用OpenCV进行透视变换

本文介绍了透视变换在图像处理中的应用,通过单应矩阵实现图像的几何变换。通过示例展示了如何使用skimage库计算单应矩阵并进行透视变换,最后讨论了如何优化输出效果,包括裁剪多余像素,以获得理想的自上而下的视图。

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1. 引言

欢迎回来!今天我们将焦点聚焦在我在图像处理中最喜欢的话题之一——透视变换。使用该技术,可以灵活方便的实现各种各样好玩的特效。

闲话少说,我们直接开始吧!

2. 单应矩阵

我们首先展开对单应矩阵的深入研究。作为图像处理的基本工具,它在捕捉图像中的几何变换方面发挥着至关重要的作用。更具体地说,它是实现透视变换的秘密武器。

单应矩阵被定义为图像的两个平面投影之间的映射。它由齐次坐标空间中的3x3变换矩阵表示。这些变换可以是旋转、平移、缩放等操作的组合。

我们用示意图总结如下:
在这里插入图片描述

3. 举个栗子

虽然上图简明地定义了常见的转换,但是如果我们将其应用到输入和输出为图像操作会怎样?根据变换,我们需要几个点来计算单应矩阵。让我们来做吧!像往常一样,让我们首先导入必要的库,如下:

# Import libraries
from skimage.io import imread, imshow
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from skimage import transform

接着导入我们需要的测试图像,代码如下:

# Display the original image

image = imread('painting.png')
plt.figure(figsize=(20,20))
plt.imshow(image)
plt.title('Original Image', fontsize=20, weight='bold')
plt.axis('off')
plt.show()

结果如下:
在这里插入图片描述

4. 计算变换矩阵

接着我们想对这幅画有一个自上而下的视图。我们需要计算单应矩阵。我们必须确定这幅画明确的角点。在这种情况下,我使用画图应用程序来识别画的四个角点坐标:

# Source points
src = np.array([879, 625,                    # top left
                431, 2466,                   # bottom left
                3251, 61,                    # top right
                3416, 2767]).reshape((4, 2)) # bottom right

为了执行单应性变换,我们需要一组与源点相对应的目标点。这些目标点表示我们希望源点在输出图像中的位置。对于自上而下的视图,这里我们引用源点的最小值和最大值x和y:

# Destination points
dst = np.array([
    [np.min(src[:, 0]), np.min(src[:, 1])],  # top left
    [np.min(src[:, 0]), np.max(src[:, 1])],  # bottom left
    [np.max(src[:, 0]), np.min(src[:, 1])],  # top right
    [np.max(src[:, 0]), np.max(src[:, 1])],  # bottom right
])

接着我们用以下代码计算单应矩阵,如下:

tform = transform.estimate_transform('projective', src, dst)

5. 透视变换

经过上述处理,我们有了执行透视变换所需要的单应性矩阵,接着我们来执行对应的透视变换,如下:

tf_img = transform.warp(image, tform.inverse)
fig, ax = plt.subplots(figsize=(20,20))
ax.imshow(tf_img)
_ = ax.set_title('projective transformation')

得到结果如下:
在这里插入图片描述

6. 美化显示效果

观察上图,考虑到图像外围添加了白色像素,输出看起来很奇怪,我们可以编辑出代码来裁剪这些奇怪的墙和额外的像素:

# Load the image
image = imread('painting.png')

# Source points
src = np.array([879, 625,                    # top left
                431, 2466,                   # bottom left
                3251, 61,                    # top right
                3416, 2767]).reshape((4, 2)) # bottom right

# Estimate the width and height from the source points
width = np.max(src[:, 0]) - np.min(src[:, 0])
height = np.max(src[:, 1]) - np.min(src[:, 1])

# Destination points (forming a box shape)
dst = np.array([
    [0, 0],
    [0, height],
    [width, 0],
    [width, height]
])

# Compute the projective transform
tform = transform.estimate_transform('projective', src, dst)

# Apply the transformation
warped_image = transform.warp(image, tform.inverse, output_shape=(height, width))

# Convert the warped image to uint8
warped_image_uint8 = (warped_image * 255).astype(np.uint8)

# Display the transformed and cropped image
plt.figure(figsize=(20,20))
plt.imshow(warped_image_uint8)
plt.title('Transformed and Cropped Image', fontsize=20, weight='bold')
plt.axis('off')
plt.show()

最终的显示效果如下:
在这里插入图片描述

7. 总结

经过我们一步一步的优化,我们最终得到了,一幅美丽而干净的自上而下的油画。一般来说,一旦我们有了单应矩阵,我们也可以用它来变换一幅图像,使其与另一幅图像的视角对齐。这对于图像拼接等应用非常有用!

嗯嗯,您学废了嘛?

### 使用 OpenCV 实现透视变换的方法 #### 方法概述 为了使用 OpenCV 进行透视变换,需遵循特定流程来定义源图像上的四个角点以及目标位置对应的坐标。这涉及到计算一个转换矩阵并将其应用于输入图片以获得所需视图下的新图像[^1]。 #### 关键步骤解析 - **选取兴趣区域**:识别原始图像中想要变形的部分,并标记出该部分的四边形顶点。 - **构建映射关系**:指定这些选定点在输出空间内的对应位置,形成一对多点间的线性变换规则。 - **创建变换矩阵**:利用 `getPerspectiveTransform` 函数基于上述两组点集生成最终所需的单应性矩阵(Homography Matrix)。 - **执行变换操作**:调用 `warpPerspective` 应用此矩阵完成整个过程,得到经过调整视角的新版本影像数据。 #### 示例代码展示 (Python 版本) ```python import numpy as np import cv2 # 加载待处理的图像文件 image = cv2.imread('example.jpg') # 定义原图上选定的兴趣区(ROI)四个角落的位置 pts_src = np.array([[56, 65], [368, 52], [28, 387], [389, 390]], dtype="float32") # 设定变换后图像的目标尺寸及相应坐标的布局方式 width = 400; height = 400 pts_dst = np.array([[0, 0],[width - 1, 0],[0, height - 1],[width - 1, height - 1]],dtype="float32") # 获取透视变换矩阵 M = cv2.getPerspectiveTransform(pts_src, pts_dst)[^2] # 对原图实施透视变换 warped_image = cv2.warpPerspective(image, M, (width, height)) # 展示结果对比 cv2.imshow("Original Image", image) cv2.imshow("Warped Image", warped_image) cv2.waitKey(0); cv2.destroyAllWindows() ```
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