引言

在圖像處理領(lǐng)域，幾何變換是一個(gè)非常重要的操作，它可以改變圖像的位置、大小、方向或形狀。在計(jì)算機(jī)視覺中，這些操作對(duì)于圖像預(yù)處理、特征提取和圖像增強(qiáng)至關(guān)重要。本文將介紹如何利用 Python 的 OpenCV 庫實(shí)現(xiàn)圖像的幾何變換，包括平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、仿射變換和透視變換。

1. 什么是幾何變換？

幾何變換是通過數(shù)學(xué)變換將圖像的像素從一個(gè)位置映射到另一個(gè)位置的過程。根據(jù)變換的性質(zhì)，可以將其分為以下幾類：

• 平移：移動(dòng)圖像位置。
• 縮放：調(diào)整圖像尺寸。
• 旋轉(zhuǎn)：改變圖像方向。
• 仿射變換：對(duì)圖像進(jìn)行線性變換，包括平移、旋轉(zhuǎn)、縮放和傾斜。
• 透視變換：改變圖像的視角，使其產(chǎn)生三維效果。

2. OpenCV 幾何變換基本操作

2.1 平移

平移是將圖像沿 x 和 y 軸移動(dòng)，公式如下：

在 OpenCV 中實(shí)現(xiàn)：

import cv2
import numpy as np

# 讀取圖像
img = cv2.imread('image.jpg')

# 定義平移矩陣 [1, 0, tx] 和 [0, 1, ty]
tx, ty = 100, 50
M = np.float32([[1, 0, tx], [0, 1, ty]])

# 執(zhí)行平移變換
shifted = cv2.warpAffine(img, M, (img.shape[1], img.shape[0]))

cv2.imshow('Shifted Image', shifted)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

2.2 縮放

縮放是按比例放大或縮小圖像尺寸。在 OpenCV 中，使用 cv2.resize()：

# 縮放圖像到指定大小
resized = cv2.resize(img, (300, 200))

# 按比例縮放
scaled = cv2.resize(img, None, fx=0.5, fy=0.5, interpolation=cv2.INTER_LINEAR)

2.3 旋轉(zhuǎn)

旋轉(zhuǎn)變換公式：

在 OpenCV 中實(shí)現(xiàn)：

(h, w) = img.shape[:2]
center = (w // 2, h // 2)

# 生成旋轉(zhuǎn)矩陣
angle = 45
scale = 1.0
M = cv2.getRotationMatrix2D(center, angle, scale)

# 執(zhí)行旋轉(zhuǎn)
rotated = cv2.warpAffine(img, M, (w, h))

2.4 仿射變換

仿射變換通過三個(gè)點(diǎn)的映射定義圖像變換。在 OpenCV 中使用 cv2.getAffineTransform()：

# 定義原圖像和目標(biāo)圖像的三個(gè)點(diǎn)
pts1 = np.float32([[50, 50], [200, 50], [50, 200]])
pts2 = np.float32([[10, 100], [200, 50], [100, 250]])

# 獲取仿射變換矩陣
M = cv2.getAffineTransform(pts1, pts2)

# 執(zhí)行仿射變換
affined = cv2.warpAffine(img, M, (img.shape[1], img.shape[0]))

2.5 透視變換

透視變換通過四個(gè)點(diǎn)定義，可以改變圖像的視角：

# 定義原圖像和目標(biāo)圖像的四個(gè)點(diǎn)
pts1 = np.float32([[56, 65], [368, 52], [28, 387], [389, 390]])
pts2 = np.float32([[0, 0], [300, 0], [0, 300], [300, 300]])

# 獲取透視變換矩陣
M = cv2.getPerspectiveTransform(pts1, pts2)

# 執(zhí)行透視變換
warped = cv2.warpPerspective(img, M, (300, 300))

3. 實(shí)用技巧與注意事項(xiàng)

1. 邊界處理：幾何變換可能會(huì)導(dǎo)致部分像素超出邊界，建議在設(shè)計(jì)時(shí)考慮圖像的大小。
2. 插值方法：
   • cv2.INTER_NEAREST：最近鄰插值，速度快但效果較差。
   • cv2.INTER_LINEAR：雙線性插值，適用于縮放。
   • cv2.INTER_CUBIC：三次插值，適合高質(zhì)量變換。
3. 變換順序：如果需要同時(shí)進(jìn)行多個(gè)幾何變換（如旋轉(zhuǎn)后平移），可以通過矩陣乘法將多個(gè)變換合并。

4. 應(yīng)用場(chǎng)景

• 圖像校正：修正拍攝中的傾斜、畸變。
• 特征對(duì)齊：人臉識(shí)別中常用仿射變換將人臉對(duì)齊。
• 數(shù)據(jù)增強(qiáng)：通過隨機(jī)幾何變換擴(kuò)展數(shù)據(jù)集，用于訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型。
• 視覺特效：制作圖像的動(dòng)態(tài)效果或藝術(shù)處理。

5. 總結(jié)

幾何變換是圖像處理中不可或缺的工具，OpenCV 提供了高效的方法來實(shí)現(xiàn)各種變換操作。在理解每種變換的數(shù)學(xué)原理后，可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景靈活組合這些技術(shù)，從而完成更復(fù)雜的圖像處理任務(wù)。希望這篇文章能夠幫助你更好地掌握 Python + OpenCV 中的幾何變換操作！

以上就是Python使用OpenCV庫實(shí)現(xiàn)圖像幾何變化的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Python OpenCV圖像幾何變化的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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