【图像处理】OpenCV+Python图像处理入门教程（四）几何变换

这篇随笔介绍使用OpenCV进行图像处理的第四章 几何变换。

4  几何变换

图像的几何变换是指将一幅图像映射到另一幅图像内。有缩放、翻转、仿射变换、透视、重映射等操作。

4.1  缩放

使用cv2.resize()函数实现对图像的缩放，但要注意cv2.resize()函数内的dsize参数与原图像的行列属性是相反的，也就是：目标图像的行数是原始图像的列数，目标图像的列数是原始图像的行数。

下面举例说明cv2.resize()函数的用法：

1 import cv2
2 img=cv2.imread('E:/python_opencv/tupian.jpg')
3 rows,cols=img.shape[0:2]   #行数和列数等于img的长度和宽度
4 size=(int(cols*0.9),int(rows*0.5))   #比例：列变为原来0.9倍，行变为0.5倍
5 rst=cv2.resize(img,size)   #将img按size比例缩放
6 print('img.shape=',img.shape)
7 print('rst.shape=',rst.shape)

运行程序的结果如下：

img.shape=(600,60,3)
rst.shape=(300,54,3)

可以看出，行数变为原来的0.5倍，列数变为原来的0.9倍。代码中size的行列位置发生了交换。

4.2  翻转

使用cv2.flip()函数对图像翻转，能够实现水平方向翻转、垂直方向翻转、两个方向同时翻转。

下面举例说明cv2.flip()函数的用法：

 1 import cv2
 2 img=cv2.imread('E:/python_opencv/tupian.jpg')
 3 x=cv2.flip(img,0)      #图x对原图像绕x轴翻转
 4 y=cv2.flip(img,1)      #图y对原图像绕y轴翻转
 5 xy=cv2.flip(img,-1)    #图xy对原图像绕x轴y轴同时翻转
 6 cv2.imshow('img',img)
 7 cv2.imshow('x',x)
 8 cv2.imshow('y',y)
 9 cv2.imshow('xy',xy)
10 cv2.waitKey()
11 cv2.destroyAllWindows()

程序运行结果如下四幅图，第一幅是原图，第二幅是绕x轴翻转，第三幅是绕y轴翻转，第四幅是绕x轴y轴同时翻转。

4.3  仿射

仿射变换是指图像实现平移、旋转等操作。

先设置一个变换矩阵M，然后使用cv2.warpAffine()函数对原图像和变换矩阵M进行仿射操作。

（一）平移

要实现图像的平移，我们先自定义一个转换矩阵，再进行仿射平移变换。例程如下：

 1 import cv2
 2 import numpy as np
 3 img=cv2.imread('E:\python_opencv/tupian.jpg')
 4 height,width=img.shape[:2]         #读取原图像的长和宽
 5 x=100                                           #自定义转换矩阵M的x轴移动值
 6 y=200                                           #自定义转换矩阵M的y轴移动值
 7 M=np.float32([[1,0,x],[0,1,y]])       #构造转换矩阵M
 8 move=cv2.warpAffine(img,M,(width,height))   #平移映射
 9 cv2.imshow('orginal',img)
10 cv2.imshow('move',move)
11 cv2.waitKey()
12 cv2.destroyAllWindows()

程序运行结果如下图所示，左为原图，右为平移后的图。

（二）旋转

使用函数cv2.getRotationMatrix2D()获得转移矩阵M，然后使用函数cv2.warpAffine()进行仿射旋转变换。例程如下：

1 import cv2
2 img=cv2.imread('E:\python_opencv/tupian.jpg')
3 height,width=img.shape[:2]   #读取原图像的长和宽
4 M=cv2.getRotationMatrix2D((width/2,height/2),45,0.6)   #以中心为原点，逆时针旋转45°，且缩小为原图的0.6倍，获得转移矩阵M
5 rotate=cv2.warpAffine(img,M,(width,height))   #旋转映射
6 cv2.imshow('original',img)
7 cv2.imshow('rotation',rotate)
8 cv2.waitKey()
9 cv2.destroyAllWindows()

程序运行结果如下图所示，左为原图，右为旋转后的图。

4.4  透视

透视变换是指将矩阵图形投影到另一个视平面，可以映射为任意四边形，所以透视变换也被称为投影映射（Projection Mapping），并不是字面意义上的“透视”。透视与上节的仿射不同，仿射可以将矩阵映射为任意平行四边形。

使用cv2.warpPerspective()函数实现透视变换。例程如下：

 1 #完成图像透视
 2 import cv2
 3 import numpy as np
 4 img=cv2.imread('E:/python_opencv/tupian.jpg')
 5 rows,cols=img.shape[:2]      #读取原图像的长和宽
 6 print(rows,cols)
 7 #生成旋转矩阵M
 8 pts1=np.float32([[150,50],[400,50],[60,450],[310,450]])
 9 pts2=np.float32([[50,50],[rows-50,50],[50,cols-50],[rows-50,cols-50]])
10 M=cv2.getPerspectiveTransform(pts1,pts2)
11 #使用函数cv2.warpPerspective()进行透视变换
12 dst=cv2.warpPerspective(img,M,(cols,rows))
13 cv2.imshow('img',img)
14 cv2.imshow('dst',dst)
15 cv2.waitKey()
16 cv2.destroyAllWindows()

程序运行结果如下图所示，左为原图，右为透视变换的图。

我们可以看到，原图片经过透视映射后，变成另一个视角下的任意四边形了。

4.5  重映射

重映射是修改了像素点的位置，从而生成一幅新的图像，包括：复制、绕x轴y轴翻转，x轴y轴互换，图像缩放等。

均使用cv2.remap()重映射函数进行操作。

需要注意cv2.remap()中的两个参数mapx、mapy。mapx表示对应位置上x轴坐标值，mapy表示对应位置上y轴坐标值。

（一）复制

使用cv2.remap()函数完成图像复制，需先定义mapx，mapy的值，然后循环映射每个像素点到对应的位置上。

代码如下：

 1 import cv2
 2 import numpy as np
 3 img=cv2.imread('E:/python_opencv/tupian.jpg')
 4 rows,cols=img.shape[:2]                  #读取行列数
 5 mapx=np.zeros(img.shape[:2],np.float32)  #mapx参数设定为对应位置上的x轴坐标值
 6 mapy=np.zeros(img.shape[:2],np.float32)  #mapy参数设定为对应位置上的y轴坐标值
 7 for i in range(rows):                    #对每个元素复制映射
 8     for j in range(cols):
 9         mapx.itemset((i,j),j)
10         mapy.itemset((i,j),i)
11 rst=cv2.remap(img,mapx,mapy,cv2.INTER_LINEAR)
12 cv2.imshow('original',img)
13 cv2.imshow('result',rst)
14 cv2.waitKey()
15 cv2.destroyAllWindows()

执行后结果如下所示，可以看到，实现了图像的复制重映射。

（二）绕x轴翻转

重映射法对图像绕x轴翻转，表明mapx的值保持不变，mapy的值调整为总行数-1-当前行号，其余部分代码不变，所以循环体内代码变为：

1 for i in range(rows):
2     for j in range(cols):
3         mapx.itemset((i,j),j)           #mapx的值保持不变
4         mapy.itemset((i,j),rows-1-i)    #mapy的值调整为总行数-1-当前行号

（三）绕y轴翻转

重映射法对图像绕y轴翻转，表明mapx的值调整为总行数-1-当前列号，mapy的值保持不变，所以循环体内代码变为：

1 for i in range(rows):
2     for j in range(cols):
3         mapx.itemset((i,j),cols-1-j)    #mapx的值调整为总列数-1-当前列号
4         mapy.itemset((i,j),i)           #mapy的值保持不变

（四）绕x轴y轴翻转

重映射也能实现图像绕x轴和y轴的同时翻转，只需将前两个部分合并，使mapx的值调整为总行数-1-当前列号，mapy的值调整为总行数-1-当前行号。例程如下：

 1 import cv2
 2 import numpy as np
 3 img=cv2.imread('E:\python_opencv/tupian.jpg')
 4 rows,cols=img.shape[:2]
 5 mapx=np.zeros(img.shape[:2],np.float32)
 6 mapy=np.zeros(img.shape[:2],np.float32)
 7 for i in range(rows):
 8     for j in range(cols):
 9         mapx.itemset((i,j),cols-1-j)    #mapx的值调整为总列数-1-当前列号
10         mapy.itemset((i,j),rows-1-i)   #mapy的值调整为总行数-1-当前行号
11 rst=cv2.remap(img,mapx,mapy,cv2.INTER_LINEAR)
12 cv2.imshow('original',img)
13 cv2.imshow('result',rst)
14 cv2.waitKey()
15 cv2.destroyAllWindows()

执行后结果如下所示，可以看到，实现了图像的绕x轴和y轴翻转重映射过程。

（五）x轴、y轴互换

重映射中，x轴、y轴互换表明，mapx的值变为所在行的行号，mapy的值变为所在列的列号。

但当行数和列数不一致时，行或列无法完成映射的部分就被处理为0。示例代码如下：

 1 #使用函数cv2.remap()实现图像绕x轴和y轴的互换
 2 import cv2
 3 import numpy as np
 4 img=cv2.imread('E:\python_opencv/tupian.jpg')
 5 rows,cols=img.shape[:2]
 6 mapx=np.zeros(img.shape[:2],np.float32)
 7 mapy=np.zeros(img.shape[:2],np.float32)
 8 for i in range(rows):
 9     for j in range(cols):
10         mapx.itemset((i,j),i)    #mapx的值变为所在行的行号
11         mapy.itemset((i,j),j)    #mapy的值变为所在列的列号
12 rst=cv2.remap(img,mapx,mapy,cv2.INTER_LINEAR)
13 cv2.imshow('original',img)
14 cv2.imshow('result',rst)
15 cv2.waitKey()
16 cv2.destroyAllWindows()

结果如图：

可以看到，列数多于行数的部分被置为0（黑色）。

（六）图像的缩放

重映射提供了cv2.remap()函数能够实现图像的放大或缩小。处理图像后，可以将图像固定在围绕其中心的某个区域。

下面例程中，x轴和y轴均缩小为原来的0.25-0.75倍之间。

 1 import cv2
 2 import numpy as np
 3 img=cv2.imread('E:\python_opencv/tupian.jpg')
 4 rows,cols=img.shape[:2]
 5 mapx=np.zeros(img.shape[:2],np.float32)
 6 mapy=np.zeros(img.shape[:2],np.float32)
 7 for i in range(rows):
 8     for j in range(cols):
 9         if 0.25*cols < i < 0.75*cols and 0.25*rows < i < 0.75*rows:
10             #在目标图像的x轴(0.25-0.75)倍之内生成缩小图像
11             mapx.itemset((i,j),2*(j-0.25*cols)+0.5)
12             #在目标图像的y轴(0.25-0.75)倍之内生成缩小图像
13             mapy.itemset((i,j),2*(i-rows*0.25)+0.5)
14         else:
15             #不在上述区域的点都取(0,0)坐标点的值
16             mapx.itemset((i,j),0)
17             mapy.itemset((i,j),0)
18 rst=cv2.remap(img,mapx,mapy,cv2.INTER_LINEAR)   #图像缩放重映射
19 cv2.imshow('original',img)
20 cv2.imshow('result',rst)
21 cv2.waitKey()
22 cv2.destroyAllWindows()

图像缩放重映射结果如下：

这次内容就分享到这里了，下次继续更新第5章 图像阈值处理，希望与各位老师和小伙伴们交流学习~