【OpenCV学习笔记27】- OpenCV 中的直方图 - 直方图

这是对于 OpenCV 官方文档中图像处理的学习笔记。学习笔记中会记录官方给出的例子，也会给出自己根据官方的例子完成的更改代码，同样彩蛋的实现也会结合多个知识点一起实现一些小功能，来帮助我们对学会的知识点进行结合应用。
如果有喜欢我笔记的请麻烦帮我关注、点赞、评论。谢谢诸位。

学习笔记：
学习笔记目录里面会收录我关于OpenCV系列学习笔记博文，大家如果有什么不懂的可以通过阅读我的学习笔记进行学习。
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内容

使用OpenCV和Numpy函数查找直方图
使用OpenCV和Matplotlib函数绘制直方图
您将看到以下功能：cv.calcHist() ，np.histogram() 等。

理论

那么直方图是什么？您可以将直方图视为图形或曲线图，从而使您对图像的强度分布有一个整体的了解。它是在X轴上具有像素值(不总是从0到255的范围)，在Y轴上具有图像中相应像素数的图。

这只是理解图像的另一种方式。通过查看图像的直方图，您可以直观地了解该图像的对比度，亮度，强度分布等。当今几乎所有图像处理工具都提供直方图功能。以下是 剑桥彩色网站 上的图片，建议您访问该网站以获取更多详细信息。
在这里插入图片描述
您可以看到图像及其直方图。(请记住，此直方图是针对灰度图像而非彩色图像绘制的)。直方图的左侧区域显示图像中较暗像素的数量，而右侧区域则显示较亮像素的数量。从直方图中，您可以看到暗区域多于亮区域，中间值的数量(中间值的像素值，例如127附近)非常少。

查找直方图

现在我们有了一个关于直方图的想法，我们可以研究如何找到它。OpenCV和Numpy都为此内置了功能。在使用这些功能之前，我们需要了解一些与直方图有关的术语。

BINS ： 上面的直方图显示每个像素值的像素数，即从0到255。即，您需要256个值来显示上面的直方图。但是考虑一下，如果您不需要分别找到所有像素值的像素数，而是找到像素值间隔中的像素数怎么办？例如，您需要找到介于0到15之间，然后16到31之间，…，240到255之间的像素数。您只需要16个值即可表示直方图。这就是在 OpenCV直方图教程 中给出的示例中所显示的内容。

因此，您要做的就是将整个直方图分成16个子部分，每个子部分的值就是其中所有像素数的总和。每个子部分都称为“BIN”。在第一种情况下，bin的数量为256个(每个像素一个)，而在第二种情况下，bin的数量仅为16个。BINS由OpenCV文档中的 histSize 术语表示。

DIMS ： 这是我们为其收集数据的参数的数量。在这种情况下，我们仅收集关于强度值的一件事的数据。所以这里是1。

范围： 这是您要测量的强度值的范围。通常，它是[0,256]，即所有强度值。

1. OPENCV中的直方图计算

因此，现在我们使用 cv.calcHist() 函数查找直方图。让我们熟悉一下函数及其参数：
在这里插入图片描述

images： 它是uint8或float32类型的源图像。它应该放在方括号中，即“ [img]”。
channels： 也以方括号给出。它是我们计算直方图的通道的索引。例如，如果输入为灰度图像，则其值为[0]。对于彩色图像，您可以传递[0]，[1]或[2]分别计算蓝色，绿色或红色通道的直方图。
mask： 遮罩图像。为了找到完整图像的直方图，将其指定为“无”。但是，如果要查找图像特定区域的直方图，则必须为此创建一个遮罩图像并将其作为遮罩。(我将在后面显示一个示例。)
histSize： 这表示我们的BIN计数。需要放在方括号中。对于全尺寸，我们通过[256]。
ranges： 这是我们的RANGE。通常为[0,256]。因此，让我们从示例图像开始。只需在灰度模式下加载图像并找到其完整的直方图即可。

示例代码：

# OpenCV 中的直方图
# 直方图 - 1：查找，绘图，分析!
# 理论
# 查找直方图
# 1. OPENCV中的直方图计算
import cv2 as cvimg = cv.imread('../image/3.7.1.png', 0)
hist = cv.calcHist([img], [0], None, [256], [0, 256])
# print(hist)
print(len(hist))
print(len(hist[0]))

命令行/控制台：

256
1

hist是256x1的数组，每个值对应于该图像中具有相应像素值的像素数。

2. NUMPY中的直方图计算

Numpy还为您提供了一个函数 np.histogram() 。因此，您可以在下面的行尝试代替 **calcHist() **函数：

示例代码：

# OpenCV 中的直方图
# 直方图 - 1：查找，绘图，分析!
# 理论
# 查找直方图
# 2. NUMPY中的直方图计算
import cv2 as cv
import numpy as npimg = cv.imread('../image/3.7.1.png', 0)
hist, bins = np.histogram(img.ravel(), 256, [0, 256])
# print(hist)
print(len(hist))

命令行/控制台：

hist与我们之前计算的相同。但是bin将具有257个元素，因为Numpy计算出bin的范围为0-0.99、1-1.99、2-2.99等。因此最终范围为255-255.99。为了表示这一点，他们还在料箱末端添加了256。但是我们不需要256。最多255就足够了。

也可以看看 Numpy还有另一个函数 np.bincount() ，它比np.histogram()快10倍左右。因此，对于一维直方图，您可以更好地尝试一下。不要忘记在np.bincount中设置minlength = 256。例如，hist = np.bincount(img.ravel()，minlength = 256)

示例代码：

# OpenCV 中的直方图
# 直方图 - 1：查找，绘图，分析!
# 理论
# 查找直方图
# 2. NUMPY中的直方图计算
import cv2 as cv
import numpy as npimg = cv.imread('../image/3.7.1.png', 0)
hist, bins = np.histogram(img.ravel(), 256, [0, 256])
# print(hist)
print(len(hist))hist = np.bincount(img.ravel(), minlength=256)
# print(hist)
print(len(hist))

命令行/控制台：

256
256

对比两个函数返回的结果是一致的。

注意 OpenCV函数比 np.histogram() 快(大约40倍)。因此，请坚持使用OpenCV功能。

现在我们应该绘制直方图，但是如何？

绘制直方图

有两种方法：

简短方法：使用Matplotlib绘图功能
漫长方法：使用OpenCV绘图功能

1.使用MATPLOTLIB

Matplotlib带有直方图绘图功能：matplotlib.pyplot.hist()

它直接找到直方图并将其绘制。您无需使用 calcHist() 或 np.histogram() 函数来查找直方图。请参考下面的代码：

示例代码：

# OpenCV 中的直方图
# 直方图 - 1：查找，绘图，分析!
# 理论
# 绘制直方图
# 1.使用MATPLOTLIB - 1
import cv2 as cv
from matplotlib import pyplot as pltimg = cv.imread('../image/3.7.1.png', 0)
plt.subplot(121), plt.imshow(img, cmap='gray')
plt.show()
plt.hist(img.ravel(), 256, [0, 256])
plt.show()

效果图：
在这里插入图片描述

或者，您可以使用matplotlib的法线图，这对于BGR图是很好的。为此，您需要首先找到直方图数据。试试下面的代码：

示例代码：

# OpenCV 中的直方图
# 直方图 - 1：查找，绘图，分析!
# 理论
# 绘制直方图
# 1.使用MATPLOTLIB - 2
import cv2 as cv
from matplotlib import pyplot as pltimg = cv.imread('../image/3.7.1.png')
color = ('b', 'g', 'r')
for i, col in enumerate(color):histr = cv.calcHist([img], [i], None, [256], [0, 256])plt.plot(histr, color=col)plt.xlim([0, 256])
plt.show()

效果图：
在这里插入图片描述
您可以从上图中得出，红色、蓝色、绿色在图像中具有一些高值区域(显然这应该是由于阳光、牛、草坪)

2.使用OPENCV

好吧，在这里您可以调整直方图的值及其bin值，使其看起来像x，y坐标，以便可以使用 cv.line() 或 cv.polyline() 函数绘制它以生成与上述相同的图像。OpenCV-Python2官方示例已经提供了此功能。检查 samples/python/hist.py 代码。

遮罩的应用

我们使用 cv.calcHist() 查找完整图像的直方图。如果要查找图像某些区域的直方图怎么办？只需在要查找直方图的区域上创建白色的蒙版图像，否则创建黑色。然后通过这个作为遮罩。

示例代码：

# OpenCV 中的直方图
# 直方图 - 1：查找，绘图，分析!
# 理论
# 遮罩的应用
import cv2 as cv
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as pltimg = cv.imread('../image/3.7.1.png', 0)
# create a mask
mask = np.zeros(img.shape[:2], np.uint8)
mask[300:480, 300:740] = 255
masked_img = cv.bitwise_and(img, img, mask=mask)
# Calculate histogram with mask and without mask
# Check third argument for mask
hist_full = cv.calcHist([img], [0], None, [256], [0, 256])
hist_mask = cv.calcHist([img], [0], mask, [256], [0, 256])
plt.subplot(221), plt.imshow(img, 'gray'), plt.title('Original Image')
plt.subplot(222), plt.imshow(mask, 'gray'), plt.title('Mask')
plt.subplot(223), plt.imshow(masked_img, 'gray'), plt.title('Masked Image')
plt.subplot(224), plt.plot(hist_full), plt.plot(hist_mask), plt.title('Histogram')
plt.xlim([0, 256])
plt.show()