OpenCV-Python教程：几何空间变换~仿射变换、旋转(warpAffine、rotate)

2023-01-30 21:07:29

原文链接：http://www.juzicode.com/archives/6500

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前一篇文章 几何空间变换~缩放、转置、翻转 介绍了图像的转置、缩放、翻转，其中水平或垂直方向的翻转实际上对图像进行了镜像操作，并不能达到旋转的效果，本文介绍的仿射变换则可以对图像进行任一角度的旋转，另外仿射变换还可以实现图像的矫正、平移。

1、仿射变换warpAffine()

仿射变换的接口形式如下：

dst=cv2.warpAffine(src, M, dsize[, dst[, flags[, borderMode[, borderValue]]]])

参数含义：

  • src: 输入图像。
  • M: 2×3 2行3列变换矩阵。
  • dsize: 输出图像的大小。
  • dst: 可选，输出图像，由dsize指定大小，type和src一样。
  • flags: 可选，插值方法
  • borderMode: 可选，边界像素模式
  • borderValue: 可选，边界填充值; 默认为0。

1.1、平移

通过手动指定算子M=[[1,0,X],[0,1,Y]]可以实现图像的移位，其中X表示向图像x方向（向右）移动的像素值，Y表示图像向y方向（向下）移动的像素值。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import cv2

print('VX公众号: 桔子code / juzicode.com')
print('cv2.__version__:',cv2.__version__)
plt.rc('font',family='Youyuan',size='9')
plt.rc('axes',unicode_minus='False')

img = cv2.imread('..\\messi5.jpg')
rows,cols,_ = img.shape

M = np.float32([[1,0,100],[0,1,50]])   #右移100-下移50
img_ret1 = cv2.warpAffine(img,M,(cols,rows))
M = np.float32([[1,0,-100],[0,1,-50]]) #左移100-上移50
img_ret2 = cv2.warpAffine(img,M,(cols,rows))
M = np.float32([[1,0,-100],[0,1,50]])  #左移100-下移50
img_ret3 = cv2.warpAffine(img,M,(cols,rows))

fig,ax = plt.subplots(2,2)
ax[0,0].set_title('原图   by VX:桔子code')
ax[0,0].imshow(cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2RGB)) #matplotlib显示图像为rgb格式
ax[0,1].set_title('右移100-下移50')
ax[0,1].imshow(cv2.cvtColor(img_ret1,cv2.COLOR_BGR2RGB))
ax[1,0].set_title('左移100-上移50')
ax[1,0].imshow(cv2.cvtColor(img_ret2,cv2.COLOR_BGR2RGB))
ax[1,1].set_title('左移100-下移50') 
ax[1,1].imshow(cv2.cvtColor(img_ret3,cv2.COLOR_BGR2RGB))
#ax[0,0].axis('off');ax[0,1].axis('off');ax[1,0].axis('off');ax[1,1].axis('off')#关闭坐标轴显示
plt.show()

运行结果：

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1.2、旋转

不像移位那样可以直观的手动构造算子M，旋转需要先用getRotationMatrix2D()方法构造出warpAffine()的算子M，getRotationMatrix2D()接口形式：

retval=cv2.getRotationMatrix2D(center, angle, scale)

参数含义：

  • center：旋转中心位置
  • angle：旋转角度
  • scale：缩放比例，不缩放时为1
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import cv2

print('VX公众号: 桔子code / juzicode.com')
print('cv2.__version__:',cv2.__version__)
plt.rc('font',family='Youyuan',size='9')
plt.rc('axes',unicode_minus='False')

img = cv2.imread('..\\messi5.jpg')
rows,cols,_ = img.shape

#以图像中心旋转
M = cv2.getRotationMatrix2D(((cols-1)/2.0,(rows-1)/2.0),90,1)#逆时针90度
img_ret1 = cv2.warpAffine(img,M,(cols,rows))
M = cv2.getRotationMatrix2D(((cols-1)/2.0,(rows-1)/2.0),-90,1)#顺时针90度
img_ret2 = cv2.warpAffine(img,M,(cols,rows))
M = cv2.getRotationMatrix2D(((cols-1)/2.0,(rows-1)/2.0),-180,1)#顺时针180度
img_ret3 = cv2.warpAffine(img,M,(cols,rows))

#显示图像
fig,ax = plt.subplots(2,2)
ax[0,0].set_title('VX:桔子code   原图')
ax[0,0].imshow(cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2RGB)) #matplotlib显示图像为rgb格式
ax[0,1].set_title('逆时针90度')
ax[0,1].imshow(cv2.cvtColor(img_ret1,cv2.COLOR_BGR2RGB))
ax[1,0].set_title('顺时针90度')
ax[1,0].imshow(cv2.cvtColor(img_ret2,cv2.COLOR_BGR2RGB))
ax[1,1].set_title('顺时针180度') 
ax[1,1].imshow(cv2.cvtColor(img_ret3,cv2.COLOR_BGR2RGB))
ax[0,0].axis('off');ax[0,1].axis('off');ax[1,0].axis('off');ax[1,1].axis('off')#关闭坐标轴显示
plt.show()

运行结果：

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从上图的运行结果看，在做逆时针或顺时针90度旋转时，出现了黑色边框，而且图像的长边部分超出了边界，这是因为以原图的中心点为旋转点、变化后的图像宽高仍然和原图一致导致的，下图是一个5×9个像素图像旋转的效果示意。左边是原图，右边是以1/2宽，1/2高的图像中心点E3为中心顺时针旋转90度之后的图像，可以看到旋转后的A5~A1,B5~B1,H5~H1,I5~I1等像素已经超出了原图黄色部分的边界：

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如果要实现顺时针旋转90度并且图像不被裁剪、没有黑色填充的效果，则应该重新选择旋转中心点以C3为中心点，同时新图像需要对调宽、高：

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这时中心点C3点的x和y轴的坐标都在(rows-1)/2处，所以在用getRotationMatrix2D()构造M算子时，center参数为：

center=((rows-1)/2.0,(rows-1)/2.0)

图像的dsize参数为：

dsize = (rows,cols)

完整的代码为（这里只适用宽大于高的图像，且做顺时针旋转90度，从后面的运行结果看，这种方法做逆时针旋转时也失效了）：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import cv2
#这里只适用宽大于高的图像，且做顺时针旋转90度
print('VX公众号: 桔子code / juzicode.com')
print('cv2.__version__:',cv2.__version__)
plt.rc('font',family='Youyuan',size='9')
plt.rc('axes',unicode_minus='False')

img = cv2.imread('..\\messi5.jpg')
rows,cols,_ = img.shape#rows对应高度，cols对应宽度

center=((rows-1)/2.0,(rows-1)/2.0)
dsize = (rows,cols)

#以图像中心旋转
M = cv2.getRotationMatrix2D(center,-90,1)#顺时针90度
img_ret2 = cv2.warpAffine(img,M,dsize)
M = cv2.getRotationMatrix2D(center,90,1)#逆时针90度
img_ret3 = cv2.warpAffine(img,M,dsize)

#显示图像
fig,ax = plt.subplots(2,2)
ax[0,0].set_title('VX:桔子code   原图')
ax[0,0].imshow(cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2RGB)) #matplotlib显示图像为rgb格式
#ax[0,1].set_title('')
#ax[0,1].imshow()
ax[1,0].set_title('顺时针90度')
ax[1,0].imshow(cv2.cvtColor(img_ret2,cv2.COLOR_BGR2RGB))
ax[1,1].set_title('逆时针90度') 
ax[1,1].imshow(cv2.cvtColor(img_ret3,cv2.COLOR_BGR2RGB))
ax[0,0].axis('off');ax[0,1].axis('off');ax[1,0].axis('off');ax[1,1].axis('off')#关闭坐标轴显示
plt.show()

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从运行结果看，经过重新选择中心点，对调宽高的方法，顺时针旋转已经保留了完整的图像，也没有出现黑框，但是逆时针旋转并没有达到效果，这里不再做更多的测试，因为OpenCV自带的rotate()方法就能实现旋转的目的，在稍后会介绍到。

1.3、矫正

有时候图像因为拍摄角度或成像设备的原因发生畸变，可以用仿射变换进行矫正，这时使用getAffineTransform()构建M算子，入参为变换前和变化后的2组坐标点，每组坐标点包含3个位置参数，比如下图这种图像我们选取红色所示标注的3个点，取得其坐标为[10,71],[37,320],[550,240]，变化后的3个位置参数分别位于图像的左上、左下、右下3个位置点，其坐标分别为[[10,10],[0,300],[550,300]]：

pts1 = np.float32([[10,71],[37,320],[550,240]])
pts2 = np.float32([[10,10],[0,300],[550,300]])
M = cv2.getAffineTransform(pts1,pts2)

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import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import cv2

print('VX公众号: 桔子code / juzicode.com')
print('cv2.__version__:',cv2.__version__)
plt.rc('font',family='Youyuan',size='9')
plt.rc('axes',unicode_minus='False')

img = cv2.imread('..\\samples\\data\\imageTextR.png')
rows,cols,_ = img.shape

pts1 = np.float32([[10,71],[37,320],[550,240]])
pts2 = np.float32([[10,10],[0,300],[550,300]])
M = cv2.getAffineTransform(pts1,pts2)
img_ret1 = cv2.warpAffine(img,M,(cols,rows)) 

fig,ax = plt.subplots(1,2)
ax[0].set_title('VX:桔子code   原图')
ax[0].imshow(cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2RGB)) #matplotlib显示图像为rgb格式
ax[1].set_title('变换后')
ax[1].imshow(cv2.cvtColor(img_ret1,cv2.COLOR_BGR2RGB)) 
#ax[0,0].axis('off');ax[0,1].axis('off');ax[1,0].axis('off');ax[1,1].axis('off')#关闭坐标轴显示
plt.show()

运行结果：

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这个例子实际上如果采用旋转的方法效果更好，这里只是为了达到演示矫正的效果选择了这张倾斜图片。

2、旋转rotate()

旋转的接口形式：

cv2.rotate(src, rotateCode[, dst]) -> dst

其中src为源图像，rotateCode可选3种参数：

rotateCode 含义
cv2.ROTATE_90_CLOCKWISE 顺时针旋转90度
cv2.ROTATE_180 旋转180度，不区分顺时针或逆时针，效果一样
cv2.ROTATE_90_COUNTERCLOCKWISE 逆时针旋转90度，等同于顺时针270度

下面的例子对messi图像进行3种方式的旋转：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import cv2

print('VX公众号: 桔子code / juzicode.com')
print('cv2.__version__:',cv2.__version__)
plt.rc('font',family='Youyuan',size='9')
plt.rc('axes',unicode_minus='False')

img = cv2.imread('..\\messi5.jpg')
img_ret1 = cv2.rotate(img,cv2.ROTATE_90_CLOCKWISE)
img_ret2 = cv2.rotate(img,cv2.ROTATE_180)
img_ret3 = cv2.rotate(img,cv2.ROTATE_90_COUNTERCLOCKWISE)

#显示图像
fig,ax = plt.subplots(2,2)
ax[0,0].set_title('VX:桔子code   原图')
ax[0,0].imshow(cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2RGB)) #matplotlib显示图像为rgb格式
ax[0,1].set_title('顺时针90度')
ax[0,1].imshow(cv2.cvtColor(img_ret1,cv2.COLOR_BGR2RGB))
ax[1,0].set_title('180度')
ax[1,0].imshow(cv2.cvtColor(img_ret2,cv2.COLOR_BGR2RGB))
ax[1,1].set_title('逆时针90度') 
ax[1,1].imshow(cv2.cvtColor(img_ret3,cv2.COLOR_BGR2RGB))
ax[0,0].axis('off');ax[0,1].axis('off');ax[1,0].axis('off');ax[1,1].axis('off')#关闭坐标轴显示
plt.show()

运行结果：

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从roate()源码可以看到，3种方式的旋转实际是对flip()和transpose()的封装实现的，比如顺时针旋转90度，通过先用transpose做转置、再用flip翻转实现：

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小结：仿射变换可以实现图像的平移、旋转和校正；仿射变换方式的旋转会导致图像丢失、出现黑边，rotate()方法可以解决该问题；rotate()实际是通过封装transpose和flip来实现3种角度的旋转，rotate()并不支持其他角度的旋转。

扩展阅读：

  1. OpenCV-Python教程
  2. OpenCV-Python教程：几何空间变换~缩放、转置、翻转
上一篇：LeetCode 旋转矩阵/旋转图像（数组）


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