小凸多邊形，則需要使用convex_hull_object（）函數。

函數格式：

skimage.morphology.convex_hull_object(image,neighbors=8 )

輸入參數image是二值影像，neighbors表示是採用4連通還是8連通，預設為8連通。

範例：

import matplotlib.pyplot as plt
from skimage import data,color,morphology,feature

#生成二值测试图像
img=color.rgb2gray(data.coins())
#检测canny边缘,得到二值图片
edgs=feature.canny(img, sigma=3, low_threshold=10, high_threshold=50) 

chull = morphology.convex_hull_object(edgs)

#绘制轮廓
fig, axes = plt.subplots(1,2,figsize=(8,8))
ax0, ax1= axes.ravel()
ax0.imshow(edgs,plt.cm.gray)
ax0.set_title('many objects')
ax1.imshow(chull,plt.cm.gray)
ax1.set_title('convex_hull image')
plt.show()

#2、連通區域標記

在二值影像中，如果兩個像素點相鄰且值相同（同為0或同為1），那麼就認為這兩個像素點在一個相互連通的區域內。而同一個連通區域的所有像素點，都用同一個數值來進行標記，這個過程就叫連通區域標記。在判斷兩個像素是否相鄰時，我們通常會採用4連通或8連通判斷。在影像中，最小的單位是像素，每個像素周圍有8個鄰接像素，常見的鄰接關係有2種：4鄰接與8鄰接。 4鄰接一共4個點，即上下左右，如下左圖所示。 8鄰接的點一共有8個，包括了對角線位置的點，如下右圖所示。

在skimage套件中，我們採用measure子模組下的label（）函數來實作連通區域標記。

函數格式：

skimage.measure.label（image,connectivity=None)

參數中的image表示需要處理的二值影像，connectivity表示連接的模式，1代表4鄰接，2代表8鄰接。

輸出一個標記數組（labels), 從0開始標記。

import numpy as np
import scipy.ndimage as ndi
from skimage import measure,color
import matplotlib.pyplot as plt

#编写一个函数来生成原始二值图像
def microstructure(l=256):
  n = 5
  x, y = np.ogrid[0:l, 0:l] #生成网络
  mask = np.zeros((l, l))
  generator = np.random.RandomState(1) #随机数种子
  points = l * generator.rand(2, n**2)
  mask[(points[0]).astype(np.int), (points[1]).astype(np.int)] = 1
  mask = ndi.gaussian_filter(mask, sigma=l/(4.*n)) #高斯滤波
  return mask > mask.mean()

data = microstructure(l=128)*1 #生成测试图片

labels=measure.label(data,connectivity=2) #8连通区域标记
dst=color.label2rgb(labels) #根据不同的标记显示不同的颜色
print('regions number:',labels.max()+1) #显示连通区域块数(从0开始标记)

fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2, figsize=(8, 4))
ax1.imshow(data, plt.cm.gray, interpolation='nearest')
ax1.axis('off')
ax2.imshow(dst,interpolation='nearest')
ax2.axis('off')

fig.tight_layout()
plt.show()

在程式碼中，有些地方乘以1，則可以將bool陣列快速地轉換為int陣列。

結果如圖：有10個連通的區域，標記為0-9

#如果想分別對每一個連通區域進行操作，例如計算面積、外接矩形、凸包面積等，則需要呼叫measure子模組的regionprops（）函數。此函數格式為：

skimage.measure.regionprops(label_image)

傳回所有連通區塊的屬性列表，常用的屬性列表如下表：

屬性名稱類型描述areaint 區域內像素點總數bboxtuple邊界外接方塊(min_row, min_col, max_row, max_col)centroidarray　　#質心座標convex_area#int凸包內像素點總數convex_image#ndarray與邊界外接方塊同大小的凸包#coordsndarray 區域內像素點座標Eccentricity float離心率equivalent_diameter float和區域面積相同的圓的直徑euler_number int　　區域歐拉數#extent float區域面積與邊界外接框面積的比率filled_areaint區域與外接方塊之間填滿的像素點總數perimeter float區域週長#label區域標記#

3、删除小块区域

有些时候，我们只需要一些大块区域，那些零散的、小块的区域，我们就需要删除掉，则可以使用morphology子模块的remove_small_objects（)函数。

函数格式：skimage.morphology.remove_small_objects(ar,min_size=64,connectivity=1,in_place=False)

参数：

ar: 待操作的bool型数组。

min_size: 最小连通区域尺寸，小于该尺寸的都将被删除。默认为64.

connectivity: 邻接模式，1表示4邻接，2表示8邻接

in_place: bool型值，如果为True,表示直接在输入图像中删除小块区域，否则进行复制后再删除。默认为False.

返回删除了小块区域的二值图像。

import numpy as np
import scipy.ndimage as ndi
from skimage import morphology
import matplotlib.pyplot as plt

#编写一个函数来生成原始二值图像
def microstructure(l=256):
  n = 5
  x, y = np.ogrid[0:l, 0:l] #生成网络
  mask = np.zeros((l, l))
  generator = np.random.RandomState(1) #随机数种子
  points = l * generator.rand(2, n**2)
  mask[(points[0]).astype(np.int), (points[1]).astype(np.int)] = 1
  mask = ndi.gaussian_filter(mask, sigma=l/(4.*n)) #高斯滤波
  return mask > mask.mean()

data = microstructure(l=128) #生成测试图片

dst=morphology.remove_small_objects(data,min_size=300,connectivity=1)

fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2, figsize=(8, 4))
ax1.imshow(data, plt.cm.gray, interpolation='nearest')
ax2.imshow(dst,plt.cm.gray,interpolation='nearest')

fig.tight_layout()
plt.show()

在此例中，我们将面积小于300的小块区域删除（由1变为0），结果如下图：

4、综合示例：阈值分割+闭运算+连通区域标记+删除小区块+分色显示

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.patches as mpatches
from skimage import data,filter,segmentation,measure,morphology,color

#加载并裁剪硬币图片
image = data.coins()[50:-50, 50:-50]

thresh =filter.threshold_otsu(image) #阈值分割
bw =morphology.closing(image > thresh, morphology.square(3)) #闭运算

cleared = bw.copy() #复制
segmentation.clear_border(cleared) #清除与边界相连的目标物

label_image =measure.label(cleared) #连通区域标记
borders = np.logical_xor(bw, cleared) #异或
label_image[borders] = -1
image_label_overlay =color.label2rgb(label_image, image=image) #不同标记用不同颜色显示

fig,(ax0,ax1)= plt.subplots(1,2, figsize=(8, 6))
ax0.imshow(cleared,plt.cm.gray)
ax1.imshow(image_label_overlay)

for region in measure.regionprops(label_image): #循环得到每一个连通区域属性集
  
  #忽略小区域
  if region.area < 100:
    continue

  #绘制外包矩形
  minr, minc, maxr, maxc = region.bbox
  rect = mpatches.Rectangle((minc, minr), maxc - minc, maxr - minr,
               fill=False, edgecolor=&#39;red&#39;, linewidth=2)
  ax1.add_patch(rect)
fig.tight_layout()
plt.show()

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