Цифровая обработка изображений. Java и Open CV: учебное пособие

128 Pages·2019·32.258 MB·Russian

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОРДОВСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н. П. ОГАРЁВА»

Шибайкин С. Д.

Цифровая обработка изображений.
Java и OpenCV

Учебное пособие

Саранск
Издатель Афанасьев В. С.
2019
1
УДК 621.397:004.932(075.8)
ББК З 97
Ш55

Рецензенты:
заведующий кафедрой радиоэлектронных устройств и систем филиала
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»,
кандидат технических наук, доцент Д. В. Журавлев;
заведующий кафедрой телекоммуникационных систем ФГАОУ ВО «Волго-
градский государственный университет», кандидат педагогических наук,
доцент Е. С. Семенов.

Печатается по решению учебно-методической комиссии
института электроники и светотехники ФГБОУВО «МГУ им. Н.П. Огарёва»

Шибайкин С. Д.
Ш55 Цифровая обработка изображений. Java и OpenCV : учебное по-
собие / С. Д. Шибайкин. — Саранск : Издатель Афанасьев В. С.,
2019. — 128 с.
ISBN 978-5-907131-28-6

В учебном пособии рассмотрены различные аспекты применения языка
программирования Java для цифровой обработки изображений. В качестве базо-
вой библиотеки алгоритмов компьютерного зрения использована OpenCV. При-
водится описание процесса загрузки, фильтрации, обработки, сегментирования
изображений и видео. Пособие рекомендовано для обучения студентов направле-
ния подготовки 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи
профиль «Сети связи и системы коммутации», 11.04.02 Инфокоммуникационные
технологии и системы связи профиль «Сети, системы и устройства телекоммуни-
каций», 09.03.01 Информатика и вычислительная техника профиль «Автоматизи-
рованные системы обработки информации и управления», 09.04.01 Информатика
и вычислительная техника профиль «Автоматизированные системы обработки
информации и управления» и является прикладным рабочим материалом на лабо-
раторных и практических занятиях.

УДК 621.397:004.932(075.8)
ББК З97

ISBN 978-5-907131-28-6 © Шибайкин С. Д., 2019
2
СОДЕРЖАНИЕ

Введение .................................................................................................................. 4
1. Установка OpenCV .............................................................................................. 6
1.1 Подключение OpenCV к Eclipse, Windows 7 x64 ...................................... 6
1.2 Подключение OpenCV к Eclipse, MacOS Sierra ...................................... 10
1.3 Состав OpenCV .......................................................................................... 13
2. Работа с матрицами изображений ................................................................... 18
2.1 Типы изображений ..................................................................................... 18
2.2 Матрицы, пиксели, цвета .......................................................................... 19
2.3 Вывод изображения на GUI. Java Swing .................................................. 23
2.4 Основные методы Imgproc для работы c изображениями .................. 26
2.5 Основные методы Core для работы c изображениями ......................... 40
3. Фильтрация изображений ................................................................................ 48
3.1 Одномерная свертка функций .................................................................. 48
3.2 Двумерная свертка функций собственным фильтром ............................ 49
3.3 Фильтры сглаживания ............................................................................... 54
3.3.1 Фильтр усреднения ............................................................................ 59
3.3.2 Фильтр Гаусса .................................................................................... 60
3.3.3 Медианный фильтр ............................................................................ 61
3.3.4 Фильтр двустороннего сглаживания ................................................ 63
3.4 Морфологические операторы ................................................................... 64
3.4.1 Эрозия ................................................................................................. 70
3.4.2 Дилатация ........................................................................................... 71
3.4.3 Улучшенный морфологический оператор ...................................... 71
3.5 Пороговая фильтрация .............................................................................. 73
4.Сегментирование изображений ........................................................................ 77
4.1 Градиент и контур ...................................................................................... 77
4.2 Оператор Собеля ........................................................................................ 79
4.3 Оператор Шарра ......................................................................................... 82
4.4 Оператор Лапласа ...................................................................................... 85
4.5 Оператор Кэнни ......................................................................................... 87
4.6 Оператор Хафа .......................................................................................... 90
4.6.1 Оператор Хафа для поиска окружностей ........................................ 91
4.6.2 Оператор Хафа для поиска прямых ................................................. 94
4.6.3 Вероятностное преобразование Хафа для поиска прямых ............ 96
4.7 Поиск контуров .......................................................................................... 99
5. Обработка видеоизображений ....................................................................... 102
5.1 Удаление фоновой составляющей. Разница видеокадров ................... 102
5.2 Контуризация объектов и моменты в обработке изображений ........... 105
5.3 Методы вычитания фоновой составляющей ......................................... 109
5.3.1 Вычитание фона методом MOG2 ................................................... 109
5.3.2 Вычитание фона методом KNN ...................................................... 109
5.3.3 Построение оптического потока .................................................... 112
5.4 Обработка видео. Видеомонтаж. Запись видео .................................... 118
5.4.1 Добавление эффектов на видео ...................................................... 118
5.4.2 Наложение на видео с использованием цветового ключа ........... 121

3
ВВЕДЕНИЕ

Целью учебного пособия является изучение общих принципов получе-
ния, создания и обработки изображений средствами языка разработки Java и
открытой библиотеки компьютерного зрения OpenCV, а также обучение ос-
новам фильтрации и сегментирования, приобретение навыков применения
алгоритмов и методов для обработки видеоизображений.
В первой главе учебного пособия описан процесс подключения откры-
той библиотеки OpenCV к IDE Eclipse для различных операционных систем.
В качестве языка программирования используется Java. Все результаты
апробированы на операционных системах Windows 7 x64 + Eclipse Juno и
MacOS Sierra + Eclipse version: 2018-09. Сторонние платформы и «обертки» в
учебном пособии использоваться не будут. Дополнительно в первой главе
рассмотрен состав основных пакетов и классов, используемых в OpenCV.
Во второй главе рассмотрена работа с матрицами изображений. Де-
тально описаны различные цветовые системы RGB, CMYK, HSL, HSB, HSV,
LAB, YUV и их составные компоненты. Показана непосредственная работа с
пикселями изображения, создание изображений с различными параметрами
битности и канальности. Подробно рассмотрен процесс сохранения и вывода
изображения на стандартные графические элементы Swing пользовательско-
го окна. В качестве основных элементов вывода используются компоненты
JFrame и JPanel. В классах Imgproc и Core проанализированы основ-
ные методы для обработки изображений: изменение размера, преобразование
цветовых систем, вывод текстовой информации и геометрических элементов,
суммирование изображений, операторы нормировки и др.
Третья глава посвящена фильтрации изображений. На примере одно-
мерной свертки разобран процесс обработки изображения двумерным филь-
тром, а также параметры экстраполяции граничных пикселей. В качестве ба-
зовых фильтров рассмотрены: фильтр усреднения, фильтр Гаусса, медиан-
ный фильтр, фильтр двустороннего сглаживания, морфологические операто-
ры. Рассмотрены различные аспекты применения фильтров: удаление шумов
на изображении, сглаживание, эрозия и дилатация, пороговая фильтрация.
В четвертой главе рассмотрены вопросы сегментирования изображе-
ний. Даны определения понятиям градиент и контур. На многочисленных
примерах рассмотрен процесс определения границы на изображении. На
практике проанализированы различные операторы сегментирования: опера-
тор Собеля, оператор Шарра, оператор Лапласа, оператор Кэнни, оператор
Хафа. Приведен пример для поиска контуров с различными параметрами.
В пятой главе даны представления об обработке видеоизображений. На
примерах движения автотранспорта приведены примеры удаления фоновой
составляющей с помощью нахождения разницы видеокадров. Далее показана
работа контуризации объектов и вычисления характеристик изображения. В
главе приведены методы вычитания фоновой составляющей на основе Гаус-
совой смеси и k–ближайших соседей. Для определения направления движе-
ния объектов будут изучены методы вычисления оптического потока. К ним
4
относятся методы Лукаса-Канаде (разряженный поток) и Фарнебака (плот-
ный поток). В заключительном разделе на практических примерах показаны
алгоритмы для обработки (видеомонтаж) видео: добавление эффектов на ви-
део, создание видеоперехода, наложение на видео с использованием цветово-
го ключа.
Для однозначного понимания текста в учебном пособии приняты сле-
дующие выделения:
– Times New Roman – обычный текст (различный теоретический и по-
яснительный материал);
– Times New Roman – текст заглавия или названия различных методов
или алгоритмов;
– Courier New – шрифт для листинга, методов,
переменных и т.д. Данный текст для непосредственного
использования в своих приложениях необходимо копировать
без изменений. Если указано имя переменной Java или
метода OpenCV с прописной буквы нельзя его изменять на
строчную и т.д.!!! По всему тексту в учебном пособии
для данного шрифта отключена автоматическая расстановка
переносов.
В учебном пособии в качестве изображений использованы стикеры
Salem и Meme Cats мессенджера Telegram, фотографии учебных корпусов
ФГБОУВО «Национальный исследовательский Мордовский
государственный университет им. Н. П. Огарёва».

Ещё больше книг по Java в нашем телеграм канале:             
                            https://t.me/javalib
5
1. Установка OpenCV

1.1 Подключение OpenCV к Eclipse, Windows 7 x64

Алгоритм использования библиотеки OPENCV состоит из следующей
последовательности действий. Сначала необходимо скачать последнюю вер-
сию релиза WIN PACK 4.0.1 со страницы https://opencv.org/releases.html (ри-
сунок 1.1.1). Размер дистрибутива версии 4.0.1 занимает порядка 190Мб. По-
дробная документация расположена в
https://docs.opencv.org/4.0.1/javadoc/index.html.

Рисунок 1.1.1 – Страница для скачивания релизов OpenCV

После этого необходимо распаковать дистрибутив релиза в определен-
ную директорию. В нашем случае это будет корень локального диска С.

Рисунок 1.1.2 – Путь для распаковывания дистрибутива OpenCV

Далее необходимо скопировать файл opencv_ffmpeg401_64.dll из папки
C:\OPENCV\opencv\build\bin в папку C:\OPENCV\opencv\build\java\x64. Для
версии Windows X32 необходимо скопировать файл opencv_ffmpeg401.dll.
6
После того, как дистрибутив распаковался, необходимо его подклю-
чить к проекту Eclipse. Создаем проект Java Project (рисунок 1.1.3) и указы-
ваем имя проекта (рисунок 1.1.4).

Рисунок 1.1.3 – Создание проекта в Eclipse

Рисунок 1.1.4 – Имя создаваемого проекта в Eclipse

После этого необходимо нажать Next, выбрать вкладку Libraries и до-
бавить (рисунок 1.1.6) внешнюю библиотеку OpenCV.

7
Рисунок 1.1.5 – Вкладка библиотеки

Рисунок 1.1.6 – Кнопка для добавления библиотеки

Далее выбираем файл opencv-401.jar из директории
C:\OPENCV\opencv\build\java, куда распакован дистрибутив (рисунок 1.1.7) и
редактируем путь к нативной библиотеке (рисунок 1.1.8).

Рисунок 1.1.7 – Выбор библиотеки OpenCV
8
Рисунок 1.1.8 – Указание местонахождения нативной библиотеки

Далее добавляем в наш проект класс firstclass (рисунок 1.1.9). По-
сле этого в папке src проекта должен добавиться файл firstclass.java.

Рисунок 1.1.9 – Добавление класса к проекту

Добавим в текст нашего класса firstclass код из листинга ex111.
Во время набора текста кода Eclipse будет подсвечивать «чужие» операторы
библиотеки OpenCV. Для этого необходимо навести мышкой на подчеркну-
тый оператор, и выбрать имя добавляемого класса (рисунок 1.1.10).

9
Рисунок 1.1.10 – Добавление классов

Следует помнить о том, что в некоторых случаях Eclipse может пред-
ложить несколько вариантов импортируемых классов, поэтому необходимо
четко понимать, какой именно класс необходим для работы. Результатом ра-
боты данной программы будет выведенная в консоли единичная матрица
размером 4×4 (рисунок 1.1.11).

Листинг ex111 – Первая программа
import org.opencv.core.Core;
import org.opencv.core.Mat;
import org.opencv.core.Size;
public class firstclass {
public static void main(String[] args) {
System.loadLibrary(Core.NATIVE_LIBRARY_NAME);
Mat M1 = new Mat();
M1 = Mat.ones(new Size(4,4), 1);
System.out.println(M1.dump());
}
}

Рисунок 1.1.11 – Результат работы листинга ex111

1.2 Подключение OpenCV к Eclipse, MacOS Sierra

Для установки дистрибутива OpenCV для MacOS удобным средством
является менеджер недостающих пакетов Homebrew. Установка его
происходит в терминале с помощью команды /usr/bin/ruby -e
"$(curl -fsSL
https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/mast
10