【opencv学习笔记】031 之 矩概念与图像矩详解

目录

​​一、前言​​

​​二、矩概念详解​​

​​1、离散情况​​

​​2、连续情况​​

​​三、图像的几何矩​​

​​1、几何矩的概念​​

​​2、图像的p+q阶矩​​

​​3、HU矩​​

​​1.原点矩​​

​​2.中心矩​​

​​3.归一化中心矩​​

​​4、相关API​​

​​1.Moments类​​

​​2.moments函数​​

​​3.contourArea函数​​

​​4.arcLength函数​​

​​5、代码展示​​

​​6、执行结果​​

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一、前言

图像矩，opencv学习笔记的最后一个内容了。写完这个，学习笔记也就写完了，后续如果有精力，还会再写一些代码实战的，感谢大家的支持。

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二、矩概念详解

矩这个东西，能组成的名词太多了，矩形，就是长方形，矩阵，就是m行n列的二维数组，所以想了解矩，就要从其具体的场景中去理解。

今天我们要讲的图像矩，就是一个新的概念，图像矩就是图像的矩，这个概念来源于数学中的矩，所以我们要先来理解一下，数学中的矩。首先我们先来看一下它的定义和相关概念：

在数学和统计学中，矩（moment）是对变量分布和形态特点的一组度量。当所有的变量矩的定义是各点对某一固定点离差幂的平均值。n阶矩被定义为一变量的n次方与其概率密度函数（Probability Density Function, PDF）之积的积分。在文献中n阶矩通常用符号μn表示。

直接使用变量计算的矩被称为原始矩（raw moment），移除均值后计算的矩被称为中心矩（central moment）。

讲完了概念之后，我们从公式来直观的看一下矩到底长啥样。

1、离散情况

我们从矩的概念出发，我们先考虑离散情况：

假设有一个离散的随机变量X，用A表示一个常数，用k来表示幂（阶数）。那么我们有下面这个公式：

这个称为X关于点A的k阶矩。

如果这个常数A为0，我们把这个k阶矩称之为k阶原点矩。

如果这个常数A为X的均值E(X)，我们把这个k阶矩称之为k阶中心矩。

变量的一阶矩是数学期望（expectation），表示分布重心；

变量的二阶矩是方差（variance），表示离散程度；

变量的三阶矩是偏度（skewness），表示分布偏离对称的程度；

变量的四阶矩是峰度（kurtosis），描述分布的尖峰程度，例如正态分布峰态系数=0。

如果我们有两个离散随机变量：X,Y。A1，A2分别代表对应于两个随机变量的常数，用p，q表示幂（阶数），那么我们有下面的公式：

这个称为X，Y关于点A1，A2的p+q阶矩。

如果两个常数都是0，那么我们称之为p+q阶混合原点矩。

如果两个常数都是对应的均值，即A1=E(X)，A2=E(Y)，那么我们称之为p+q阶混合中心矩。

 

2、连续情况

接下来我们考虑连续情况：

假设有一个连续的随机变量x，其单变量的概率密度函数为f(x)，用A表示一个常数，用k来表示幂（阶数）。那么我们有下面这个公式：

这个称为X关于点A的k阶矩。

如果我们有两个连续的随机变量：x,y，两个变量的联合概率密度为f(x,y)。A1，A2分别代表对应于两个随机变量的常数，用p，q表示幂（阶数），那么我们有下面的公式：

这个称为x，y关于点A1，A2的p+q阶矩。

 

三、图像的几何矩

1、几何矩的概念

了解了矩的概念，我们接下来说一下图像的几何矩。在图像中，矩的概念如下：

矩是描述图像特征的算子。

这里的图像是单通道，也就是灰度图像，相当于一个矩阵，也就是上面提到的离散的情况。矩阵上每个位置的取值范围是0-255的整数。

2、图像的p+q阶矩

图像p+q阶矩的定义公式如下：

当p+q = 0时，为零阶矩：

当p+q = 1时，为一阶矩：

当p+q = 2时，为二阶矩：

通过上面的结果，我们也可以得到图像的重心坐标和图像的方向，这个时候的固定点为（0,0），所以：

图像的重心坐标为：

物体形状方向为：

3、HU矩

在图像矩中有HU矩，这是Hu在1962年提出的，主要有：

（1）原点矩

（2）中心矩

（3）归一化中心矩

 

1.原点矩

原点矩就是固定点的坐标为（0，0）。其公式如下：

 

2.中心矩

 

中心矩就是以固定点（x0,y0）为中心：

 

3.归一化中心矩

归一化中心矩就是对中心矩做归一化处理：

 

4、相关API

1.Moments类

在讲API之前，我们先说一下Moments类，它的定义如下：

class CV_EXPORTS_W_MAP Moments
{
public:
    //! the default constructor
    Moments();
    //! the full constructor
    Moments(double m00, double m10, double m01, double m20, double m11,
            double m02, double m30, double m21, double m12, double m03 );

    //! @name spatial moments
    CV_PROP_RW double  m00, m10, m01, m20, m11, m02, m30, m21, m12, m03;

    //! @name central moments
    CV_PROP_RW double  mu20, mu11, mu02, mu30, mu21, mu12, mu03;

    //! @name central normalized moments
    CV_PROP_RW double  nu20, nu11, nu02, nu30, nu21, nu12, nu03;
};

它有两个默认构造函数和三组double类型的数据，

第一组数据：spatial moments（空间矩）对应的是我们前面讲到的原点矩的零阶矩、一阶矩、二阶矩和三阶矩。

第二组数据：central moments（中心矩）对应的是我们前面讲到的中心矩的二阶矩和三阶矩。

第三组数据：central normalized moments（归一化中心矩）对应的是我们前面讲到的归一化中心矩的二阶矩和三阶矩。

 

2.moments函数

Moments moments( 
    InputArray array, 
    bool binaryImage = false 
);

函数参数含义如下：

（1）InputArray类型的array，输入的光栅图像（单通道、8位或浮点二维数组）或二维点的数组。

（2）bool类型的binaryImage，如果为true，则所有非零图像像素都被视为1。该参数仅用于图像。

3.contourArea函数

double contourArea( 
    InputArray contour, 
    bool oriented = false 
);

函数参数含义如下：

（1）InputArray类型的contour，二维点（轮廓顶点）的输入向量，存储在std：：vector或Mat中。

（2）bool类型的oriented，面向区域标志。如果为真，则函数将根据轮廓方向（顺时针或逆时针）返回带符号区域值。使用此功能，可以通过获取区域的符号来确定轮廓的方向。默认情况下，参数为false，这意味着返回绝对值。

4.arcLength函数

double arcLength( 
    InputArray curve, 
    bool closed 
);

函数参数含义如下：

（1）InputArray类型的curve，二维点的输入向量，存储在std：：vector或Mat中。

（2）bool类型的closed，指示曲线是否闭合的标志。

 

5、代码展示

 

#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <iostream>

using namespace std;
using namespace cv;

Mat src, gray_src;
int threshold_value = 80;
int threshold_max = 255;
const char* input_win = "【输入图像】";
const char* output_win = "【输出图像】";
const char* trackbar_title = "Threshold:";
RNG rng(12345);

void Demo_Moments(int, void*);
int main() {
  src = imread("E:/image/moments.png");
  if (!src.data)
  {
    cout << "could not load image !";
    waitKey(0);
    return -1;
  }
  cvtColor(src, gray_src, CV_BGR2GRAY);
  GaussianBlur(gray_src, gray_src, Size(3, 3), 0, 0);

  namedWindow(input_win, CV_WINDOW_AUTOSIZE);
  namedWindow(output_win, CV_WINDOW_AUTOSIZE);
  imshow(input_win, src);

  createTrackbar("Threshold", output_win, &threshold_value, threshold_max, Demo_Moments);
  Demo_Moments(0, 0);

  waitKey(0);
  return 0;
}

void Demo_Moments(int, void*) {
  Mat canny_output;
  vector<vector<Point>> contours;
  vector<Vec4i> hierachy;

  Canny(gray_src, canny_output, threshold_value, threshold_value * 2, 3, false);
  findContours(canny_output, contours, hierachy, RETR_TREE, CHAIN_APPROX_SIMPLE, Point(0, 0));

  vector<Moments> contours_moments(contours.size());
  vector<Point2f> ccs(contours.size());
  for (size_t i = 0; i < contours.size(); i++) {
    contours_moments[i] = moments(contours[i]);
    ccs[i] = Point(static_cast<float>(contours_moments[i].m10 / contours_moments[i].m00), static_cast<float>(contours_moments[i].m01 / contours_moments[i].m00));
  }

  Mat drawImg;// = Mat::zeros(src.size(), CV_8UC3);
  src.copyTo(drawImg);
  for (size_t i = 0; i < contours.size(); i++) {
    if (contours[i].size() < 100) {
      continue;
    }
    Scalar color = Scalar(rng.uniform(0, 255), rng.uniform(0, 255), rng.uniform(0, 255));
    printf("center point x : %.2f y : %.2f\n", ccs[i].x, ccs[i].y);
    printf("contours %d area : %.2f   arc length : %.2f\n", i, contourArea(contours[i]), arcLength(contours[i], true));
    drawContours(drawImg, contours, i, color, 1, 8, hierachy, 0, Point(0, 0));
    circle(drawImg, ccs[i], 1, color, 1, 8);
  }

  imshow(output_win, drawImg);
}

 

6、执行结果

center point x : 451.00 y : 295.00
contours 2 area : 6493.00   arc length : 307.08
center point x : 451.00 y : 295.00
contours 3 area : 6451.00   arc length : 304.74
center point x : 296.00 y : 296.00
contours 4 area : 7234.00   arc length : 318.39
center point x : 296.00 y : 296.00
contours 5 area : 7188.00   arc length : 316.05
center point x : 296.00 y : 296.00
contours 6 area : 5812.00   arc length : 285.42
center point x : 296.00 y : 296.00
contours 7 area : 5770.00   arc length : 283.08
center point x : 495.00 y : 196.00
contours 8 area : 7537.00   arc length : 326.39
center point x : 495.00 y : 196.00
contours 9 area : 7496.00   arc length : 324.05
center point x : 495.00 y : 196.00
contours 10 area : 6079.00   arc length : 293.42
center point x : 495.00 y : 196.00
contours 11 area : 6045.00   arc length : 291.08
center point x : 140.00 y : 158.00
contours 12 area : 9359.00   arc length : 367.36
center point x : 140.00 y : 158.00
contours 13 area : 9313.00   arc length : 365.02
center point x : 344.00 y : 128.00
contours 14 area : 5525.00   arc length : 306.45
center point x : 344.00 y : 127.00
contours 15 area : 5493.00   arc length : 304.11
center point x : 247.00 y : 90.00
contours 16 area : 6527.00   arc length : 317.28
center point x : 247.00 y : 90.00
contours 17 area : 6525.00   arc length : 314.94
center point x : 247.00 y : 90.00
contours 18 area : 5125.00   arc length : 281.97
center point x : 247.00 y : 90.00
contours 19 area : 5119.00   arc length : 279.62

大家也可以自己尝试一下呀，一定要多做练习！