Python經(jīng)典案例之圖像漫水填充分割詳解
一.圖像漫水填充
圖像漫水填充(FloodFill)是指用一種特定的顏色填充聯(lián)通區(qū)域,通過設置可連通像素的上下限以及連通方式來達到不同的填充效果。漫水填充通常被用來標記或分離圖像的一部分以便對其進行深入的處理或分析。
圖像漫水填充主要是遴選出與種子點聯(lián)通且顏色相近的像素點,接著對像素點的值進行處理。如果遇到掩碼,則根據(jù)掩碼進行處理。其原理類似Photoshop的魔術棒選擇工具,漫水填充將查找和種子點聯(lián)通的顏色相同的點,而魔術棒選擇工具是查找和種子點聯(lián)通的顏色相近的點,將和初始種子像素顏色相近的點壓進棧作為新種子?;竟ぷ鞑襟E如下:
- 選定種子點(x,y);
- 檢查種子點的顏色,如果該點顏色與周圍連接點的顏色不相同,則將周圍點顏色設置為該點顏色;如果相同則不做處理。但是周圍點不一定都會變成和種子點的顏色相同,如果周圍連接點在給定的范圍(從loDiff到upDiff)內(nèi)或在種子點的像素范圍內(nèi)才會改變顏色;
- 檢測其他連接點,進行第2個步驟的處理,直到?jīng)]有連接點,即到達檢測區(qū)域邊界停止。
二.圖像漫水填充分割實現(xiàn)
在OpenCV中,主要通過floodFill()函數(shù)實現(xiàn)漫水填充分割,它將用指定的顏色從種子點開始填充一個連接域。其函數(shù)原型如下所示:
floodFill(image, mask, seedPoint, newVal[, loDiff[, upDiff[, flags]]])
– image表示輸入/輸出1通道或3通道,6位或浮點圖像
– mask表示操作掩碼,必須為8位單通道圖像,其長寬都比輸入圖像大兩個像素點。注意,漫水填充不會填充掩膜mask的非零像素區(qū)域,mask中與輸入圖像(x,y)像素點相對應的點的坐標為(x+1,y+1)。
– seedPoint為Point類型,表示漫水填充算法的起始點
– newVal表示像素點被染色的值,即在重繪區(qū)域像素的新值
– loDiff表示當前觀察像素值與其部件鄰域像素值或待加入該部件的種子像素之間的亮度或顏色之負差的最大值,默認值為Scalar( )
– upDiff表示當前觀察像素值與其部件鄰域像素值或待加入該部件的種子像素之間的亮度或顏色之正差的最大值,默認值為Scalar( )
– flags表示操作標識符,此參數(shù)包括三個部分:低八位0-7bit表示鄰接性(4鄰接或8鄰接);中間八位8-15bit表示掩碼的填充顏色,如果中間八位為0則掩碼用1來填充;高八位16-31bit表示填充模式,可以為0或者以下兩種標志符的組合,F(xiàn)LOODFILL_FIXED_RANGE表示此標志會考慮當前像素與種子像素之間的差,否則就考慮當前像素與相鄰像素的差。FLOODFILL_MASK_ONLY表示函數(shù)不會去填充改變原始圖像,而是去填充掩碼圖像mask,mask指定的位置為零時才填充,不為零不填充。
在Python和OpenCV實現(xiàn)代碼中,它設置種子點位置為(10,200);設置顏色為黃色(0,255,255);連通區(qū)范圍設定為loDiff和upDiff;標記參數(shù)設置為CV_FLOODFILL_FIXED_RANGE ,它表示待處理的像素點與種子點作比較,在范圍之內(nèi),則填充此像素,即種子漫水填充滿足:
src(seed.x, seed.y) - loDiff <= src(x, y) <= src(seed.x, seed.y) +upDiff
完整代碼如下:
# -*- coding: utf-8 -*-
# By: Eastmount
import cv2
import numpy as np
#讀取原始圖像
img = cv2.imread('windows.png')
#獲取圖像行和列
rows, cols = img.shape[:2]
#目標圖像
dst = img.copy()
#mask必須行和列都加2且必須為uint8單通道陣列
#mask多出來的2可以保證掃描的邊界上的像素都會被處理
mask = np.zeros([rows+2, cols+2], np.uint8)
#圖像漫水填充處理
#種子點位置(30,30) 設置顏色(0,255,255) 連通區(qū)范圍設定loDiff upDiff
#src(seed.x, seed.y) - loDiff <= src(x, y) <= src(seed.x, seed.y) +upDiff
cv2.floodFill(dst, mask, (30, 30), (0, 255, 255),
(100, 100, 100), (50, 50, 50),
cv2.FLOODFILL_FIXED_RANGE)
#顯示圖像
cv2.imshow('src', img)
cv2.imshow('dst', dst)
cv2.waitKey()
cv2.destroyAllWindows()
輸出結果如圖1所示,左邊為原始圖像,右邊為將Windows圖標周圍填充為黃色的圖像。

三.圖像漫水填充分割自動軟件
下面補充另一段代碼,它將打開一幅圖像,點擊鼠標選擇種子節(jié)點,移動滾動條設定連通區(qū)范圍的loDiff和upDiff值,并產(chǎn)生動態(tài)的漫水填充分割。
注意,該部分代碼中涉及鼠標、鍵盤、滾動條等操作,希望讀者下來學習相關知識,該系列文章更多是講解Python圖像處理的算法原理及代碼實現(xiàn)。
# coding:utf-8
import cv2
import random
import sys
import numpy as np
#使用說明 點擊鼠標選擇種子點
help_message = '''USAGE: floodfill.py [<image>]
Click on the image to set seed point
Keys:
f - toggle floating range
c - toggle 4/8 connectivity
ESC - exit
'''
if __name__ == '__main__':
#輸出提示文本
print(help_message)
#讀取原始圖像
img = cv2.imread('scenery.png')
#獲取圖像高和寬
h, w = img.shape[:2]
#設置掩碼 長和寬都比輸入圖像多兩個像素點
mask = np.zeros((h+2, w+2), np.uint8)
#設置種子節(jié)點和4鄰接
seed_pt = None
fixed_range = True
connectivity = 4
#圖像漫水填充分割更新函數(shù)
def update(dummy=None):
if seed_pt is None:
cv2.imshow('floodfill', img)
return
#建立圖像副本并漫水填充
flooded = img.copy()
mask[:] = 0 #掩碼初始為全0
lo = cv2.getTrackbarPos('lo', 'floodfill') #像素鄰域負差最大值
hi = cv2.getTrackbarPos('hi', 'floodfill') #像素鄰域正差最大值
print('lo=', lo, 'hi=', hi)
#低位比特包含連通值 4 (缺省) 或 8
flags = connectivity
#考慮當前像素與種子像素之間的差(高比特也可以為0)
if fixed_range:
flags |= cv2.FLOODFILL_FIXED_RANGE
#以白色進行漫水填充
cv2.floodFill(flooded, mask, seed_pt,
(random.randint(0,255), random.randint(0,255),
random.randint(0,255)), (lo,)*3, (hi,)*3, flags)
#選定基準點用紅色圓點標出
cv2.circle(flooded, seed_pt, 2, (0, 0, 255), -1)
print("send_pt=", seed_pt)
#顯示圖像
cv2.imshow('floodfill', flooded)
#鼠標響應函數(shù)
def onmouse(event, x, y, flags, param):
global seed_pt #基準點
#鼠標左鍵響應選擇漫水填充基準點
if flags & cv2.EVENT_FLAG_LBUTTON:
seed_pt = x, y
update()
#執(zhí)行圖像漫水填充分割更新操作
update()
#鼠標更新操作
cv2.setMouseCallback('floodfill', onmouse)
#設置進度條
cv2.createTrackbar('lo', 'floodfill', 20, 255, update)
cv2.createTrackbar('hi', 'floodfill', 20, 255, update)
#按鍵響應操作
while True:
ch = 0xFF & cv2.waitKey()
#退出
if ch == 27:
break
#選定時flags的高位比特位0
#鄰域的選定為當前像素與相鄰像素的差, 聯(lián)通區(qū)域會很大
if ch == ord('f'):
fixed_range = not fixed_range
print('using %s range' % ('floating', 'fixed')[fixed_range])
update()
#選擇4方向或則8方向種子擴散
if ch == ord('c'):
connectivity = 12-connectivity
print('connectivity =', connectivity)
update()
cv2.destroyAllWindows()
當鼠標選定的種子點為(242,96),觀察點像素鄰域負差最大值“lo”為138,觀察點像素鄰域正差最大值“hi”為147時,圖像漫水填充效果如圖2所示,它將天空和中心水面填充成黃色。

當鼠標選定的種子點為(328, 202),觀察點像素鄰域負差最大值“lo”為142,觀察點像素鄰域正差最大值“hi”為45時,圖像漫水填充效果如圖3所示,它將圖像兩旁的森林和水面填充成藍紫色。

四.總結
寫到這里,圖像分割知識點就介紹完畢,包括基于閾值的圖像分割方法、基于邊緣檢測的圖像分割方法、基于紋理背景的圖像分割方法和基于特定理論的圖像分割方法。其中,基于特定理論的分割方法又分別講解了基于K-Means聚類、均值漂移、分水嶺算法的圖像分割方法。最后通過漫水填充分割案例加深了讀者的印象。希望讀者能結合本章知識點,圍繞自己的研究領域或工程項目進行深入的學習,實現(xiàn)所需的圖像處理。
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