OpenCV基于Python图像轮廓分层及其检索模式

目标

在本篇文章中，我们将学习到轮廓的层次及轮廓层次中的4种检索模式，包括以下内容：

• 层次结构是什么？
• 层次结构在OpenCV中的表示
• 4种轮廓检索模式——RETR_LIST、RETR_EXTERNAL、RETR_CCOMP、RETR_TREE

1. 理论

在轮廓绘制及其特征文章中，我们已经讨论了与OpenCV提供的轮廓相关的几个函数，例如查找图像轮廓函数cv2.findContours()的语法格式如下 :

image,contours,hierarchy = cv2.findContours(image,mode,method)

该函数的各参数解释如下：

• 返回值：
  • image：与原始图像中的参数一致
  • countours : 返回的轮廓
  • hierarchy : 图像的轮廓层次信息
• 函数参数：
  • image : 原始图像(8位单通道,所有非零值被处理为1所有零值保持不变,即将灰度图像先采用阈值处理为二值图像)
  • mode : 轮廓检索模式
  • method : 轮廓的近似方法

注意： OpenCV4.x及以上版本的返回值中没有第一个参数image，即只有countours与hierarchy两个参数

从查找轮廓函数中不难发现，当我们使用cv.findcontour()函数在图像中找轮廓时，我们已经传递了一个参数，轮廓检索模式Contour Retrieval Mode，我们通常会传递cv.RETR_LIST或cv.RETR_TREE而且运行效果很好。但这到底意味着什么呢?

此外，在输出中，我们也得到了三个数组，第一个是图像，第二个是轮廓，还有一个是我们命名为hierarchy的输出(请检查前两篇文章中的代码)。但我们从未在任何地方使用过这种层次结构。那么这个层次结构是什么?它是用来做什么的?它与前面提到的函数参数又有什么关系?

这些问题正是本篇文章所要讨论的内容。

1.1 什么是层次结构

通常我们使用cv.findcontour()函数来检测图像中的对象。但有时对象会在不同的位置，在某些情况下，有一些形状会在其他形状中，就像是嵌套的图形。在这种情况下，我们把外部的形状称为父类，把内部的形状称为子类。这样，图像中的轮廓就有了一定的相互关系。我们可以指定一个轮廓是如何相互连接的，比如，这个轮廓另一个轮廓的子轮廓，还是父轮廓等等。这种关系的表示称为层次结构。

以下面这张图为例并思考其中对应的相互关系

图1 轮廓层次结构示意图

在这张图中，我按照顺序给轮廓从0-5开始编号，其中2和2a分别表示最外层盒子的外部和内部轮廓。

在这里，轮廓0, 1, 2在外部或最外面，即表示向外（external/outermost）轮廓。我们可以说，它们在层级-0（hierarchy-0）中，或者简单地说，它们在同一个层级（same hierarchy level）中。

注意： 为方便描述，本文中的“层次结构”含义等同“层级”。

其次是轮廓-2a。它可以被认为是轮廓-2的子级(或者反过来，轮廓-2是轮廓-2a的父级)。假设它在层级-1中。类似地，轮廓-3是轮廓-2的子级，它位于下一个层次结构中。最后，轮廓4,5是轮廓-3a的子级，他们在最后一个层级，从方框的编号来看，我认为轮廓-4是轮廓-3a的第一个子级(当然它也可以是轮廓-5)。

在这里我们提到的这些是为了理解一些术语，比如相同层级，外部轮廓，子轮廓，父轮廓，第一个子轮廓等等。现在让我们进入OpenCV。

1.2 OpenCV中的层次结构表示

综上所述可知，每个轮廓都有它自己的信息，如层次结构、谁是父轮廓，谁是子轮廓等等。OpenCV将这些信息表示为一个包含四个值的数组: [Next, Previous, First_Child, Parent]。

Next 表示同一层次上的下一个轮廓。“Next denotes next contour at the same hierarchical level.”、

例如，对于图1中的contour-0，谁是下一个同级别的轮廓？显然是contour-1，所以可以令Next = 1 。类似地，Contour-1同级轮廓中的下一个轮廓是contour-2，所以 令Next = 2 。那么contour-2呢？从上图1中我们可以看出同级别中没有下一个轮廓存在了，其实也很简单，我们直接令 Next = -1。那么contour-4呢？在图1中它与contour-5处于同一级别，所以它的下个轮廓是contour-5，也就是说 Next = 5。

Previous 表示同一层次上的前一个轮廓。“Previous denotes previous contour at the same hierarchical level.”

与上面的分析一样，轮廓contour-1 在同级别的前一个轮廓就是contour-0。类似地，contour-2 同级别的前一个轮廓是 contour-1。对于contour-0，没有前一个轮廓，所以令Previous= -1。

First_Child表示它的第一个子轮廓。"First_Child denotes its first child contour.”

这里不需要额外的解释，从图中可以看出，对于contour-2的子轮廓是contour-2a，所以它被称作contour-2a，2a 即对应的索引值。那么contour-3a呢？它有两个子轮廓，但我们只关注第一个子轮廓，它是contour-4，那么对contour-3a而言，第一个子轮廓表示为First_Child = 4。

Parent表示其父轮廓的索引。 “Parent denotes index of its parent contour.”

与First_Child 的相反，对于contour-4和contour-5，父轮廓线都是contour-3a，对于contour-3a，父轮廓线是-3，以此类推。

要点提示： 如果某轮廓没有子轮廓（First_Child）或父轮廓（Parent），则该字段被视为-1

现在我们已经知道了OpenCV中使用的层次样式，接下来我们借助上面给出的同一图像来学习OpenCV中的轮廓检索模式，如 cv.RETR_LIST，cv.RETR_TREE，cv.RETR_CCOMP， cv.RETR_EXTERNAL的含义。

2. 轮廓检索模式

2.1 RETR_LIST

这是四个标志中最简单的一个(从解释的角度来看)。它只是检索所有的轮廓，但不创建任何亲子关系。在这个模式下，父轮廓和子轮廓是平等的，