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OpenCV图像形态学操作

web 2025/8/22 20:04:54

一、基础形态学操作及代码实现

1.图像腐蚀

2.图像膨胀

3.开运算与闭运算

4.梯度运算

5.顶帽和黑帽

二、形态学操作的扩展应用与参数调整

1.结构元素的多样化选择

2.形态学操作的链式应用

3.迭代次数对结果的影响

4.二值图像与灰度图像的处理差异

三、总结与实践建议

一、核心概念：结构元素（Kernel）

结构元素是形态学操作的 "工具"，通常是一个由 0 和 1 组成的矩阵（如 3×3、4×4 的矩形）。操作时，结构元素会遍历图像的每个像素，根据结构元素与对应区域像素的关系（完全覆盖、部分覆盖等）决定输出像素的值。

二、基础形态学操作及代码实现

1.图像腐蚀

原理：
腐蚀操作会使前景物体边界向内收缩。其核心逻辑是：用结构元素遍历图像，当结构元素的所有像素都完全处于前景区域（即结构元素与前景完全重叠）时，才保留结构元素中心位置的像素为前景；否则将该像素设为背景。

效果：可消除小噪声、断开细连接、减小物体尺寸。

代码实现：

import cv2
import numpy as np# 腐蚀函数：cv2.erode(src, kernel, dst, anchor, iterations, borderType, borderValue)
# 参数说明：
# src: 输入图像
# kernel: 结构元素，若为Mat()则默认3×3矩形
# iterations: 迭代次数，次数越多腐蚀效果越明显sun = cv2.imread('sun.png')
cv2.imshow('src', sun)
cv2.waitKey(0)kernel = np.ones((4, 4), np.uint8)  # 定义4×4结构元素
erosion_1 = cv2.erode(sun, kernel, iterations=2)  # 迭代2次腐蚀
cv2.imshow('erosion_1', erosion_1)
cv2.waitKey(0)

2.图像膨胀

原理：
膨胀与腐蚀相反，会使前景物体边界向外扩张。核心逻辑是：用结构元素遍历图像，当结构元素与前景区域有任何重叠（即结构元素至少有一个像素落在前景中）时，就将结构元素中心位置的像素设为前景。

效果：可填补小缝隙、连接断开的物体、增大物体尺寸。

代码实现：

# 膨胀函数：cv2.dilate(img, kernel, iteration)
# 参数说明：
# img: 目标图片
# kernel: 操作内核，默认3×3矩阵
# iterations: 膨胀次数，默认1wenzi = cv2.imread('wenzi.png')
cv2.imshow('src1', wenzi)
cv2.waitKey(0)kernel = np.ones((4, 4), np.uint8)  # 定义4×4结构元素
wenzi_new = cv2.dilate(wenzi, kernel, iterations=2)  # 迭代2次膨胀
cv2.imshow('wenzi_new', wenzi_new)
cv2.waitKey(0)

3.开运算与闭运算

开运算：先腐蚀后膨胀，用于平滑轮廓、断开窄颈、消除细突起
闭运算：先膨胀后腐蚀，用于弥合间断、消除孔洞、填补轮廓断裂

# 开运算示例（指纹去噪）
zhiwen = cv2.imread('zhiwen.png')
cv2.imshow('src2', zhiwen)
cv2.waitKey(0)kernel = np.ones((2, 2), np.uint8)  # 2×2结构元素
zhiwen_open = cv2.morphologyEx(zhiwen, cv2.MORPH_OPEN, kernel)  # 开运算
cv2.imshow('zhiwen_open', zhiwen_open)
cv2.waitKey(0)# 闭运算示例（指纹补全）
zhiwen_duan = cv2.imread('zhiwen_duan.png')
cv2.imshow('src3', zhiwen_duan)
cv2.waitKey(0)kernel = np.ones((4, 4), np.uint8)  # 4×4结构元素
zhiwen_close = cv2.morphologyEx(zhiwen_duan, cv2.MORPH_CLOSE, kernel)  # 闭运算
cv2.imshow('zhiwen_close', zhiwen_close)
cv2.waitKey(0)

4.梯度运算

梯度运算 = 膨胀结果 - 腐蚀结果，用于突出图像中强度变化剧烈的区域（提取边缘）。

wenzi = cv2.imread('wenzi.png')
cv2.imshow('wenzi_original', wenzi)
cv2.waitKey(0)kernel = np.ones((2, 2), np.uint8)  # 2×2结构元素# 单独展示膨胀和腐蚀结果
pz_wenzi = cv2.dilate(wenzi, kernel, iterations=1)
cv2.imshow('dilated', pz_wenzi)
cv2.waitKey(0)fs_wenzi = cv2.erode(wenzi, kernel, iterations=1)
cv2.imshow('eroded', fs_wenzi)
cv2.waitKey(0)# 梯度运算提取边缘
bianyuan = cv2.morphologyEx(wenzi, cv2.MORPH_GRADIENT, kernel)
cv2.imshow('edge_gradient', bianyuan)
cv2.waitKey(0)

5.顶帽和黑帽

顶帽：原始图像 - 开运算结果，用于提取图像中比周围亮的细节
黑帽：闭运算结果 - 原始图像，用于提取图像中比周围暗的细节

sun = cv2.imread('sun.png')
cv2.imshow('sun_original', sun)
cv2.waitKey(0)kernel = np.ones((2, 2), np.uint8)  # 2×2结构元素# 开运算结果
open_sun = cv2.morphologyEx(sun, cv2.MORPH_OPEN, kernel)
cv2.imshow('open_sun', open_sun)
cv2.waitKey(0)# 顶帽运算
tophat = cv2.morphologyEx(sun, cv2.MORPH_TOPHAT, kernel)
cv2.imshow('TOPHAT', tophat)
cv2.waitKey(0)# 闭运算结果
close_sun = cv2.morphologyEx(sun, cv2.MORPH_CLOSE, kernel)
cv2.imshow('close_sun', close_sun)
cv2.waitKey(0)# 黑帽运算
blackhat = cv2.morphologyEx(sun, cv2.MORPH_BLACKHAT, kernel)
cv2.imshow('BLACKHAT', blackhat)
cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()

三、形态学操作的扩展应用与参数调整

1.结构元素的多样化选择

除了代码中使用的矩形结构元素，OpenCV 还支持自定义形状：

# 矩形结构元素（默认）
rect_kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_RECT, (5, 5))
# 十字形结构元素（对线性特征敏感）
cross_kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_CROSS, (5, 5))
# 椭圆形结构元素（平滑处理曲线）
ellipse_kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_ELLIPSE, (5, 5))print("矩形核:\n", rect_kernel)
print("十字核:\n", cross_kernel)
print("椭圆核:\n", ellipse_kernel)

矩形核:[[1 1 1 1 1][1 1 1 1 1][1 1 1 1 1][1 1 1 1 1][1 1 1 1 1]]
十字核:[[0 0 1 0 0][0 0 1 0 0][1 1 1 1 1][0 0 1 0 0][0 0 1 0 0]]
椭圆核:[[0 0 1 0 0][1 1 1 1 1][1 1 1 1 1][1 1 1 1 1][0 0 1 0 0]]

2.形态学操作的链式应用

组合多种操作处理复杂图像，例如先去噪再提取边缘：

def add_peppersalt_noise(image, n=10000):result = image.copy()h, w = image.shape[:2]  # 获取图片的高和宽for i in range(n):  # 生成n个椒盐噪声x = np.random.randint(low=1, high=h)y = np.random.randint(low=1, high=w)if np.random.randint(low=0, high=2) == 0:result[x, y] = 0else:result[x, y] = 255return resultnoise_image = cv2.imread('../opencv/sun.png')
cv2.imwrite('noise.png', add_peppersalt_noise(noise_image))
# 读取带噪声的图像
noise_img = cv2.imread('noise.png', 0)  # 灰度图读取
cv2.imshow('带噪声原图', noise_img)
cv2.imwrite('noise_img.png', noise_img)
cv2.waitKey(0)# 1. 开运算去噪
kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_ELLIPSE, (3, 3))
denoised = cv2.morphologyEx(noise_img, cv2.MORPH_OPEN, kernel)
cv2.imshow('去噪后', denoised)
cv2.imwrite('denoised.png', denoised)
cv2.waitKey(0)# 2. 梯度运算提取边缘
edge = cv2.morphologyEx(denoised, cv2.MORPH_GRADIENT, kernel)
cv2.imshow('提取的边缘', edge)
cv2.imwrite('edge.png', edge)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

3.迭代次数对结果的影响

迭代次数直接影响操作强度：

img = cv2.imread('../opencv/sun.png', 0)
kernel = np.ones((3, 3), np.uint8)# 不同迭代次数的腐蚀效果
erosion_1 = cv2.erode(img, kernel, iterations=1)
erosion_7 = cv2.erode(img, kernel, iterations=7)
erosion_15 = cv2.erode(img, kernel, iterations=15)cv2.imshow('迭代1次', erosion_1)
cv2.imwrite('erosion1.jpg', erosion_1)
cv2.imshow('迭代7次', erosion_7)
cv2.imwrite('erosion7.jpg', erosion_7)
cv2.imshow('迭代15次', erosion_15)
cv2.imwrite('erosion15.jpg', erosion_15)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

现象：迭代次数越多，前景收缩越明显（腐蚀）或扩张越显著（膨胀）。

4.二值图像与灰度图像的处理差异

二值图像（0 和 255）：直接改变前景与背景分布，效果最明显
灰度图像：基于灰度值操作（腐蚀取最小值，膨胀取最大值）

# 灰度图膨胀示例
gray_img = cv2.imread('gray_image.png', 0)
kernel = np.ones((3, 3), np.uint8)
gray_dilate = cv2.dilate(gray_img, kernel, iterations=1)cv2.imshow('灰度原图', gray_img)
cv2.imshow('灰度膨胀后', gray_dilate)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()