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# OpenCV C++ 零基础入门培训教案
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> **适用对象**：仅接触过一节 Linux 课程的大学新生
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> **教学环境**：WSL (Ubuntu)、不依赖 X11 图形界面
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> **图像查看方式**：`cv::imwrite` 保存图片 → Windows 资源管理器直接浏览
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> **课程时长**：约 3～4 小时（含上机操作）
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## 目录
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1. [开场白与课程目标](#1-开场白与课程目标)
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2. [环境准备](#2-环境准备)
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- [2.1 确认 WSL Ubuntu 已安装](#21-确认-wsl-ubuntu-已安装)
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- [2.2 安装 OpenCV 开发库](#22-安装-opencv-开发库)
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- [2.3 WSL 与 Windows 文件互访](#23-wsl-与-windows-文件互访)
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- [2.4 进入课程根目录](#24-进入课程根目录)
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- [2.5 创建所有实验文件夹](#25-创建所有实验文件夹)
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- [2.6 中文乱码处理](#26-中文乱码处理)
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3. [目录结构总览](#3-目录结构总览)
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4. [逐一展开每个实验](#4-逐一展开每个实验)
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- [4.1 实验 1：图像读取与保存](#41-实验-1图像读取与保存)
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- [4.2 实验 2：颜色空间转换](#42-实验-2颜色空间转换)
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- [4.3 实验 3：高斯模糊](#43-实验-3高斯模糊)
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- [4.4 实验 4：Canny 边缘检测](#44-实验-4canny-边缘检测)
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- [4.5 实验 5：图像阈值化](#45-实验-5图像阈值化)
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- [4.6 实验 6：形态学操作——腐蚀与膨胀](#46-实验-6形态学操作腐蚀与膨胀)
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- [4.7 实验 7：颜色提取——inRange](#47-实验-7颜色提取inrange)
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- [4.8 实验 8：综合流水线](#48-实验-8综合流水线)
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5. [结语与下一步预告](#5-结语与下一步预告)
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6. [附录：所有实验源文件完整代码](#6-附录所有实验源文件完整代码)
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## 1. 开场白与课程目标
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### 开场白
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同学们好！欢迎来到 RoboMaster 视觉组的第一堂 OpenCV 入门课。
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在正式开始之前，我想先聊一个大家一定会问的问题——**"什么是计算机视觉？"**
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我们每时每刻都在用眼睛看世界：你看到屏幕上有字、窗外有树、桌上有水杯。你的大脑能立刻识别出"这是一行字""那是一棵树""那是我的杯子"。这个过程对人来一眨眼就完成了，但对计算机来说却极其困难——因为计算机看到的只是一个个数字（像素值），它不知道哪些数字凑在一起是"杯子"，哪些是"桌子"。
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而 **OpenCV**（Open Source Computer Vision Library，开源计算机视觉库）就是帮计算机"看懂"图像的工具箱。它提供了数千个经过优化的图像处理函数，让**我们不需要从零发明轮子**，就能快速实现各种视觉任务。
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在 RoboMaster 比赛中，视觉组的核心工作就是用 OpenCV 处理摄像头采集的图像，**识别出对方机器人的装甲板灯条**，然后计算它的三维位置，发送给云台射击。今天这堂课，就是这一切的起点。
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### 课程目标
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通过本次课程，你将学会：
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| 编号 | 技能 | 对应实验 |
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|------|------|----------|
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| ① | 在 WSL 中安装 OpenCV，使用 CMake 编译 C++ 程序 | 全部 |
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| ② | 读取、保存图像，理解 `cv::Mat` 数据类型 | 实验 1 |
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| ③ | 在不同颜色空间（BGR、Gray、HSV）之间转换 | 实验 2 |
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| ④ | 使用高斯模糊去除图像噪点 | 实验 3 |
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| ⑤ | 用 Canny 算法检测图像中的边缘 | 实验 4 |
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| ⑥ | 对灰度图做阈值化处理，生成二值图 | 实验 5 |
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| ⑦ | 使用腐蚀和膨胀对二值图做形态学处理 | 实验 6 |
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| ⑧ | 用 inRange 在 HSV 空间中提取特定颜色区域 | 实验 7 |
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| ⑨ | 将以上所有技术串联成完整处理流水线 | 实验 8 |
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> [!NOTE]
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> 本教案假设你**已经在 Windows 上安装了 WSL Ubuntu**，并且完成了第一堂 Linux 基础课（知道 `cd`、`ls`、`mkdir` 等基本命令）。如果还没安装 WSL，请参考学校提供的 WSL 安装指南。
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## 2. 环境准备
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### 2.1 确认 WSL Ubuntu 已安装
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打开 Windows Terminal（或 PowerShell），输入：
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```bash
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wsl -l -v
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```
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你应该看到类似这样的输出，表示 Ubuntu 已安装并正在运行：
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```
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NAME STATE VERSION
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* Ubuntu Running 2
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```
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> [!WARNING]
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> 如果这里显示的是 `Stopped`，输入 `wsl` 即可启动 Ubuntu。如果根本没有 Ubuntu，你需先在 Microsoft Store 搜索 "Ubuntu" 安装。
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现在进入 WSL 终端：
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```bash
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wsl
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```
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你会看到命令行提示符变成了类似 `username@DESKTOP:~$` 的样式，这表示你已经进入了 WSL Ubuntu 环境。
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### 2.2 安装 OpenCV 开发库
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在 WSL Ubuntu 终端中，依次执行以下命令（**每行一条，逐行复制粘贴**）：
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```bash
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# 第 1 步：更新软件包列表（就像是刷新应用商店的目录）
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sudo apt update
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# 第 2 步：安装 OpenCV C++ 开发库
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# libopencv-dev 包含了头文件和 .so 动态库
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# build-essential 包含了 g++ 编译器和 make 工具
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# cmake 是我们用来管理编译过程的工具
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sudo apt install -y build-essential cmake libopencv-dev
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# 第 3 步：验证安装是否成功
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# 这条命令会打印 OpenCV 的版本号，比如 4.5.4
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pkg-config --modversion opencv4
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```
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> [!TIP]
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> **`sudo` 是什么？**
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> 在 Linux 中，普通用户不能随意修改系统文件。`sudo` 的意思是"以管理员身份执行后面的命令"（Super User DO）。安装软件属于系统级操作，所以需要 `sudo`。第一次使用时会提示你输入密码（不会显示任何字符，这是正常的安全设计，盲输即可）。
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如果 `pkg-config --modversion opencv4` 输出了一个版本号（例如 `4.5.4`），恭喜，OpenCV 安装成功！
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### 2.3 WSL 与 Windows 文件互访
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这是很重要的知识点：**WSL 和 Windows 虽然是两个系统，但它们的硬盘是互通的。**
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- **在 WSL 中访问 Windows 文件**：Windows 的 C 盘对应 WSL 中的 `/mnt/c`，D 盘对应 `/mnt/d`。所以你在 Windows 下的 `D:\RM\25教学\视觉1\OpenCV-CPP` 在 WSL 中的路径是 `/mnt/d/RM/25教学/视觉1/OpenCV-CPP`。
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- **在 Windows 中访问 WSL 文件**：在 Windows 文件资源管理器的地址栏输入 `\\wsl$\Ubuntu`，然后回车，你就能看到整个 WSL 的文件系统。进入 `/home/你的用户名/` 就能找到你在 WSL 中的家目录。
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> [!TIP]
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> **为什么要把代码放在 `/mnt/d/...` 而不是 WSL 的 `/home/...`？**
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> 放在 `/mnt/d/...` 下的文件，可以**直接通过 Windows 资源管理器**打开和查看（包括图片），非常方便。如果放在 `/home/...` 下，虽然也能通过 `\\wsl$` 访问，但路径更深，而且跨文件系统读写性能稍差。
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### 2.4 进入课程根目录
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假设你已经通过 GitHub 把本次课程的代码仓库下载到了 `D:\RM\25教学\视觉1\OpenCV-CPP`。
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在 WSL 终端中执行：
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```bash
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# 进入课程根目录（注意：路径中的"25教学"等中文是文件夹名）
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cd /mnt/d/RM/25教学/视觉1/OpenCV-CPP
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# 确认当前目录正确（查看当前路径）
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pwd
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# 查看目录内容，应该能看到 8 个 exp 开头的子文件夹
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ls -l
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```
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如果 `ls -l` 显示了 `exp1_read_write`、`exp2_color_space` ... 等信息，说明你已经在正确的位置了。
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### 2.5 创建所有实验文件夹
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如果代码仓库尚未包含这些文件夹，你可以一次性创建它们：
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```bash
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mkdir -p exp1_read_write exp2_color_space exp3_gaussian_blur exp4_canny \
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exp5_threshold exp6_morphology exp7_inrange exp8_pipeline
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```
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> `mkdir -p` 的 `-p` 参数：如果父目录不存在就自动创建（这里所有实验文件夹都在当前目录下，所以 `-p` 主要是防止"目录已存在"的错误）。
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### 2.6 中文乱码处理
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如果你在 WSL 终端中看到中文显示为乱码（比如 `<60>学<EFBFBD>视觉1`），执行以下命令可以临时修复：
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```bash
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export LANG=zh_CN.UTF-8
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```
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这只是临时生效（当前终端窗口关闭后失效）。如果想永久生效，可以把它加入 `~/.bashrc` 文件：
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```bash
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echo 'export LANG=zh_CN.UTF-8' >> ~/.bashrc
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source ~/.bashrc
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```
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> [!NOTE]
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> 中文乱码不影响代码的编译和运行，只是终端显示不好看而已。如果赶时间，可以跳过这一步。
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## 3. 目录结构总览
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本课程的文件夹结构如下。每个实验文件夹中都有且仅有两个文件：`CMakeLists.txt`（编译配置）和 `main.cpp`（源代码），**均可独立编译运行**。
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```
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OpenCV-CPP/
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├── README.md ← 你正在看的这份教案
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├── exp1_read_write/ ← 实验 1：图像读取与保存
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│ ├── CMakeLists.txt
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│ └── main.cpp
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│
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├── exp2_color_space/ ← 实验 2：颜色空间转换
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│ ├── CMakeLists.txt
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│ └── main.cpp
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│
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├── exp3_gaussian_blur/ ← 实验 3：高斯模糊
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│ ├── CMakeLists.txt
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│ └── main.cpp
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│
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├── exp4_canny/ ← 实验 4：Canny 边缘检测
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│ ├── CMakeLists.txt
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│ └── main.cpp
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│
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├── exp5_threshold/ ← 实验 5：图像阈值化
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│ ├── CMakeLists.txt
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│ └── main.cpp
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│
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├── exp6_morphology/ ← 实验 6：形态学操作（腐蚀与膨胀）
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│ ├── CMakeLists.txt
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│ └── main.cpp
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│
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├── exp7_inrange/ ← 实验 7：颜色提取（inRange）
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│ ├── CMakeLists.txt
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│ └── main.cpp
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│
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└── exp8_pipeline/ ← 实验 8：综合流水线
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├── CMakeLists.txt
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└── main.cpp
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```
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每个实验的可执行文件命名规则：
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| 实验 | 项目名 (CMake) | 可执行文件名 | 运行命令 |
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|------|---------------|-------------|----------|
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| 1 | `exp1_read_write` | `exp1` | `./exp1` |
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| 2 | `exp2_color_space` | `exp2` | `./exp2` |
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| 3 | `exp3_gaussian_blur` | `exp3` | `./exp3` |
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| 4 | `exp4_canny` | `exp4` | `./exp4` |
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| 5 | `exp5_threshold` | `exp5` | `./exp5` |
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| 6 | `exp6_morphology` | `exp6` | `./exp6` |
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| 7 | `exp7_inrange` | `exp7` | `./exp7` |
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| 8 | `exp8_pipeline` | `exp8` | `./exp8` |
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## 4. 逐一展开每个实验
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### 统一的编译与运行流程
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为了避免在每个实验小节中重复说明，这里先给出**标准操作步骤**。之后每个实验的"编译与运行"小节将直接引用这套流程。
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```bash
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# 第 1 步：进入实验文件夹
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cd expX_xxxxxx
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# 第 2 步：创建编译目录 build 并进入
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# 为什么要单独建一个 build 目录？
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# 因为编译过程会生成很多中间文件（.o 文件、Makefile 等），
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# 把它们和源代码混在一起会很乱，所以统一放在 build/ 里。
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mkdir -p build
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cd build
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# 第 3 步：用 CMake 生成 Makefile
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# cmake .. 中的 ".." 表示上级目录（即源代码所在的 expX_xxxxxx/）
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# cmake 会根据 CMakeLists.txt 检查依赖、找到 OpenCV、生成编译规则
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cmake ..
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# 第 4 步：编译
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# make 命令读取 cmake 生成的 Makefile，调用 g++ 编译源代码
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# -j$(nproc) 表示"用所有 CPU 核心并行编译"，加速编译过程
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make -j$(nproc)
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# 第 5 步：运行可执行文件
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./expX
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# 第 6 步：返回根目录
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cd ../..
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```
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> [!IMPORTANT]
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> **一定要在 build 目录中编译和运行！**
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> 原因是：程序用 `imwrite("xxx.jpg", image)` 保存图片时，图片文件会保存在**程序运行时的当前工作目录**（即 `build/` 下），而不是源代码所在的目录。这样做的好处是——生成的图片文件和编译中间文件在一起，方便清理（直接删掉 `build/` 目录就全干净了）。
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### 4.1 实验 1：图像读取与保存
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#### 目标
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- 理解 `cv::Mat` —— OpenCV 中存储图像的"万能容器"
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- 学会 `cv::imread` 从文件中读取图像
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- 学会 `cv::imwrite` 将图像存入文件
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- 养成 `empty()` 检查的好习惯
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#### 涉及函数及参数详解
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##### (1) `cv::Mat`
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```
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cv::Mat(行数, 列数, 类型, 初始值)
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```
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`cv::Mat` 是 OpenCV 最基本的数据类型。"Mat" 是 Matrix（矩阵）的缩写——因为**图像本质上就是一个二维矩阵**：
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- 矩阵的每一行对应图像的一行像素
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- 矩阵的每一列对应图像的一列像素
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- 矩阵中每个元素的值就是该像素的亮度/颜色
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**生活比喻**：把 `cv::Mat` 想象成一张**坐标纸**（就是数学课上用的那种方格纸）。每个小格子是一个像素，格子里填的数字就是颜色值。OpenCV 在内存中就是把图像存储为这样的"数字矩阵"。
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##### (2) `cv::imread`
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```cpp
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cv::Mat image = cv::imread("文件名", 读取模式);
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```
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- **第 1 个参数**：文件路径（相对路径或绝对路径）。如果只写文件名如 `"test.jpg"`，程序会在**当前工作目录**（你运行程序时所在的目录）下查找。
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- **第 2 个参数**（可选，默认 `cv::IMREAD_COLOR`）：
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- `cv::IMREAD_COLOR`（或数字 `1`）：以**彩色**模式读取（BGR，3 通道）。即使原图是灰度的，也会被转换为 3 通道。
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- `cv::IMREAD_GRAYSCALE`（或数字 `0`）：以**灰度**模式读取（单通道）。
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- `cv::IMREAD_UNCHANGED`（或数字 `-1`）：保持原样不转换（如果图片包含 Alpha 透明通道，会一起读进来）。
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**生活比喻**：`imread` 像是一台"扫描仪"——把纸上的照片（文件）转换为电脑里的数字矩阵（`cv::Mat`）。
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##### (3) `cv::imwrite`
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```cpp
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bool ok = cv::imwrite("文件名", 图像矩阵);
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```
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- **第 1 个参数**：保存路径。文件格式由扩展名自动决定（`.jpg`、`.png`、`.bmp` 等）。
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- **第 2 个参数**：要保存的 `cv::Mat` 图像。
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- **返回值**：`true` = 保存成功，`false` = 失败（通常是因为路径不存在或磁盘满了）。
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**生活比喻**：`imwrite` 像是一台"打印机"——把电脑里的数字矩阵（`cv::Mat`）打印成纸上的照片（文件）。
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##### (4) `image.empty()` —— 不可忽略的检查
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```cpp
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if (image.empty()) { /* 出错处理 */ }
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```
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如果 `imread` 找不到文件、文件损坏或格式不支持，它不会报错，而是返回一个"空"的 `cv::Mat`。这个空的 Mat 内部没有任何数据。如果你不检查 `empty()` 就直接用 `image`，后续任何操作（如显示、保存）都会导致程序崩溃。
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**生活比喻**：就像你让朋友帮忙去超市买牛奶，结果超市卖完了，朋友空手回来。如果你不检查就拧开瓶盖喝，会喝到空气。`empty()` 就是那句"牛奶买到了吗？"的确认。
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#### 代码关键片段解释
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本实验的 `main.cpp` 分为三个部分：
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1. **生成测试图片**：用 `cv::circle`、`cv::rectangle`、`cv::putText` 等画图函数在 640×480 的画布上画出彩色图形，然后用 `imwrite` 保存为 `test_image.jpg`。这样做的目的是**不依赖外部图片**——程序自己生成测试素材。
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2. **读取图片**：用 `cv::imread("test_image.jpg", cv::IMREAD_COLOR)` 读回刚才保存的文件。**紧接着**就用 `image.empty()` 检查——如果因为某种原因读取失败，程序会打印清晰的错误提示并退出，而不是糊里糊涂地崩掉。
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3. **保存验证**：把读到的 `cv::Mat` 用 `imwrite` 保存为 `output.jpg`。如果 `output.jpg` 和 `test_image.jpg` 一模一样，就证明了"读取 → 保存"的整个链条工作正常。
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#### 编译与运行
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```bash
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cd /mnt/d/RM/25教学/视觉1/OpenCV-CPP/exp1_read_write
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mkdir -p build && cd build
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cmake .. && make -j$(nproc)
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./exp1
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```
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#### 查看结果
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在 Windows 文件资源管理器的地址栏输入：
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```
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\\wsl$\Ubuntu\mnt\d\RM\25教学\视觉1\OpenCV-CPP\exp1_read_write\build
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```
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你会发现这里面多了两个文件：`test_image.jpg`（程序生成的测试图）和 `output.jpg`（读取后再保存的图）。双击打开，看看是不是有蓝色、绿色、红色的圆和一个黄色矩形框？
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> [!NOTE]
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> 这条路径比较长，建议你把它收藏到资源管理器的快速访问栏，后面每个实验都要用。你只需要修改其中的实验文件夹名就能访问不同实验的输出。
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### 4.2 实验 2：颜色空间转换
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#### 目标
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- 理解"颜色空间"的含义——描述颜色的不同"语言"
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- 掌握 `cv::cvtColor` 函数
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- 了解 Gray（灰度）、HSV、Lab、YCrCb 各自的用途
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- 为后续的 inRange 颜色提取做好准备
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#### 涉及函数及参数详解
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##### (1) `cv::cvtColor`
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```cpp
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cv::cvtColor(输入图, 输出图, 转换代码);
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```
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这是 OpenCV 中**最常用的函数之一**。只要你想在颜色空间之间切换，就会用到它。
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- **第 1 个参数**：输入图像
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- **第 2 个参数**：输出图像（函数会自动分配空间，不需要手动创建）
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- **第 3 个参数**：转换代码，格式为 `cv::COLOR_原空间2目标空间`
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最常用的转换代码：
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| 转换代码 | 含义 | 典型用途 |
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|----------|------|----------|
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| `cv::COLOR_BGR2GRAY` | BGR → 灰度 | 边缘检测、阈值化的前置步骤 |
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| `cv::COLOR_BGR2HSV` | BGR → HSV | 颜色提取（如 inRange） |
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| `cv::COLOR_BGR2Lab` | BGR → Lab | 颜色距离计算 |
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| `cv::COLOR_BGR2YCrCb` | BGR → YCrCb | 图像/视频压缩 |
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| `cv::COLOR_GRAY2BGR` | 灰度 → BGR | 把灰度图转回 3 通道便于拼接显示 |
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| `cv::COLOR_HSV2BGR` | HSV → BGR | 在 HSV 空间调色后转回正常显示 |
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##### (2) HSV 颜色空间详解
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这是 **RoboMaster 中最关键的颜色空间**，一定要理解透彻。
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- **H（Hue，色相）**：描述"什么颜色"。取值范围 0～180（OpenCV 把标准的 360° 压缩了一半）。0 是红色，60 是绿色，120 是蓝色——就像色环上的角度。
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- **S（Saturation，饱和度）**：描述"颜色有多纯"。0 是灰色（没颜色），255 是纯色（最鲜艳）。就像往颜料里掺水——水越多，颜色越淡。
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- **V（Value，明度）**：描述"有多亮"。0 是黑色（没光），255 是最亮。就像调灯光亮度。
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||
**为什么 HSV 比 BGR 更适合做颜色提取？**
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想象你有一件红衣服：在阳光下看是鲜红色的，在室内暗光下看是暗红色的。在 BGR 空间中，这两种红色对应的 (B, G, R) 数值差异巨大——亮红是 `(0, 0, 255)`，暗红可能是 `(0, 0, 80)`。但在 HSV 空间中，它们的 **H（色相）值几乎不变**（都是 0 左右），只是 **V（明度）值不同**。所以我们可以设定 H 的范围来框住"红色"，通过调节 S、V 的上下界来控制挑选条件，**把颜色和亮度解耦**——这是 inRange 提取颜色的核心原理。
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##### (3) `cv::split`
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```cpp
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cv::split(多通道图像, 单通道图像数组);
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```
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将一幅多通道图像（如 3 通道的 HSV 图）拆成多个独立的单通道图像。比如把 HSV 图拆成 H 图、S 图、V 图三张灰度图，方便你观察每个分量的样子。
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#### 代码关键片段解释
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1. 生成 6 个彩色矩形（红、绿、蓝、黄、青、品红），作为测试素材。
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2. 逐一对原始彩色图做 `cv::cvtColor`，分别转换为 Gray、HSV、Lab、YCrCb 空间并保存。
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3. 用 `cv::split` 把 HSV 图拆分成 H、S、V 三个通道单独保存——观察 S 通道你会发现，白色文字区域的 S 值很低（因为白色没有"颜色"这个概念），这解释了为什么 inRange 时要把 S 下界设得足够高来排除白色。
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#### 编译与运行
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```bash
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cd /mnt/d/RM/25教学/视觉1/OpenCV-CPP/exp2_color_space
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mkdir -p build && cd build
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cmake .. && make -j$(nproc)
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./exp2
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```
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#### 查看结果
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进入 `\\wsl$\Ubuntu\mnt\d\RM\25教学\视觉1\OpenCV-CPP\exp2_color_space\build`，你会看到 `original.jpg`、`gray.jpg`、`hsv.jpg`、`hsv_channel_H.jpg`、`hsv_channel_S.jpg`、`hsv_channel_V.jpg` 等图片。
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---
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### 4.3 实验 3：高斯模糊
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#### 目标
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- 理解"模糊"的数学本质——邻域加权平均
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- 掌握 `cv::GaussianBlur` 及参数含义
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- 观察不同核大小和 sigma 值对模糊效果的影响
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#### 涉及函数及参数详解
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##### `cv::GaussianBlur`
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```cpp
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cv::GaussianBlur(src, dst, ksize, sigmaX, sigmaY, borderType);
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```
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| 参数 | 类型 | 说明 |
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|------|------|------|
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| `src` | `cv::Mat` | 输入图像 |
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| `dst` | `cv::Mat` | 输出图像（函数自动分配空间） |
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| `ksize` | `cv::Size(w, h)` | 高斯核大小（**必须为奇数！**） |
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| `sigmaX` | `double` | X 方向标准差（0 = 根据 ksize 自动算） |
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||
| `sigmaY` | `double` | Y 方向标准差（0 = 等于 sigmaX） |
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| `borderType` | `int` | 边界填充方式（可选，默认即可） |
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**核心参数：ksize 和 sigma**
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- **ksize**：决定了"模糊的范围"——每个像素要和周围多大范围内的邻居做平均。`(3, 3)` 很小，几乎看不出模糊；`(21, 21)` 很大，图片糊成一片。必须设**奇数**（3, 5, 7, 9, ...），因为核必须有一个明确的"中心像素"。
|
||
- **sigma**：决定了"权重分配的陡缓"。sigma 越大，远处像素的权重越大，模糊越均匀（看起来更"绵软"）；sigma 越小，只有很近的像素才被计入，模糊效果较弱。一般来说**直接设 0 让 OpenCV 自动算**就可以了。
|
||
|
||
**生活比喻**：高斯模糊就像在 Photoshop 里拖动"模糊"滑块。ksize 是"模糊半径"——半径越大，糊得越厉害。高斯函数保证了距离中心越近的像素权重越大，这比简单的"取平均"更自然——毕竟你的好朋友对你的影响力，肯定比隔壁班不认识的同学大。
|
||
|
||
**为什么核大小必须是奇数？**
|
||
因为核需要有一个对称的"中心点"，就像靶子需要一个靶心。偶数核没有中心，没法对称。`cv::Size(3, 3)` 的中心是第 2 行第 2 列那个像素；`cv::Size(4, 4)` 呢？第 2 行和第 3 行的分界线上？这就没法定义了。
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#### 代码关键片段解释
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本实验在 400×400 画布上画了圆、矩形、三角形、文字和**随机散点**（模拟噪声），然后用四种不同参数做高斯模糊：
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- `blur_light`：ksize=(3,3)——轻微模糊，只消掉最小的噪声
|
||
- `blur_medium`：ksize=(9,9)——中度模糊，散点开始消失，边缘变软
|
||
- `blur_heavy`：ksize=(21,21)——重度模糊，细节全无
|
||
- `blur_aniso`：ksize=(0,0)，sigmaX=15，sigmaY=3——**各向异性模糊**（horizontal 方向糊得很厉害，vertical 方向保持了较多的清晰度），演示了 sigmaX 和 sigmaY 独立控制的效果
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#### 编译与运行
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||
```bash
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||
cd /mnt/d/RM/25教学/视觉1/OpenCV-CPP/exp3_gaussian_blur
|
||
mkdir -p build && cd build
|
||
cmake .. && make -j$(nproc)
|
||
./exp3
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||
```
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||
#### 查看结果
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进入 `\\wsl$\Ubuntu\mnt\d\RM\25教学\视觉1\OpenCV-CPP\exp3_gaussian_blur\build`，对比 `original.jpg`、`blur_3x3.jpg`、`blur_9x9.jpg`、`blur_21x21.jpg` 四张图，观察散点噪声如何逐渐消失。
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### 4.4 实验 4：Canny 边缘检测
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#### 目标
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- 理解什么是"边缘"——图像中亮度剧变的地方
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- 初步了解 Canny 算法的工作流程
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- 掌握 `cv::Canny` 的用法及双阈值的含义
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#### 涉及函数及参数详解
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##### `cv::Canny`
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```cpp
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cv::Canny(src, dst, threshold1, threshold2, apertureSize, L2gradient);
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||
```
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| 参数 | 说明 |
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|------|------|
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| `src` | 输入图像（**必须是 8 位单通道灰度图！**）彩色图必须先转灰度 |
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||
| `dst` | 输出图像（二值图，边缘 = 255 白色，非边缘 = 0 黑色） |
|
||
| `threshold1` | 低阈值（弱边缘的最低门槛） |
|
||
| `threshold2` | 高阈值（强边缘的门槛） |
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||
| `apertureSize` | Sobel 算子孔径（默认 3，一般不改） |
|
||
| `L2gradient` | 是否用更精确的梯度计算（默认 false，用更快的近似） |
|
||
|
||
**threshold1 和 threshold2 的关系（迟滞阈值）**：
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||
|
||
Canny 算法最精妙的设计就是这个"双阈值 + 迟滞"机制：
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||
|
||
- 梯度强度 **> threshold2** 的像素 → **必然是边缘**（强边缘，保留）
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||
- 梯度强度 **< threshold1** 的像素 → **必然不是边缘**（直接丢弃）
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||
- 梯度强度在 threshold1 和 threshold2 **之间**的像素 → **看情况**：如果它与某个强边缘像素相邻（连成一条线），就保留；如果孤零零地没有"大腿抱"，就丢弃。
|
||
|
||
**生活比喻**：这就像大学社团招新——threshold2 是"面试官直接拍了板的优秀新生"（直接录取），threshold1 是"明显不合格的"（直接淘汰）。介于两者之间的，看他们**有没有认识的学长学姐**（是否和已录取的人有关系）来决定。有关系的人优先录取，完全没背景的就算了。
|
||
|
||
> 推荐 threshold2 大约为 threshold1 的 **2～3 倍**。`(50, 150)` 和 `(100, 200)` 都是常用组合。
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||
|
||
**边缘检测前为什么要先高斯模糊？**
|
||
噪点也是"亮度剧变"，如果不先模糊，Canny 会把噪点也当作边缘。先模糊能消除这些假边缘（所以实验 8 的 pipeline 里是"先模糊再 Canny"）。
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||
#### 代码关键片段解释
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1. 生成包含圆形、矩形、线条、文字和各种图形边缘的测试图
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||
2. 转灰度（因为 Canny 只接受单通道输入）
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3. 做三组不同阈值的 Canny：
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- `(50, 150)`：低阈值 → 大量细节边缘
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||
- `(100, 200)`：中等阈值 → 适中结果
|
||
- `(200, 400)`：高阈值 → 只保留最强烈的边缘
|
||
4. 多做一组：先 `GaussianBlur` 再用 `(50, 150)` 做 Canny，与不做模糊的结果对比——你会发现模糊后的边缘更干净、连续
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||
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||
#### 编译与运行
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||
|
||
```bash
|
||
cd /mnt/d/RM/25教学/视觉1/OpenCV-CPP/exp4_canny
|
||
mkdir -p build && cd build
|
||
cmake .. && make -j$(nproc)
|
||
./exp4
|
||
```
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||
|
||
#### 查看结果
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||
|
||
进入 `\\wsl$\Ubuntu\mnt\d\RM\25教学\视觉1\OpenCV-CPP\exp4_canny\build`，对比 `edges_low.jpg`、`edges_mid.jpg`、`edges_high.jpg`，以及 `edges_after_blur.jpg`，观察阈值和预处理对结果的影响。
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### 4.5 实验 5：图像阈值化
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#### 目标
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- 理解"阈值化"——把灰度图按照某个界限一刀切成两部分
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- 掌握 `cv::threshold` 的 5 种阈值类型
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- 理解二值图在后续处理中的基础地位
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#### 涉及函数及参数详解
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##### `cv::threshold`
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```cpp
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||
cv::threshold(src, dst, thresh, maxval, type);
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||
```
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||
| 参数 | 说明 |
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||
|------|------|
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||
| `src` | 输入图像（**必须是单通道灰度图**） |
|
||
| `dst` | 输出图像 |
|
||
| `thresh` | 阈值（那个"分界线"） |
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||
| `maxval` | 满足条件时赋予的最大值（通常为 255） |
|
||
| `type` | 阈值类型（决定"怎么切"） |
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||
|
||
**5 种阈值类型（假设 thresh=128, maxval=255）**：
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||
|
||
| 类型 | 像素 > 128 时 | 像素 ≤ 128 时 | 效果 |
|
||
|------|-------------|-------------|------|
|
||
| `THRESH_BINARY` | 设为 255（白） | 设为 0（黑） | 标准二值化 |
|
||
| `THRESH_BINARY_INV` | 设为 0（黑） | 设为 255（白） | 反色二值化 |
|
||
| `THRESH_TRUNC` | 设为 128（截断） | 保持原值 | 亮部被"削平" |
|
||
| `THRESH_TOZERO` | 保持原值 | 设为 0（黑） | 暗部清零 |
|
||
| `THRESH_TOZERO_INV` | 设为 0（黑） | 保持原值 | 亮部清零 |
|
||
|
||
**生活比喻**：把 0~255 的灰度值想象成 0~100 分的考试成绩。阈值 = 60 分（及格线）。
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||
|
||
- `THRESH_BINARY`：≥60 分的算"通过(=255)"，<60 分的算"不通过(=0)"。成绩单上只有"通过/不通过"两种结果。
|
||
- `THRESH_BINARY_INV`：反过来，≥60 分的算"不通过"，<60 分的算"通过"。
|
||
- `THRESH_TRUNC`：≥60 分的全部记作 60 分（分数被"截断"了，不允许超过 60）。这就是某些竞赛里"满分就按 100 算，超过也按 100 算"。
|
||
- `THRESH_TOZERO`：≥60 分的保留原始分数，<60 分的全部记 0 分。
|
||
- `THRESH_TOZERO_INV`：反过来，<60 分的保留原始分数，≥60 分的全部记 0 分。
|
||
|
||
**RoboMaster 中最常用哪个？**
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||
`THRESH_BINARY`——将灰度图直接转化为非黑即白的二值图，这是形态学处理和轮廓检测的前置要求。
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#### 代码关键片段解释
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1. 手工用双重循环生成一张从左到右灰度渐变的图（0 → 255）
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2. 在 x=256 处画一条白线标记阈值 128 的位置
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||
3. 对同一张渐变图分别应用 5 种阈值类型并保存——打开图片对比，你能直观地看到每种类型的"切法"完全不同
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#### 编译与运行
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```bash
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||
cd /mnt/d/RM/25教学/视觉1/OpenCV-CPP/exp5_threshold
|
||
mkdir -p build && cd build
|
||
cmake .. && make -j$(nproc)
|
||
./exp5
|
||
```
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||
---
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### 4.6 实验 6：形态学操作——腐蚀与膨胀
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#### 目标
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- 理解"腐蚀"和"膨胀"对二值图的作用
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- 掌握 `cv::erode`、`cv::dilate`、`cv::getStructuringElement`
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- 了解"开运算"和"闭运算"及其应用场景
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#### 涉及函数及参数详解
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##### (1) `cv::erode`（腐蚀）
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```cpp
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cv::erode(src, dst, kernel, anchor, iterations);
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```
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**效果**：白色区域"瘦一圈"。腐蚀会**吃掉白色区域的外层**。如果白色物体本身就很小（如背景噪声点），腐蚀后可能直接消失。
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||
**生活比喻**：海边的沙堡被涨潮的海水冲——沙堡边缘的沙子被海水"吃掉"了。
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|
||
##### (2) `cv::dilate`（膨胀）
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||
```cpp
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||
cv::dilate(src, dst, kernel, anchor, iterations);
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||
```
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||
|
||
**效果**：白色区域"胖一圈"。膨胀会把白色区域**向外扩张**，如果两个白色物体离得很近，膨胀后可能连在一起。
|
||
|
||
**生活比喻**：给房子外围砌了一圈围墙——房子变大了。
|
||
|
||
##### (3) `cv::getStructuringElement`
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||
|
||
```cpp
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||
cv::Mat kernel = cv::getStructuringElement(形状, cv::Size(w, h));
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||
```
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||
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| 形状 | 说明 |
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||
|------|------|
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| `MORPH_RECT` | 矩形核（最常用） |
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||
| `MORPH_ELLIPSE` | 椭圆核（圆形范围） |
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| `MORPH_CROSS` | 十字形核（只影响上下左右方向） |
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||
|
||
`cv::Size(w, h)` 越大，每次操作的"波及范围"越大。
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||
|
||
##### (4) 开运算与闭运算
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| 名称 | 步骤 | 效果 | RoboMaster 用途 |
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|------|------|------|----------------|
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| **开运算** | 先腐蚀，再膨胀 | 去掉小白点噪声，保持物体大小不变 | 去掉 inRange 后的散点误检 |
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||
| **闭运算** | 先膨胀，再腐蚀 | 填充物体内部的黑色小洞，保持物体大小不变 | 填补灯条提取后出现的内部断裂 |
|
||
|
||
> OpenCV 也提供了 `cv::morphologyEx` 函数可以一步完成开/闭运算（参数 `MORPH_OPEN` / `MORPH_CLOSE`），但为了让你理解原理，实验代码中**手动**实现了这两步。
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#### 代码关键片段解释
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1. 生成测试图：白色矩形（目标）+ 矩形内部两个黑色圆洞（模拟空洞）+ 背景大量白色小散点（模拟噪声）
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2. **腐蚀**：背景散点被消除或缩小（因为太小），矩形变瘦，内部黑洞变大
|
||
3. **膨胀**：背景散点变大（坏事），矩形变胖，内部黑洞变小甚至被填充
|
||
4. **开运算**：先腐蚀消灭散点，再膨胀把矩形恢复原大小——但内部的黑洞被腐蚀放大了，恢复不了
|
||
5. **闭运算**：先膨胀填充黑洞，再腐蚀把矩形恢复原大小——但背景散点也被膨胀放大了，收不回来
|
||
6. **3 次腐蚀**：演示 `iterations` 参数的作用
|
||
|
||
**一个重要的观察**：开运算擅长"去噪但保持大小"，闭运算擅长"填空但保持大小"——它们各有所长，实际应用中经常**先开后闭**，结合使用。
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||
#### 编译与运行
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||
|
||
```bash
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||
cd /mnt/d/RM/25教学/视觉1/OpenCV-CPP/exp6_morphology
|
||
mkdir -p build && cd build
|
||
cmake .. && make -j$(nproc)
|
||
./exp6
|
||
```
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||
|
||
#### 查看结果
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||
|
||
进入 `\\wsl$\Ubuntu\mnt\d\RM\25教学\视觉1\OpenCV-CPP\exp6_morphology\build`，依次对比 `binary.jpg`（原始）→ `eroded.jpg`（腐蚀）→ `dilated.jpg`（膨胀）→ `opened.jpg`（开运算）→ `closed.jpg`（闭运算），感受每种操作的效果。
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||
---
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||
### 4.7 实验 7：颜色提取——inRange
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||
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||
> [!IMPORTANT]
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||
> **这是 RoboMaster 最核心的实验！** 本节课结束后，你将对"如何在图像中找到红色灯条"有完整的概念。
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||
#### 目标
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||
- 掌握 `cv::inRange` 的用法
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||
- 理解为什么要在 HSV 空间而非 BGR 空间做颜色提取
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- 掌握红色的典型 HSV 范围——**这是 RoboMaster 红色灯条检测的基础**
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||
- 学会用 `bitwise_and` 和 `bitwise_or` 操作 mask
|
||
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||
#### 涉及函数及参数详解
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||
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||
##### (1) `cv::inRange`
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```cpp
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||
cv::inRange(src, lowerb, upperb, dst);
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||
```
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- **`src`**：输入图像（强烈推荐先转为 HSV！）
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||
- **`lowerb`**：颜色范围的**下界**——`cv::Scalar(H_min, S_min, V_min)`
|
||
- **`upperb`**：颜色范围的**上界**——`cv::Scalar(H_max, S_max, V_max)`
|
||
- **`dst`**：输出 mask 二值图
|
||
- 白色（255）→ 该像素的 HSV 值在 [lowerb, upperb] 区间内
|
||
- 黑色（0）→ 不在区间内
|
||
|
||
##### (2) 红色的 HSV 范围（RoboMaster 红色灯条）
|
||
|
||
这是一个非常关键的知识点。在 OpenCV 中，**红色的 H 值跨越了 0° 的分界线**（因为色相是一个环，0°=360°=红色）。所以提取红色需要**两个区间合并**：
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||
|
||
```
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||
区间 1：H ∈ [0, 10] 纯红 ~ 偏橙红
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||
区间 2：H ∈ [160, 180] 偏紫红 ~ 绕回到纯红
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||
```
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||
|
||
| 参数 | 推荐范围 | 说明 |
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|------|----------|------|
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| **H 下限** | 0 或 160 | 红色的两个 Hue 区间的起点 |
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||
| **H 上限** | 10 或 180 | 红色的两个 Hue 区间的终点 |
|
||
| **S 下限** | 100 | 排除接近灰白的颜色（饱和度太低 = 没颜色） |
|
||
| **S 上限** | 255 | 最鲜艳（一般不动） |
|
||
| **V 下限** | 100 | 排除太暗的像素（可能是阴影或黑色物体） |
|
||
| **V 上限** | 255 | 最亮（一般是 255） |
|
||
|
||
> [!WARNING]
|
||
> 这些值**不是一成不变的**！实际比赛时，场地灯光、相机白平衡、曝光参数都会影响 HSV 值。你需要在比赛前做**现场调参**——用滑动条工具（比如 `cv::createTrackbar`）实时调整这些阈值，找到最适合当前场地的参数。这个会在后续的"调参实战"课中教学。
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||
|
||
##### (3) `cv::bitwise_or` 和 `cv::bitwise_and`
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```cpp
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cv::bitwise_or(src1, src2, dst); // 两个 mask 做"或"操作 → 合并
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||
cv::bitwise_and(src1, src2, dst, mask); // 按 mask 提取原图
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||
```
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||
|
||
- **bitwise_or**：用于合并"红色区间 1"和"红色区间 2"的 mask
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||
- **bitwise_and**：将 mask 覆盖在原图上，提取出"原图中满足 mask 的区域"
|
||
|
||
**生活比喻**：
|
||
- `bitwise_or`：你有两张透明塑料片，片 1 上挖了"范围 1"的洞，片 2 上挖了"范围 2"的洞。把两张叠在一起，**只要有任意一张有洞**的位置，光就能透过去。这就是"或"。
|
||
- `bitwise_and`：你有一张完整的照片（src1 = src2 = 原图），在上面盖一张挖了洞的黑色卡纸（mask）。只有**洞的位置**你能看到照片内容，其他地方是黑的。
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||
#### 代码关键片段解释
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||
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||
1. 生成包含**多种颜色**（红、蓝、绿、黄、青、品红）和**多种深浅红色**的测试图
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||
2. BGR → HSV 转换
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||
3. 用两个 `inRange` 分别提取两个红色区间，用 `bitwise_or` 合并——得到完整的红色 mask
|
||
4. 用 `bitwise_and` 将 mask 盖回原图，直观地看到"只保留了红色物体"
|
||
5. 附加实验：同样方法提取蓝色（为 RoboMaster 蓝方视觉组做铺垫）
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|
||
#### 编译与运行
|
||
|
||
```bash
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||
cd /mnt/d/RM/25教学/视觉1/OpenCV-CPP/exp7_inrange
|
||
mkdir -p build && cd build
|
||
cmake .. && make -j$(nproc)
|
||
./exp7
|
||
```
|
||
|
||
#### 查看结果
|
||
|
||
进入 `\\wsl$\Ubuntu\mnt\d\RM\25教学\视觉1\OpenCV-CPP\exp7_inrange\build`，依次查看：
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||
- `original.jpg`：原始彩色图
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||
- `mask_red1.jpg` / `mask_red2.jpg`：两个红色区间的 mask
|
||
- `mask_red_combined.jpg`：合并后的完整红色 mask
|
||
- `red_extracted.jpg`：原图中只有红色的部分
|
||
- `mask_blue.jpg` / `blue_extracted.jpg`：蓝色提取
|
||
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---
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||
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||
### 4.8 实验 8：综合流水线
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||
#### 目标
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- 将前 7 个实验的技术**串联**成一个完整流程
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- 理解"预处理 → 提取 → 后处理 → 检测"的标准套路
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||
- 体验一个简化的 RoboMaster 灯条检测全流程
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||
#### 流水线设计
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||
```
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原始场景图
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│
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├──[阶段 1]── 生成模拟 RoboMaster 场景的测试图 ──► 01_original_scene.jpg
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│
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├──[阶段 2]── BGR → HSV 转换 ──► 02_hsv.jpg
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│
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├──[阶段 3]── 高斯模糊（去噪） ──► 03_hsv_blurred.jpg
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│
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├──[阶段 4]── inRange 提取红色 ──► 04_red_mask_raw.jpg
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│
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├──[阶段 5]── 形态学清理 ──► 05a_mask_opened.jpg → 05b_mask_cleaned.jpg
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│ ├── 开运算：去掉噪点
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│ └── 闭运算：填充空洞
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│
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└──[阶段 6]── 结果呈现 ──► 06a → 06b → 06c_result.jpg
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├── bitwise_and 提取红色区域
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├── Canny 边缘检测（可视化 mask 的边缘）
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└── findContours + boundingRect 画框标记
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```
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#### 新涉及函数
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##### (1) `cv::findContours`
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```cpp
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cv::findContours(二值图, 轮廓容器, 检索模式, 近似方法);
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```
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在二值图中找到所有白色区域的轮廓。
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- **检索模式**：`cv::RETR_EXTERNAL` = 只找最外层轮廓（不关心嵌套的内部轮廓）
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- **近似方法**：`cv::CHAIN_APPROX_SIMPLE` = 压缩水平/垂直/对角线，只保留拐点（节省内存）
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##### (2) `cv::boundingRect`
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```cpp
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cv::Rect bbox = cv::boundingRect(轮廓);
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```
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计算能包围该轮廓的**最小直立矩形**。返回的 `cv::Rect` 包含 `x, y, width, height` 四个属性，可以直接用于 `cv::rectangle` 画框。
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#### 代码关键片段解释
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1. **阶段 1**：生成模拟场景——深灰背景（模拟暗光比赛场地）+ 两个红色竖直灯条 + 装甲板连接 + 蓝色/绿色/黄色的干扰物 + 随机噪点
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2. **阶段 2-3**：HSV 转换 + 高斯模糊（与实验 2、3 一致）
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3. **阶段 4**：inRange 提取红色（与实验 7 一致，双范围合并）
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4. **阶段 5**：形态学清理——先开运算去噪点，再闭运算填充灯条内的小黑洞，得到一个干净的 mask
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5. **阶段 6**：
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- 用 `bitwise_and` 提取原图中的红色区域
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- 用 `Canny` 在 mask 上做边缘检测（可选，展示 mask 的轮廓质量）
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- 用 `findContours` 找到所有白色区域的轮廓
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- 对每个轮廓用 `boundingRect` 计算外接矩形
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- **筛选条件**：面积 > 100 且 高度 > 宽度×2（竖直细长——灯条的特征）
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- 在结果图上画绿色边框和 `Target N` 标签
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#### 编译与运行
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```bash
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cd /mnt/d/RM/25教学/视觉1/OpenCV-CPP/exp8_pipeline
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mkdir -p build && cd build
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cmake .. && make -j$(nproc)
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./exp8
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```
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#### 查看结果
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进入 `\\wsl$\Ubuntu\mnt\d\RM\25教学\视觉1\OpenCV-CPP\exp8_pipeline\build`：
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1. `01_original_scene.jpg` → 原始场景（找找红色灯条在哪儿）
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2. `04_red_mask_raw.jpg` → inRange 的原始 mask（能看出哪些是红色的）
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3. `05a_mask_opened.jpg` → 开运算后（噪点应该少了）
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4. `05b_mask_cleaned.jpg` → 闭运算后（灯条更完整）
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5. `06c_result.jpg` → **最终结果**！绿灯条框标出的就是检测到的灯条！
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> [!TIP]
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> 如果你看 `06c_result.jpg` 发现只有 0 个或 1 个检测框（预期应该是 2 个），别担心！这是因为代码中筛选条件比较严格。你可以在 `main.cpp` 中调整筛选参数（面积阈值和长宽比阈值），重新编译运行看看效果变化——这对后续的调参能力是很好的练习。
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## 5. 结语与下一步预告
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### 恭喜你！
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完成了以上 8 个实验，你已经掌握了 OpenCV 图像处理的基础"武器库"：
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| 你掌握的技能 | 对应的 OpenCV 函数 |
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|-------------|-------------------|
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| 读取和保存图像 | `imread` / `imwrite` / `Mat` |
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| 颜色空间转换 | `cvtColor` |
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| 图像去噪 | `GaussianBlur` |
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| 边缘检测 | `Canny` |
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| 图像二值化 | `threshold` |
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| 形态学去噪/填充 | `erode` / `dilate` |
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| 颜色提取 | `inRange` + `bitwise_or` + `bitwise_and` |
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| 流水线串联 | 全部以上函数 + `findContours` + `boundingRect` |
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这些技能每一项单独看可能不太起眼，但**串联在一起**，你就已经有能力写出一个简化的 RoboMaster 红色灯条检测程序了——这正是今天实验 8 所做的事情。
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### 接下来的课程预告
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在后续的视觉组培训课程中，我们将逐步深入学习：
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1. **调参实战**：如何在比赛现场快速调整 HSV 阈值、高斯核大小、Canny 阈值
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2. **工业相机使用**：不再用 `imread` 读文件，而是用 SDK 从真实相机实时取流
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3. **灯条匹配与筛选**：如何将两个灯条配对成一个装甲板，并按面积、角度、长宽比过滤
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4. **PNP 位姿解算**：根据灯条在图像中的位置和已知的物理尺寸，解算装甲板的三维坐标
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5. **串口通信**：将解算出的坐标（Yaw, Pitch）通过串口发送给云台控制板
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6. **多线程架构**：图像采集、处理、通信并行运行，提高帧率
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希望在接下来的课程中继续见到你！有任何问题，随时在答疑群或训练时向学长学姐提问。
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## 6. 附录：所有实验源文件完整代码
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> **说明**：以下按文件夹列出每个实验的 `CMakeLists.txt` 和 `main.cpp` 完整源代码。你可以对照教案中的讲解，在代码中找到对应的行。每个代码块上方的标题标明了相对路径。
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### exp1_read_write/CMakeLists.txt
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```cmake
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# ============================================================
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# 实验 1：图像读取与保存 - CMake 构建配置文件
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# ============================================================
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# cmake_minimum_required: 指定构建此项目所需的最低 CMake 版本
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# VERSION 3.10 是一个相对较老但足够稳定的版本（WSL Ubuntu 默认通常满足）
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cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
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# project: 给你的项目起一个名字
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||
# 这个名字会出现在生成的解决方案中，也方便你辨认
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||
# 命名规则：exp + 实验编号 + 下划线 + 实验英文名
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project(exp1_read_write)
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# set(CMAKE_CXX_STANDARD 11): 指定使用 C++11 标准
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# C++11 提供了 auto、范围 for 等现代特性，代码写起来更舒服
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set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
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||
# CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED: 设为 ON 表示"必须"使用 C++11
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# 如果编译器不支持 C++11，CMake 会直接报错，而不是偷偷降级
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||
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
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||
# find_package: 寻找外部库，这里是寻找 OpenCV
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||
# REQUIRED 表示 OpenCV 是必须的，找不到就报错并停止配置
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||
# CMake 会自动查找 OpenCV 的头文件路径和库文件路径
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find_package(OpenCV REQUIRED)
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# add_executable: 告诉 CMake 我们要生成一个可执行文件
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||
# 第一个参数 "exp1" 是可执行文件的名字（编译后运行 ./exp1）
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# 第二个参数 "main.cpp" 是参与编译的源文件（可以有多个）
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add_executable(exp1 main.cpp)
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||
# target_link_libraries: 将 OpenCV 的库文件链接到我们的可执行文件上
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||
# ${OpenCV_LIBS} 是 find_package(OpenCV) 自动填充的变量
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||
# 它包含了 OpenCV 所有需要的 .so 库文件路径
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||
# 不写这一行的话，编译时会出现"未定义引用"的链接错误
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||
target_link_libraries(exp1 ${OpenCV_LIBS})
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||
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||
# include_directories: 将 OpenCV 的头文件目录添加到编译器的搜索路径中
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||
# ${OpenCV_INCLUDE_DIRS} 也是 find_package 自动填充的
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||
# 这样编译器才能找到 #include <opencv2/opencv.hpp> 这样的头文件
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||
include_directories(${OpenCV_INCLUDE_DIRS})
|
||
```
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||
|
||
### exp1_read_write/main.cpp
|
||
|
||
```cpp
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||
/*
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* ============================================================
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||
* 实验 1：图像读取与保存
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||
* 知识点：cv::Mat、cv::imread、cv::imwrite
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||
* ============================================================
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||
*
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||
* 【实验目标】
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* 1. 理解 cv::Mat —— OpenCV 中存储图像的核心数据类型
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||
* 2. 学会用 cv::imread 从文件中读取图像
|
||
* 3. 学会用 cv::imwrite 将图像保存到文件
|
||
* 4. 养成检查图像是否读取成功的习惯
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||
*
|
||
* 【生活化比喻】
|
||
* 把 cv::Mat 想象成一张"棋盘格纸"：
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||
* - 每个格子是一个"像素"（就是图像上的一个小点）
|
||
* - 格子里填的数字代表颜色（比如 0=黑, 255=白）
|
||
* - 整张纸就是一幅图像，OpenCV 把它存在计算机内存里
|
||
*
|
||
* cv::imread 就像是"用扫描仪把一张打印好的照片扫进电脑"
|
||
* cv::imwrite 就像是"用打印机把电脑里的图打印出来"
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||
*/
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||
|
||
// 包含 OpenCV 核心头文件
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||
// opencv.hpp 是一个"总头文件"，包含了 OpenCV 所有常用模块
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||
// 这是最方便的写法，学习阶段推荐使用
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#include <opencv2/opencv.hpp>
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||
|
||
// 包含标准输入输出流，用于打印信息到终端
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#include <iostream>
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||
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// main 函数 —— 所有 C++ 程序的入口点
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// argc 是命令行参数个数，argv 是参数内容数组
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||
// 在本实验中我们不使用命令行参数，所以参数名可以省略
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int main()
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{
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// ==========================================
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// 第一部分：生成一张测试图片
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// ==========================================
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||
// 为什么先生成一张图片而不是直接读取？
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// 因为我们要确保每个同学都能运行成功，不依赖任何外部图片文件
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||
// 等学会读取之后，你可以把自己的照片放到这个文件夹里来测试！
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||
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||
// cv::Mat(行数, 列数, 类型, 颜色值) —— 创建一个矩阵/图像
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||
// - 480：图像高度 480 像素（行数），也就是垂直方向有 480 个点
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||
// - 640：图像宽度 640 像素（列数），也就是水平方向有 640 个点
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||
// - CV_8UC3：每个像素用 8 位无符号整数 × 3 个通道表示
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||
// - 8U = 8-bit Unsigned（取值范围 0~255）
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||
// - C3 = 3 个通道（Channel），也就是 B（蓝）、G（绿）、R（红）
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||
// - 所以每个像素需要 3 个字节来存储颜色信息
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||
// - cv::Scalar(255, 255, 255)：Scalar 是一个四元组 (B, G, R, Alpha)
|
||
// - 这里 (255,255,255) 就是纯白色（B=255, G=255, R=255）
|
||
// 注意 OpenCV 的颜色顺序是 BGR，不是我们常见的 RGB！
|
||
// 这是历史原因造成的，记住就好：OpenCV 里永远是 BGR 顺序
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||
std::cout << "[步骤 1] 正在生成一张 640x480 的彩色测试图片..." << std::endl;
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||
cv::Mat canvas(480, 640, CV_8UC3, cv::Scalar(50, 50, 50)); // 深灰色背景
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||
|
||
// 在画布上画一些彩色图形，让图片看起来有趣
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||
// cv::circle(图像, 圆心, 半径, 颜色, 线宽) —— 画圆
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||
// 圆心用 cv::Point(x, y) 表示，注意 x 是水平方向（列），y 是垂直方向（行）
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||
// 线宽 = -1 表示填充整个圆（实心圆）
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||
cv::circle(canvas, cv::Point(150, 120), 80, cv::Scalar(255, 0, 0), -1); // 蓝色实心圆（B=255）
|
||
cv::circle(canvas, cv::Point(320, 120), 80, cv::Scalar(0, 255, 0), -1); // 绿色实心圆（G=255）
|
||
cv::circle(canvas, cv::Point(490, 120), 80, cv::Scalar(0, 0, 255), -1); // 红色实心圆（R=255）
|
||
|
||
// cv::rectangle(图像, 左上角, 右下角, 颜色, 线宽) —— 画矩形
|
||
// 线宽 = 3 表示空心矩形，边框宽度为 3 像素
|
||
cv::rectangle(canvas, cv::Point(100, 280), cv::Point(540, 440),
|
||
cv::Scalar(0, 255, 255), 3); // 黄色空心矩形（B=0, G=255, R=255）
|
||
|
||
// cv::putText(图像, 文字, 起始位置, 字体, 字号, 颜色, 线宽) —— 写文字
|
||
cv::putText(canvas, "OpenCV Experiment 1", cv::Point(130, 350),
|
||
cv::FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, cv::Scalar(255, 255, 255), 2); // 白色文字
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||
|
||
// 将生成的图片保存为文件
|
||
// cv::imwrite(文件路径, 图像矩阵) —— 把内存中的图像写入磁盘
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||
// 返回值是 bool 类型：true 表示保存成功，false 表示失败
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||
// 文件格式由扩展名决定，这里 .jpg 表示用 JPEG 格式压缩保存
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||
bool write_ok = cv::imwrite("test_image.jpg", canvas);
|
||
if (write_ok)
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||
{
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||
std::cout << " -> 测试图片已保存为 test_image.jpg" << std::endl;
|
||
}
|
||
else
|
||
{
|
||
std::cerr << " [错误] 保存测试图片失败！" << std::endl;
|
||
return -1; // 返回 -1 表示程序异常退出
|
||
}
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||
|
||
// ==========================================
|
||
// 第二部分：读取图片
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||
// ==========================================
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||
std::cout << "[步骤 2] 正在读取 test_image.jpg..." << std::endl;
|
||
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||
// cv::imread(文件路径, 读取模式) —— 从磁盘读取图像到内存
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||
// 返回值是一个 cv::Mat 对象，包含了图像的像素数据
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||
//
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||
// 读取模式（第二个参数）：
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||
// cv::IMREAD_COLOR = 1 ：始终读取为 3 通道彩色图（默认值）
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||
// cv::IMREAD_GRAYSCALE = 0 ：始终读取为单通道灰度图
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||
// cv::IMREAD_UNCHANGED = -1 ：保持原样（包括 Alpha 透明通道）
|
||
//
|
||
// 这里使用 cv::IMREAD_COLOR 确保读进来是彩色图像
|
||
cv::Mat image = cv::imread("test_image.jpg", cv::IMREAD_COLOR);
|
||
|
||
// 【极其重要】检查图像是否读取成功！
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||
// image.empty() 返回 true 表示 Mat 对象中没有数据
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||
// 常见失败原因：
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||
// 1. 文件名写错了（大小写、拼写错误）
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||
// 2. 文件不在程序运行的当前目录下
|
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// 3. 文件损坏或格式不支持
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||
// 养成好习惯：每次 imread 之后都要检查 empty()！
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||
if (image.empty())
|
||
{
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||
std::cerr << "[错误] 无法读取图像！请检查：" << std::endl;
|
||
std::cerr << " 1. test_image.jpg 是否在当前目录下？" << std::endl;
|
||
std::cerr << " 2. 文件名是否正确（注意大小写）？" << std::endl;
|
||
return -1; // 返回 -1 表示程序因错误退出
|
||
}
|
||
|
||
// 打印图像的基本信息
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||
// image.rows —— 图像高度（行数，垂直像素数）
|
||
// image.cols —— 图像宽度（列数，水平像素数）
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||
// image.channels() —— 通道数（彩色=3，灰度=1）
|
||
// image.type() —— 像素数据类型编号
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||
std::cout << " -> 读取成功！图像信息：" << std::endl;
|
||
std::cout << " 宽度 (cols): " << image.cols << " 像素" << std::endl;
|
||
std::cout << " 高度 (rows): " << image.rows << " 像素" << std::endl;
|
||
std::cout << " 通道数: " << image.channels() << " (3=彩色, 1=灰度)" << std::endl;
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 第三部分：保存读到的图片（验证读取无误）
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||
// ==========================================
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||
std::cout << "[步骤 3] 正在保存为 output.jpg..." << std::endl;
|
||
|
||
// 把读到的图像原封不动地保存为新文件
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||
// 这样可以验证"读取 → 保存"整个流程是否正常
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||
bool save_ok = cv::imwrite("output.jpg", image);
|
||
if (save_ok)
|
||
{
|
||
std::cout << " -> 图片已成功保存为 output.jpg" << std::endl;
|
||
std::cout << " -> 请在 Windows 资源管理器中打开该文件查看结果！" << std::endl;
|
||
}
|
||
else
|
||
{
|
||
std::cerr << " [错误] 保存图片失败！请检查磁盘空间和写入权限。" << std::endl;
|
||
return -1;
|
||
}
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 总结
|
||
// ==========================================
|
||
std::cout << std::endl;
|
||
std::cout << "===== 实验 1 完成 =====" << std::endl;
|
||
std::cout << "你学会了：" << std::endl;
|
||
std::cout << " 1. cv::Mat 是 OpenCV 存储图像的数据类型" << std::endl;
|
||
std::cout << " 2. cv::imread() 从文件读取图像" << std::endl;
|
||
std::cout << " 3. cv::imwrite() 将图像写入文件" << std::endl;
|
||
std::cout << " 4. 读取后一定要检查 empty()" << std::endl;
|
||
|
||
// return 0 表示程序正常结束
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
```
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||
|
||
---
|
||
|
||
### exp2_color_space/CMakeLists.txt
|
||
|
||
```cmake
|
||
# ============================================================
|
||
# 实验 2：颜色空间转换 - CMake 构建配置文件
|
||
# ============================================================
|
||
|
||
# 指定 CMake 最低版本要求（3.10 是一个广泛兼容的版本）
|
||
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
|
||
|
||
# 项目名称：exp2_color_space
|
||
# 这个名称用于标识整个 CMake 项目
|
||
project(exp2_color_space)
|
||
|
||
# 设置 C++ 标准为 C++11
|
||
# C++11 引入了许多现代语言特性，使代码更简洁、更安全
|
||
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
|
||
|
||
# 强制要求编译器必须支持 C++11，否则停止配置
|
||
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
|
||
|
||
# 查找并加载 OpenCV 库
|
||
# REQUIRED 参数：如果找不到 OpenCV，CMake 会立即报错退出
|
||
# 这一步会设置 ${OpenCV_LIBS} 和 ${OpenCV_INCLUDE_DIRS} 等变量
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||
find_package(OpenCV REQUIRED)
|
||
|
||
# 定义可执行文件目标
|
||
# 可执行文件名：exp2（运行命令为 ./exp2）
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||
# 源文件：main.cpp
|
||
add_executable(exp2 main.cpp)
|
||
|
||
# 将 OpenCV 的动态库/静态库链接到 exp2 可执行文件
|
||
# 没有这行代码，编译器会报告大量"未定义符号"错误
|
||
# 因为 main.cpp 中调用的 OpenCV 函数实现都在这些库里
|
||
target_link_libraries(exp2 ${OpenCV_LIBS})
|
||
|
||
# 将 OpenCV 的头文件目录添加到 include 路径
|
||
# 使 #include <opencv2/opencv.hpp> 能被正确找到
|
||
include_directories(${OpenCV_INCLUDE_DIRS})
|
||
```
|
||
|
||
### exp2_color_space/main.cpp
|
||
|
||
```cpp
|
||
/*
|
||
* ============================================================
|
||
* 实验 2：颜色空间转换（BGR → Gray、HSV、Lab、YCrCb）
|
||
* 知识点：cv::cvtColor
|
||
* ============================================================
|
||
*
|
||
* 【实验目标】
|
||
* 1. 理解"颜色空间"的概念 —— 同一张图片的不同"坐标系"描述
|
||
* 2. 掌握 cv::cvtColor 函数的使用方法
|
||
* 3. 了解 Gray、HSV、Lab、YCrCb 各自的特点和用途
|
||
*
|
||
* 【生活化比喻】
|
||
* "颜色空间"就像是描述一个人位置的不同方式：
|
||
* - BGR 像"经纬度坐标"（给出精确的三维数值）
|
||
* - Gray 像"海拔高度"（一维数值，只有亮度）
|
||
* - HSV 像"方向+距离+高度"（色相、饱和度、明度）
|
||
* 色相(H) ：是什么颜色（红/黄/绿/蓝...），像钟表上的角度
|
||
* 饱和度(S)：颜色有多"纯"（鲜艳还是发灰），像果汁的浓度
|
||
* 明度(V) ：颜色有多亮（亮还是暗），像灯光的亮度
|
||
* - 不同场景用不同描述方式更方便！
|
||
*
|
||
* RoboMaster 任务中，HSV 是最常用的颜色空间
|
||
* 因为它把"颜色"和"亮度"分开了，不受光照变化的影响
|
||
*/
|
||
|
||
#include <opencv2/opencv.hpp>
|
||
#include <iostream>
|
||
#include <vector> // std::vector —— 动态数组，用于生成渐变色块
|
||
|
||
int main()
|
||
{
|
||
// ==========================================
|
||
// 第一部分：生成一张色彩丰富的测试图片
|
||
// ==========================================
|
||
std::cout << "[步骤 1] 正在生成彩色测试图片..." << std::endl;
|
||
|
||
// 创建一个 300×600 的彩色画布，背景为黑色
|
||
cv::Mat color_image(300, 600, CV_8UC3, cv::Scalar(0, 0, 0));
|
||
|
||
// 画出 6 个彩色矩形，代表不同颜色
|
||
// 颜色顺序：红、绿、蓝、黄、青、品红
|
||
// 每个矩形宽 100 像素，高 300 像素
|
||
std::vector<cv::Scalar> colors = {
|
||
cv::Scalar(0, 0, 255), // 红色 (B=0, G=0, R=255)
|
||
cv::Scalar(0, 255, 0), // 绿色 (B=0, G=255, R=0)
|
||
cv::Scalar(255, 0, 0), // 蓝色 (B=255, G=0, R=0)
|
||
cv::Scalar(0, 255, 255), // 黄色 (B=0, G=255, R=255)
|
||
cv::Scalar(255, 255, 0), // 青色 (B=255, G=255, R=0)
|
||
cv::Scalar(255, 0, 255) // 品红色 (B=255, G=0, R=255)
|
||
};
|
||
|
||
// 用循环依次画出每个色块
|
||
for (int i = 0; i < 6; i++)
|
||
{
|
||
// 每个矩形宽 100 像素，所以左上角 x = i * 100
|
||
int x_start = i * 100;
|
||
cv::rectangle(color_image,
|
||
cv::Point(x_start, 0), // 左上角
|
||
cv::Point(x_start + 100, 300), // 右下角
|
||
colors[i], // 填充颜色
|
||
-1); // -1 = 填充
|
||
}
|
||
|
||
// 在每个色块上写颜色名称
|
||
std::vector<std::string> color_names = {"Red", "Green", "Blue", "Yellow", "Cyan", "Magenta"};
|
||
for (int i = 0; i < 6; i++)
|
||
{
|
||
cv::putText(color_image, color_names[i],
|
||
cv::Point(i * 100 + 10, 150),
|
||
cv::FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.6,
|
||
cv::Scalar(255, 255, 255), // 白色文字
|
||
2);
|
||
}
|
||
|
||
// 保存原始彩色图
|
||
cv::imwrite("original.jpg", color_image);
|
||
std::cout << " -> 原始彩色图已保存为 original.jpg" << std::endl;
|
||
|
||
// ==========================================
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||
// 第二部分：执行各种颜色空间转换
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||
// ==========================================
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// --- 转换 1：BGR → 灰度 (Gray) ---
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||
// 灰度图像只有一个通道，每个像素的取值范围是 0~255
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||
// 转换公式（心理学灰度）：
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// Gray = 0.299 × R + 0.587 × G + 0.114 × B
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||
// 人眼对绿色最敏感（权重 0.587），对蓝色最不敏感（权重 0.114）
|
||
std::cout << "[步骤 2] BGR -> Gray（灰度）..." << std::endl;
|
||
cv::Mat gray_image;
|
||
cv::cvtColor(color_image, gray_image, cv::COLOR_BGR2GRAY);
|
||
cv::imwrite("gray.jpg", gray_image);
|
||
std::cout << " -> 已保存为 gray.jpg（单通道灰度图）" << std::endl;
|
||
|
||
// --- 转换 2：BGR → HSV ---
|
||
// HSV 三分量：
|
||
// H (Hue，色相) ：0~180（OpenCV 中缩放到此范围，实际是 0~360 度）
|
||
// S (Saturation，饱和度)：0~255（越大越鲜艳，0 就是灰色）
|
||
// V (Value，明度) ：0~255（越大越亮）
|
||
std::cout << "[步骤 3] BGR -> HSV..." << std::endl;
|
||
cv::Mat hsv_image;
|
||
cv::cvtColor(color_image, hsv_image, cv::COLOR_BGR2HSV);
|
||
cv::imwrite("hsv.jpg", hsv_image);
|
||
std::cout << " -> 已保存为 hsv.jpg（注意：HSV 图片直接查看颜色会怪怪的，"
|
||
<< "因为查看器把它当 BGR 解释了）" << std::endl;
|
||
|
||
// --- 转换 3：BGR → Lab ---
|
||
// Lab 是设备无关的颜色空间，设计目标是接近人类视觉感知
|
||
// L (Lightness，亮度) ：0~100（实际 OpenCV 映射到 0~255）
|
||
// a (绿-红轴) ：负值偏绿，正值偏红
|
||
// b (蓝-黄轴) ：负值偏蓝，正值偏黄
|
||
std::cout << "[步骤 4] BGR -> Lab..." << std::endl;
|
||
cv::Mat lab_image;
|
||
cv::cvtColor(color_image, lab_image, cv::COLOR_BGR2Lab);
|
||
cv::imwrite("lab.jpg", lab_image);
|
||
std::cout << " -> 已保存为 lab.jpg" << std::endl;
|
||
|
||
// --- 转换 4：BGR → YCrCb ---
|
||
// YCrCb 常用于图像/视频压缩（如 JPEG、MPEG）
|
||
// Y (亮度分量) ：类似灰度
|
||
// Cr (红色色度分量) ：红色与亮度的差异
|
||
// Cb (蓝色色度分量) ：蓝色与亮度的差异
|
||
// 人眼对亮度敏感，对色度不敏感，所以压缩时可以对 CbCr 做更多压缩
|
||
std::cout << "[步骤 5] BGR -> YCrCb..." << std::endl;
|
||
cv::Mat ycrcb_image;
|
||
cv::cvtColor(color_image, ycrcb_image, cv::COLOR_BGR2YCrCb);
|
||
cv::imwrite("ycrcb.jpg", ycrcb_image);
|
||
std::cout << " -> 已保存为 ycrcb.jpg" << std::endl;
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 第三部分：演示 HSV 各通道的分离
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// ==========================================
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||
std::cout << "[步骤 6] 分离 HSV 各通道..." << std::endl;
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||
// cv::split(输入图像, 输出通道数组) —— 将多通道图像拆分成多个单通道图像
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||
// 例如 3 通道的 HSV 图像可以拆成 H、S、V 三张独立的灰度图
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||
// std::vector<cv::Mat> 是一个能存放多个 cv::Mat 的动态数组
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std::vector<cv::Mat> hsv_channels;
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||
cv::split(hsv_image, hsv_channels);
|
||
// 拆分后：
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||
// hsv_channels[0] = H 通道（色相）
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||
// hsv_channels[1] = S 通道（饱和度）
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||
// hsv_channels[2] = V 通道（明度）
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||
|
||
// 分别保存三个通道
|
||
cv::imwrite("hsv_channel_H.jpg", hsv_channels[0]); // 色相通道
|
||
cv::imwrite("hsv_channel_S.jpg", hsv_channels[1]); // 饱和度通道
|
||
cv::imwrite("hsv_channel_V.jpg", hsv_channels[2]); // 明度通道
|
||
std::cout << " -> 已保存 hsv_channel_H.jpg / S.jpg / V.jpg" << std::endl;
|
||
|
||
// 总结
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||
std::cout << std::endl;
|
||
std::cout << "===== 实验 2 完成 =====" << std::endl;
|
||
std::cout << "你学会了：" << std::endl;
|
||
std::cout << " 1. cv::cvtColor() 可以在不同颜色空间之间转换" << std::endl;
|
||
std::cout << " 2. BGR → Gray：加权平均得到亮度" << std::endl;
|
||
std::cout << " 3. BGR → HSV：分开颜色和亮度，对光照变化更鲁棒" << std::endl;
|
||
std::cout << " 4. cv::split() 把多通道图像拆成单通道" << std::endl;
|
||
std::cout << " 5. RoboMaster 中 HSV 是核心！后面实验 7 会用到" << std::endl;
|
||
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
### exp3_gaussian_blur/CMakeLists.txt
|
||
|
||
```cmake
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||
# ============================================================
|
||
# 实验 3：高斯模糊 - CMake 构建配置文件
|
||
# ============================================================
|
||
|
||
# 最低 CMake 版本要求
|
||
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
|
||
|
||
# 项目标识名称
|
||
project(exp3_gaussian_blur)
|
||
|
||
# 使用 C++11 标准进行编译
|
||
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
|
||
|
||
# 强制 C++11，不可降级
|
||
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
|
||
|
||
# 自动搜索并配置 OpenCV 的头文件和库文件路径
|
||
find_package(OpenCV REQUIRED)
|
||
|
||
# 生成名为 "exp3" 的可执行文件，编译源文件 main.cpp
|
||
add_executable(exp3 main.cpp)
|
||
|
||
# 链接 OpenCV 库到可执行文件
|
||
# ${OpenCV_LIBS} 变量由 find_package 自动设置，包含所有必需的 OpenCV 模块
|
||
target_link_libraries(exp3 ${OpenCV_LIBS})
|
||
|
||
# 添加 OpenCV 头文件搜索路径
|
||
include_directories(${OpenCV_INCLUDE_DIRS})
|
||
```
|
||
|
||
### exp3_gaussian_blur/main.cpp
|
||
|
||
```cpp
|
||
/*
|
||
* ============================================================
|
||
* 实验 3：高斯模糊 (Gaussian Blur)
|
||
* 知识点：cv::GaussianBlur
|
||
* ============================================================
|
||
*
|
||
* 【实验目标】
|
||
* 1. 理解"模糊"本质上是什么（图像怎么变模糊的）
|
||
* 2. 掌握 cv::GaussianBlur 函数的参数含义
|
||
* 3. 观察不同卷积核大小对模糊效果的影响
|
||
*
|
||
* 【生活化比喻】
|
||
* 高斯模糊就像透过一块"毛玻璃"或"近视眼镜"看东西：
|
||
* - 原来的图像每个像素都很清晰（边界分明）
|
||
* - 模糊后，每个像素和它周围的像素颜色混在一起了
|
||
* - 核（kernel）越大，相当于毛玻璃越厚，混的范围越大，越模糊
|
||
*
|
||
* 为什么叫"高斯"？
|
||
* - 高斯（Gauss）是一位伟大的数学家
|
||
* - 他发现了一种"钟形曲线"（正态分布），用来描述自然界的很多现象
|
||
* - 在图像上，就是用这个钟形曲线来决定"周围的像素各占多大权重"
|
||
* - 距离中心越近的像素权重越大（理所当然嘛，最近的邻居影响最大）
|
||
*
|
||
* 在 RoboMaster 中为什么需要模糊？
|
||
* - 消除图像噪声（摄像头传感器本身的噪点）
|
||
* - 让后续的边缘检测、颜色提取更稳定
|
||
* - 像是"先把细节捋平，再找关键特征"
|
||
*
|
||
* 【函数详解】
|
||
* cv::GaussianBlur(src, dst, ksize, sigmaX, sigmaY, borderType)
|
||
*
|
||
* src ：输入图像（可以是一张有明显边缘的图）
|
||
* dst ：输出图像（大小和类型与输入相同）
|
||
* ksize ：高斯核的大小，必须是奇数！（如 (3,3), (5,5), (15,15)）
|
||
* 为什么是奇数？因为要有一个"中心像素"，核以它为中心对称展开
|
||
* sigmaX ：X 方向上的高斯标准差（控制左右方向的模糊程度）
|
||
* 如果设为 0，OpenCV 会根据 ksize 自动帮你算一个合适的值
|
||
* sigmaY ：Y 方向上的高斯标准差（控制上下方向的模糊程度）
|
||
* 如果设为 0，等于 sigmaX
|
||
* borderType ：边界处理方式（可选参数，默认即可）
|
||
*/
|
||
|
||
#include <opencv2/opencv.hpp>
|
||
#include <iostream>
|
||
#include <vector>
|
||
|
||
int main()
|
||
{
|
||
std::cout << "[步骤 1] 正在生成测试图片（含清晰边缘和纹理）..." << std::endl;
|
||
|
||
// 创建一张 400×400 的白色画布
|
||
cv::Mat original(400, 400, CV_8UC3, cv::Scalar(255, 255, 255));
|
||
|
||
// 画各种形状 —— 这些形状有清晰的边缘，模糊后效果明显
|
||
// 蓝色实心圆
|
||
cv::circle(original, cv::Point(100, 100), 60, cv::Scalar(255, 0, 0), -1);
|
||
// 绿色矩形框
|
||
cv::rectangle(original, cv::Point(200, 50), cv::Point(350, 150),
|
||
cv::Scalar(0, 200, 0), 3);
|
||
// 红色三角形（用 line 画三条线）
|
||
cv::line(original, cv::Point(50, 320), cv::Point(200, 200),
|
||
cv::Scalar(0, 0, 255), 5);
|
||
cv::line(original, cv::Point(200, 200), cv::Point(350, 320),
|
||
cv::Scalar(0, 0, 255), 5);
|
||
cv::line(original, cv::Point(350, 320), cv::Point(50, 320),
|
||
cv::Scalar(0, 0, 255), 5);
|
||
|
||
// 写文字（文字边缘也是测试模糊的好素材）
|
||
cv::putText(original, "OpenCV", cv::Point(80, 370),
|
||
cv::FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.2, cv::Scalar(0, 0, 0), 3);
|
||
|
||
// 画一些散点（模拟噪声，模糊后会被消除）
|
||
for (int i = 0; i < 300; i++)
|
||
{
|
||
int x = rand() % 400; // 随机 X 坐标（0~399）
|
||
int y = rand() % 400; // 随机 Y 坐标（0~399）
|
||
// 每个点画一个 2×2 的小方块（因为单个像素可能看不清）
|
||
cv::rectangle(original, cv::Point(x, y), cv::Point(x + 2, y + 2),
|
||
cv::Scalar(0, 0, 0), -1);
|
||
}
|
||
|
||
cv::imwrite("original.jpg", original);
|
||
std::cout << " -> 原始图片已保存为 original.jpg（注意看上面的散点噪声）" << std::endl;
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 核心实验：对比不同模糊程度
|
||
// ==========================================
|
||
|
||
// --- 模糊程度 1：轻微模糊（ksize = 3×3）---
|
||
// 3×3 的核非常小，只混合当前像素和它最近的 8 个邻居
|
||
// 效果：能消除最细小的噪点，但基本保留图像结构
|
||
std::cout << "[步骤 2] 应用轻微高斯模糊 (ksize = 3x3)..." << std::endl;
|
||
cv::Mat blur_light;
|
||
cv::GaussianBlur(original, blur_light, cv::Size(3, 3), 0, 0);
|
||
cv::imwrite("blur_3x3.jpg", blur_light);
|
||
std::cout << " -> 已保存为 blur_3x3.jpg（轻微模糊，细节基本保留）" << std::endl;
|
||
|
||
// --- 模糊程度 2：中度模糊（ksize = 9×9）---
|
||
// 9×9 的核覆盖了 81 个像素的范围
|
||
// 效果：散点噪声明显消失，边缘变得柔和
|
||
std::cout << "[步骤 3] 应用中度高模糊 (ksize = 9x9)..." << std::endl;
|
||
cv::Mat blur_medium;
|
||
cv::GaussianBlur(original, blur_medium, cv::Size(9, 9), 0, 0);
|
||
cv::imwrite("blur_9x9.jpg", blur_medium);
|
||
std::cout << " -> 已保存为 blur_9x9.jpg（中度模糊，噪声消失，边缘变软）" << std::endl;
|
||
|
||
// --- 模糊程度 3：重度模糊（ksize = 21×21）---
|
||
// 21×21 的核非常大，覆盖了 441 个像素的范围
|
||
// 效果：图像变得严重模糊，细节几乎全部丢失
|
||
// 这在实际应用中通常不会用这么大的核，这里纯粹为了演示
|
||
std::cout << "[步骤 4] 应用重度高斯模糊 (ksize = 21x21)..." << std::endl;
|
||
cv::Mat blur_heavy;
|
||
cv::GaussianBlur(original, blur_heavy, cv::Size(21, 21), 0, 0);
|
||
cv::imwrite("blur_21x21.jpg", blur_heavy);
|
||
std::cout << " -> 已保存为 blur_21x21.jpg（重度模糊，近乎一片朦胧）" << std::endl;
|
||
|
||
// --- 模糊程度 4：X/Y 方向不同模糊程度 ---
|
||
// 前面三个例子 sigmaX 和 sigmaY 都设为 0（自动计算）
|
||
// 这里我们手动指定不同方向的标准差：X 方向模糊大，Y 方向模糊小
|
||
std::cout << "[步骤 5] 应用各向异性模糊 (sigmaX=15, sigmaY=3)..." << std::endl;
|
||
cv::Mat blur_aniso;
|
||
cv::GaussianBlur(original, blur_aniso, cv::Size(0, 0), 15, 3);
|
||
// 注意：当 ksize 设为 (0,0) 时，OpenCV 会根据 sigma 自动计算合适的核大小
|
||
// sigmaX=15（水平方向大模糊）比 sigmaY=3（垂直方向小模糊）大很多
|
||
// 所以效果是：水平方向被"抹平"得很厉害，垂直方向相对清晰
|
||
cv::imwrite("blur_anisotropic.jpg", blur_aniso);
|
||
std::cout << " -> 已保存为 blur_anisotropic.jpg（水平方向很糊，垂直方向较清晰）" << std::endl;
|
||
|
||
// 总结
|
||
std::cout << std::endl;
|
||
std::cout << "===== 实验 3 完成 =====" << std::endl;
|
||
std::cout << "你学会了：" << std::endl;
|
||
std::cout << " 1. GaussianBlur 用高斯分布对像素进行加权平均" << std::endl;
|
||
std::cout << " 2. ksize 越大，模糊范围越大（必须是奇数！）" << std::endl;
|
||
std::cout << " 3. sigma 控制模糊的标准差（0 表示自动计算）" << std::endl;
|
||
std::cout << " 4. 模糊是后续边缘检测、颜色提取的重要预处理步骤" << std::endl;
|
||
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
### exp4_canny/CMakeLists.txt
|
||
|
||
```cmake
|
||
# 实验 4：Canny 边缘检测 - CMake 构建配置
|
||
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
|
||
project(exp4_canny)
|
||
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
|
||
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
|
||
find_package(OpenCV REQUIRED)
|
||
add_executable(exp4 main.cpp)
|
||
target_link_libraries(exp4 ${OpenCV_LIBS})
|
||
include_directories(${OpenCV_INCLUDE_DIRS})
|
||
```
|
||
|
||
### exp4_canny/main.cpp
|
||
|
||
```cpp
|
||
/*
|
||
* ============================================================
|
||
* 实验 4：Canny 边缘检测
|
||
* 知识点：cv::Canny
|
||
* ============================================================
|
||
*
|
||
* 【实验目标】
|
||
* 1. 理解什么是"边缘"——图像中亮度急剧变化的地方
|
||
* 2. 掌握 Canny 边缘检测算法的原理和参数
|
||
* 3. 观察不同阈值对边缘检测结果的影响
|
||
*
|
||
* 【生活化比喻】
|
||
* 边缘检测就像用铅笔"描边"：
|
||
* - 给你一张彩色照片，让你把照片中所有物体的轮廓描出来
|
||
* - Canny 算法就是一个"自动描边机器人"
|
||
* - threshold1 像是"最低标准"：低于这个的统统不是边缘
|
||
* - threshold2 像是"最高标准"：高于这个的绝对是边缘
|
||
* - 介于两者之间的，看它是否和已确认的边缘连着（连着的算，孤立的忽略）
|
||
*
|
||
* 这就是所谓的"迟滞阈值"（Hysteresis Threshold）：
|
||
* - 高于高阈值 → 肯定是边缘（强边缘）
|
||
* - 低于低阈值 → 肯定不是边缘（直接丢弃）
|
||
* - 介于中间 → 如果和强边缘相邻，就算是边缘；否则丢弃
|
||
* - 这就像"朋友的朋友也是朋友"——只要你能通过边缘连到确认真边缘，你就是边缘
|
||
*/
|
||
|
||
#include <opencv2/opencv.hpp>
|
||
#include <iostream>
|
||
|
||
int main()
|
||
{
|
||
// ==========================================
|
||
// 第一部分：生成测试图片
|
||
// ==========================================
|
||
std::cout << "[步骤 1] 正在生成测试图片（包含各种边缘结构）..." << std::endl;
|
||
|
||
// 创建一个 400×500 的白色画布
|
||
cv::Mat image(400, 500, CV_8UC3, cv::Scalar(255, 255, 255));
|
||
|
||
// 画各种几何图形 —— 这些都有清晰的边缘
|
||
cv::circle(image, cv::Point(100, 100), 60, cv::Scalar(50, 50, 50), -1); // 深灰实心圆
|
||
cv::rectangle(image, cv::Point(220, 40), cv::Point(420, 160),
|
||
cv::Scalar(100, 100, 100), -1); // 灰实心矩形
|
||
cv::rectangle(image, cv::Point(300, 60), cv::Point(360, 140),
|
||
cv::Scalar(200, 200, 200), -1); // 浅灰小矩形(内嵌)
|
||
|
||
// 画一些粗细不等的线条
|
||
cv::line(image, cv::Point(20, 200), cv::Point(480, 200),
|
||
cv::Scalar(0, 0, 0), 2); // 细横线
|
||
cv::line(image, cv::Point(20, 250), cv::Point(480, 250),
|
||
cv::Scalar(0, 0, 0), 8); // 粗横线
|
||
cv::line(image, cv::Point(250, 200), cv::Point(250, 380),
|
||
cv::Scalar(0, 0, 0), 2); // 细竖线
|
||
cv::line(image, cv::Point(100, 300), cv::Point(400, 380),
|
||
cv::Scalar(50, 50, 50), 4); // 斜线
|
||
|
||
// 画一些文字
|
||
cv::putText(image, "Canny", cv::Point(150, 370),
|
||
cv::FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.5, cv::Scalar(0, 0, 0), 3);
|
||
|
||
cv::imwrite("original.jpg", image);
|
||
std::cout << " -> 原始图片已保存为 original.jpg" << std::endl;
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 第二部分：转为灰度图（Canny 输入必须是灰度图！）
|
||
// ==========================================
|
||
std::cout << "[步骤 2] 转换为灰度图..." << std::endl;
|
||
cv::Mat gray;
|
||
cv::cvtColor(image, gray, cv::COLOR_BGR2GRAY);
|
||
cv::imwrite("gray.jpg", gray);
|
||
std::cout << " -> 灰度图已保存为 gray.jpg" << std::endl;
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 第三部分：Canny 边缘检测 —— 不同阈值对比
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||
// ==========================================
|
||
|
||
// --- Canny 场景 1：低阈值 (50, 150) ---
|
||
std::cout << "[步骤 3] Canny 边缘检测 (阈值 50 / 150)..." << std::endl;
|
||
cv::Mat edges_low;
|
||
cv::Canny(gray, edges_low, 50, 150);
|
||
cv::imwrite("edges_low.jpg", edges_low);
|
||
std::cout << " -> 已保存为 edges_low.jpg（低阈值，细节丰富）" << std::endl;
|
||
|
||
// --- Canny 场景 2：中等阈值 (100, 200) ---
|
||
std::cout << "[步骤 4] Canny 边缘检测 (阈值 100 / 200)..." << std::endl;
|
||
cv::Mat edges_mid;
|
||
cv::Canny(gray, edges_mid, 100, 200);
|
||
cv::imwrite("edges_mid.jpg", edges_mid);
|
||
std::cout << " -> 已保存为 edges_mid.jpg（中等阈值，适中结果）" << std::endl;
|
||
|
||
// --- Canny 场景 3：高阈值 (200, 400) ---
|
||
std::cout << "[步骤 5] Canny 边缘检测 (阈值 200 / 400)..." << std::endl;
|
||
cv::Mat edges_high;
|
||
cv::Canny(gray, edges_high, 200, 400);
|
||
cv::imwrite("edges_high.jpg", edges_high);
|
||
std::cout << " -> 已保存为 edges_high.jpg（高阈值，只保留强边缘）" << std::endl;
|
||
|
||
// --- Canny 场景 4：先模糊再做边缘检测 ---
|
||
std::cout << "[步骤 6] 先高斯模糊，再 Canny 边缘检测..." << std::endl;
|
||
cv::Mat blurred;
|
||
cv::GaussianBlur(gray, blurred, cv::Size(5, 5), 0);
|
||
cv::Mat edges_blurred;
|
||
cv::Canny(blurred, edges_blurred, 50, 150);
|
||
cv::imwrite("blurred.jpg", blurred);
|
||
cv::imwrite("edges_after_blur.jpg", edges_blurred);
|
||
std::cout << " -> 已保存为 blurred.jpg（高斯模糊后）" << std::endl;
|
||
std::cout << " -> 已保存为 edges_after_blur.jpg（模糊后再做 Canny，边缘更干净）" << std::endl;
|
||
|
||
// 总结
|
||
std::cout << std::endl;
|
||
std::cout << "===== 实验 4 完成 =====" << std::endl;
|
||
std::cout << "你学会了：" << std::endl;
|
||
std::cout << " 1. Canny 是一种经典的边缘检测算法" << std::endl;
|
||
std::cout << " 2. threshold1 和 threshold2 控制检测灵敏度" << std::endl;
|
||
std::cout << " 3. 输入必须是灰度图（单通道！）" << std::endl;
|
||
std::cout << " 4. 先模糊 + 再 Canny = 更干净的边缘" << std::endl;
|
||
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
### exp5_threshold/CMakeLists.txt
|
||
|
||
```cmake
|
||
# 实验 5：图像阈值化 - CMake 构建配置
|
||
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
|
||
project(exp5_threshold)
|
||
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
|
||
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
|
||
find_package(OpenCV REQUIRED)
|
||
add_executable(exp5 main.cpp)
|
||
target_link_libraries(exp5 ${OpenCV_LIBS})
|
||
include_directories(${OpenCV_INCLUDE_DIRS})
|
||
```
|
||
|
||
### exp5_threshold/main.cpp
|
||
|
||
```cpp
|
||
/*
|
||
* ============================================================
|
||
* 实验 5：图像阈值化 (Thresholding)
|
||
* 知识点：cv::threshold
|
||
* ============================================================
|
||
*
|
||
* 【实验目标】
|
||
* 1. 理解"阈值化"是什么——把灰度图变成黑白图
|
||
* 2. 掌握 cv::threshold 函数的各种阈值类型
|
||
* 3. 理解阈值化在图像分割中的基础地位
|
||
*
|
||
* 【生活化比喻】
|
||
* 阈值化就像是"考试及格线"：
|
||
* - 考试成绩 0~100 分
|
||
* - 学校规定 60 分及格：>= 60 算"通过"，< 60 算"不通过"
|
||
* - 这里的"60"就是阈值 (threshold)
|
||
*
|
||
* 应用到图像上：
|
||
* - 每个像素的灰度值 0~255（相当于 0~100 分）
|
||
* - 设定阈值 128（相当于 60 分）
|
||
* - 灰度 >= 128 的像素 -> 变白色（255，相当于"通过"）
|
||
* - 灰度 < 128 的像素 -> 变黑色（0，相当于"不通过"）
|
||
* - 整张图就只剩黑白两色了！
|
||
*/
|
||
|
||
#include <opencv2/opencv.hpp>
|
||
#include <iostream>
|
||
|
||
int main()
|
||
{
|
||
// ==========================================
|
||
// 第一部分：生成一张灰度渐变图
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||
// ==========================================
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||
std::cout << "[步骤 1] 正在生成灰度渐变测试图..." << std::endl;
|
||
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||
// 创建一张 300（高）x 512（宽）的灰度图
|
||
// CV_8UC1 表示：8位无符号整数、1通道（灰度）
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||
cv::Mat gradient(300, 512, CV_8UC1);
|
||
|
||
// 用手工方式生成从左到右的灰度渐变
|
||
// 左边的像素灰度值为 0（全黑），右边为 255（全白），逐渐过渡
|
||
for (int row = 0; row < gradient.rows; row++)
|
||
{
|
||
for (int col = 0; col < gradient.cols; col++)
|
||
{
|
||
// 灰度值 = 列索引 * 255 / 511（比例映射）
|
||
// 这样 col=0 对应灰度 = 0，col=511 对应灰度 = 255
|
||
// gradient.at<uchar>(row, col) —— 访问/修改单个像素值
|
||
// .at<uchar> 中的 uchar = unsigned char = 8比特无符号整数
|
||
gradient.at<uchar>(row, col) = static_cast<uchar>(col * 255 / 511);
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
// 在渐变图上画一条垂直线标记阈值 128 的位置
|
||
cv::line(gradient, cv::Point(256, 0), cv::Point(256, 299),
|
||
cv::Scalar(255), 1);
|
||
// 放一些标注文字
|
||
cv::putText(gradient, "0", cv::Point(5, 150),
|
||
cv::FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.6, cv::Scalar(255));
|
||
cv::putText(gradient, "128", cv::Point(240, 150),
|
||
cv::FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.6, cv::Scalar(255));
|
||
cv::putText(gradient, "255", cv::Point(470, 150),
|
||
cv::FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.6, cv::Scalar(0));
|
||
|
||
cv::imwrite("gradient.jpg", gradient);
|
||
std::cout << " -> 原始渐变图已保存为 gradient.jpg" << std::endl;
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 第二部分：演示各种阈值类型
|
||
// ==========================================
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||
// 统一使用阈值 128（中间值），maxval = 255（纯白）
|
||
|
||
// --- 类型 1：THRESH_BINARY（标准二值化）---
|
||
std::cout << "[步骤 2] THRESH_BINARY（标准二值化）..." << std::endl;
|
||
cv::Mat thresh_binary;
|
||
cv::threshold(gradient, thresh_binary, 128, 255, cv::THRESH_BINARY);
|
||
cv::imwrite("thresh_binary.jpg", thresh_binary);
|
||
|
||
// --- 类型 2：THRESH_BINARY_INV（反二值化）---
|
||
std::cout << "[步骤 3] THRESH_BINARY_INV（反二值化）..." << std::endl;
|
||
cv::Mat thresh_binary_inv;
|
||
cv::threshold(gradient, thresh_binary_inv, 128, 255, cv::THRESH_BINARY_INV);
|
||
cv::imwrite("thresh_binary_inv.jpg", thresh_binary_inv);
|
||
|
||
// --- 类型 3：THRESH_TRUNC（截断）---
|
||
std::cout << "[步骤 4] THRESH_TRUNC（截断）..." << std::endl;
|
||
cv::Mat thresh_trunc;
|
||
cv::threshold(gradient, thresh_trunc, 128, 255, cv::THRESH_TRUNC);
|
||
cv::imwrite("thresh_trunc.jpg", thresh_trunc);
|
||
|
||
// --- 类型 4：THRESH_TOZERO（置零）---
|
||
std::cout << "[步骤 5] THRESH_TOZERO（置零）..." << std::endl;
|
||
cv::Mat thresh_tozero;
|
||
cv::threshold(gradient, thresh_tozero, 128, 255, cv::THRESH_TOZERO);
|
||
cv::imwrite("thresh_tozero.jpg", thresh_tozero);
|
||
|
||
// --- 类型 5：THRESH_TOZERO_INV（反置零）---
|
||
std::cout << "[步骤 6] THRESH_TOZERO_INV（反置零）..." << std::endl;
|
||
cv::Mat thresh_tozero_inv;
|
||
cv::threshold(gradient, thresh_tozero_inv, 128, 255, cv::THRESH_TOZERO_INV);
|
||
cv::imwrite("thresh_tozero_inv.jpg", thresh_tozero_inv);
|
||
|
||
// 总结
|
||
std::cout << std::endl;
|
||
std::cout << "===== 实验 5 完成 =====" << std::endl;
|
||
std::cout << "你学会了：" << std::endl;
|
||
std::cout << " 1. 阈值化就是把灰度图按某个界限分成两部分" << std::endl;
|
||
std::cout << " 2. 有 5 种阈值类型，最常用的是 THRESH_BINARY" << std::endl;
|
||
std::cout << " 3. 阈值化是图像分割的基础操作" << std::endl;
|
||
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
### exp6_morphology/CMakeLists.txt
|
||
|
||
```cmake
|
||
# 实验 6：形态学操作：腐蚀与膨胀 - CMake 构建配置
|
||
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
|
||
project(exp6_morphology)
|
||
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
|
||
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
|
||
find_package(OpenCV REQUIRED)
|
||
add_executable(exp6 main.cpp)
|
||
target_link_libraries(exp6 ${OpenCV_LIBS})
|
||
include_directories(${OpenCV_INCLUDE_DIRS})
|
||
```
|
||
|
||
### exp6_morphology/main.cpp
|
||
|
||
```cpp
|
||
/*
|
||
* ============================================================
|
||
* 实验 6：形态学操作 —— 腐蚀 (Erode) 与膨胀 (Dilate)
|
||
* 知识点：cv::erode、cv::dilate、cv::getStructuringElement
|
||
* ============================================================
|
||
*
|
||
* 【实验目标】
|
||
* 1. 理解"腐蚀"和"膨胀"对二值图像的作用
|
||
* 2. 了解"开运算"和"闭运算"的组合效果
|
||
* 3. 掌握结构元素 (kernel) 的概念
|
||
*
|
||
* 【生活化比喻】
|
||
* 腐蚀 (Erosion)：
|
||
* 想象沙滩上写着一些字，涨潮时海水冲上来，把字的边缘"吃掉"一圈
|
||
* -> 白色区域被"侵蚀"，变小了、断开了、甚至消失了
|
||
* -> 作用：消除小白点噪声、断开粘连的物体
|
||
*
|
||
* 膨胀 (Dilation)：
|
||
* 想象给一栋房子外围再砌一圈围墙，房子"胖了"
|
||
* -> 白色区域被"扩张"，变大了、连在一起了
|
||
* -> 作用：填充小黑洞、连接断裂的物体
|
||
*/
|
||
|
||
#include <opencv2/opencv.hpp>
|
||
#include <iostream>
|
||
|
||
int main()
|
||
{
|
||
// ==========================================
|
||
// 第一部分：生成一张带噪声的二值测试图
|
||
// ==========================================
|
||
std::cout << "[步骤 1] 正在生成二值测试图片..." << std::endl;
|
||
|
||
// 创建黑色背景
|
||
cv::Mat binary(300, 500, CV_8UC1, cv::Scalar(0));
|
||
|
||
// 画一个大的白色矩形（作为"主体目标"）
|
||
cv::rectangle(binary, cv::Point(80, 60), cv::Point(420, 240),
|
||
cv::Scalar(255), -1); // 白色填充矩形
|
||
|
||
// 在矩形内部打几个孔（黑色小圆，模拟"目标内部的空洞"）
|
||
cv::circle(binary, cv::Point(180, 150), 20, cv::Scalar(0), -1); // 内部孔洞 1
|
||
cv::circle(binary, cv::Point(320, 150), 20, cv::Scalar(0), -1); // 内部孔洞 2
|
||
|
||
// 在背景中撒一些白色噪点（模拟"背景中的噪声"）
|
||
for (int i = 0; i < 50; i++)
|
||
{
|
||
int x = rand() % 500;
|
||
int y = rand() % 300;
|
||
cv::circle(binary, cv::Point(x, y), 3, cv::Scalar(255), -1);
|
||
}
|
||
|
||
cv::imwrite("binary.jpg", binary);
|
||
std::cout << " -> 原始二值图已保存为 binary.jpg" << std::endl;
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 第二部分：创建结构元素
|
||
// ==========================================
|
||
// 结构元素的大小会影响腐蚀/膨胀的效果范围
|
||
cv::Mat kernel = cv::getStructuringElement(cv::MORPH_RECT, cv::Size(5, 5));
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 第三部分：腐蚀操作
|
||
// ==========================================
|
||
std::cout << "[步骤 2] 执行腐蚀操作 (Erosion)..." << std::endl;
|
||
cv::Mat eroded;
|
||
cv::erode(binary, eroded, kernel);
|
||
cv::imwrite("eroded.jpg", eroded);
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 第四部分：膨胀操作
|
||
// ==========================================
|
||
std::cout << "[步骤 3] 执行膨胀操作 (Dilation)..." << std::endl;
|
||
cv::Mat dilated;
|
||
cv::dilate(binary, dilated, kernel);
|
||
cv::imwrite("dilated.jpg", dilated);
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 第五部分：开运算（先腐蚀再膨胀）
|
||
// ==========================================
|
||
std::cout << "[步骤 4] 执行开运算 (Opening = 腐蚀 + 膨胀)..." << std::endl;
|
||
cv::Mat opened;
|
||
cv::erode(binary, opened, kernel);
|
||
cv::dilate(opened, opened, kernel);
|
||
cv::imwrite("opened.jpg", opened);
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 第六部分：闭运算（先膨胀再腐蚀）
|
||
// ==========================================
|
||
std::cout << "[步骤 5] 执行闭运算 (Closing = 膨胀 + 腐蚀)..." << std::endl;
|
||
cv::Mat closed;
|
||
cv::dilate(binary, closed, kernel);
|
||
cv::erode(closed, closed, kernel);
|
||
cv::imwrite("closed.jpg", closed);
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 第七部分：多次形态学操作
|
||
// ==========================================
|
||
std::cout << "[步骤 6] 执行多次腐蚀 (iterations=3)..." << std::endl;
|
||
cv::Mat eroded_multi;
|
||
cv::erode(binary, eroded_multi, kernel, cv::Point(-1, -1), 3);
|
||
cv::imwrite("eroded_x3.jpg", eroded_multi);
|
||
|
||
// 总结
|
||
std::cout << std::endl;
|
||
std::cout << "===== 实验 6 完成 =====" << std::endl;
|
||
std::cout << "你学会了：" << std::endl;
|
||
std::cout << " 1. 腐蚀：白色区域缩小，可以去噪点" << std::endl;
|
||
std::cout << " 2. 膨胀：白色区域扩大，可以填黑洞" << std::endl;
|
||
std::cout << " 3. 开运算：去噪点但大体保持目标大小" << std::endl;
|
||
std::cout << " 4. 闭运算：填空洞但大体保持目标大小" << std::endl;
|
||
std::cout << " 5. 结构元素决定了操作的形状和范围" << std::endl;
|
||
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
### exp7_inrange/CMakeLists.txt
|
||
|
||
```cmake
|
||
# 实验 7：颜色提取：inRange - CMake 构建配置
|
||
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
|
||
project(exp7_inrange)
|
||
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
|
||
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
|
||
find_package(OpenCV REQUIRED)
|
||
add_executable(exp7 main.cpp)
|
||
target_link_libraries(exp7 ${OpenCV_LIBS})
|
||
include_directories(${OpenCV_INCLUDE_DIRS})
|
||
```
|
||
|
||
### exp7_inrange/main.cpp
|
||
|
||
```cpp
|
||
/*
|
||
* ============================================================
|
||
* 实验 7：颜色提取 —— inRange
|
||
* 知识点：cv::inRange、HSV 颜色空间、颜色阈值
|
||
* ============================================================
|
||
*
|
||
* 【实验目标】
|
||
* 1. 掌握 cv::inRange 函数的用法——按颜色范围提取目标
|
||
* 2. 理解为什么要用 HSV 而不是 BGR 来做颜色提取
|
||
* 3. 掌握 RoboMaster 红色灯条的 HSV 范围设定
|
||
*
|
||
* 【生活化比喻】
|
||
* inRange 就像是一个"颜色过滤器"（或者说"筛子"）：
|
||
* - 你有一堆混在一起的彩色糖果（红、绿、蓝、黄...）
|
||
* - 你只想挑出红色的糖果
|
||
* - inRange 就是那个"只能通过红色"的筛子
|
||
* - 筛出来的就是红色糖果（二值 mask），其他颜色的都被丢掉了
|
||
*/
|
||
|
||
#include <opencv2/opencv.hpp>
|
||
#include <iostream>
|
||
|
||
int main()
|
||
{
|
||
// ==========================================
|
||
// 第一部分：生成包含多种颜色的测试图片
|
||
// ==========================================
|
||
std::cout << "[步骤 1] 正在生成彩色测试图片..." << std::endl;
|
||
|
||
// 400x600 画布，白色背景
|
||
cv::Mat image(400, 600, CV_8UC3, cv::Scalar(255, 255, 255));
|
||
|
||
// 画 6 个彩色矩形，模拟不同颜色的物体（含红色系多深浅）
|
||
cv::rectangle(image, cv::Point(20, 50), cv::Point(180, 130),
|
||
cv::Scalar(0, 0, 255), -1); // 红色
|
||
cv::rectangle(image, cv::Point(210, 50), cv::Point(370, 130),
|
||
cv::Scalar(255, 0, 0), -1); // 蓝色
|
||
cv::rectangle(image, cv::Point(400, 50), cv::Point(560, 130),
|
||
cv::Scalar(0, 255, 0), -1); // 绿色
|
||
cv::rectangle(image, cv::Point(20, 160), cv::Point(180, 240),
|
||
cv::Scalar(0, 255, 255), -1); // 黄色
|
||
cv::rectangle(image, cv::Point(210, 160), cv::Point(370, 240),
|
||
cv::Scalar(255, 255, 0), -1); // 青色
|
||
cv::rectangle(image, cv::Point(400, 160), cv::Point(560, 240),
|
||
cv::Scalar(255, 0, 255), -1); // 品红
|
||
|
||
// 不同深浅的红色矩形（模拟光照变化）
|
||
cv::rectangle(image, cv::Point(20, 260), cv::Point(100, 320),
|
||
cv::Scalar(0, 0, 120), -1); // 深红
|
||
cv::rectangle(image, cv::Point(120, 260), cv::Point(200, 320),
|
||
cv::Scalar(0, 0, 200), -1); // 中红
|
||
cv::rectangle(image, cv::Point(220, 260), cv::Point(300, 320),
|
||
cv::Scalar(0, 50, 255), -1); // 亮红
|
||
cv::rectangle(image, cv::Point(320, 260), cv::Point(400, 320),
|
||
cv::Scalar(100, 0, 200), -1); // 紫红
|
||
|
||
cv::imwrite("original.jpg", image);
|
||
std::cout << " -> 原始彩色图片已保存为 original.jpg" << std::endl;
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 第二部分：转换为 HSV
|
||
// ==========================================
|
||
std::cout << "[步骤 2] 将 BGR 图片转换为 HSV..." << std::endl;
|
||
cv::Mat hsv;
|
||
cv::cvtColor(image, hsv, cv::COLOR_BGR2HSV);
|
||
cv::imwrite("hsv.jpg", hsv);
|
||
|
||
// ==========================================
|
||
// 第三部分：使用 inRange 提取红色
|
||
// ==========================================
|
||
std::cout << "[步骤 3] 使用 inRange 提取红色区域..." << std::endl;
|
||
|
||
// 红色需要两个范围（色相环跨越 0 度）
|
||
cv::Scalar lower_red1(0, 100, 100);
|
||
cv::Scalar upper_red1(10, 255, 255);
|
||
cv::Scalar lower_red2(160, 100, 100);
|
||
cv::Scalar upper_red2(180, 255, 255);
|
||
|
||
cv::Mat mask_red1, mask_red2, mask_red_combined;
|
||
cv::inRange(hsv, lower_red1, upper_red1, mask_red1);
|
||
cv::inRange(hsv, lower_red2, upper_red2, mask_red2);
|
||
cv::bitwise_or(mask_red1, mask_red2, mask_red_combined);
|
||
|
||
cv::imwrite("mask_red1.jpg", mask_red1);
|
||
cv::imwrite("mask_red2.jpg", mask_red2);
|
||
cv::imwrite("mask_red_combined.jpg", mask_red_combined);
|
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// ==========================================
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// 第四部分：把 mask 应用到原图（可视化提取结果）
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// ==========================================
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std::cout << "[步骤 4] 用 mask 提取原图中的红色部分..." << std::endl;
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cv::Mat red_extracted;
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cv::bitwise_and(image, image, red_extracted, mask_red_combined);
|
||
cv::imwrite("red_extracted.jpg", red_extracted);
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||
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// ==========================================
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// 第五部分（附加）：也提取蓝色
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// ==========================================
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std::cout << "[步骤 5] 额外实验：提取蓝色区域..." << std::endl;
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cv::Scalar lower_blue(100, 100, 100);
|
||
cv::Scalar upper_blue(130, 255, 255);
|
||
cv::Mat mask_blue;
|
||
cv::inRange(hsv, lower_blue, upper_blue, mask_blue);
|
||
cv::imwrite("mask_blue.jpg", mask_blue);
|
||
|
||
cv::Mat blue_extracted;
|
||
cv::bitwise_and(image, image, blue_extracted, mask_blue);
|
||
cv::imwrite("blue_extracted.jpg", blue_extracted);
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||
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// 总结
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std::cout << std::endl;
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||
std::cout << "===== 实验 7 完成 =====" << std::endl;
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std::cout << "你学会了：" << std::endl;
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||
std::cout << " 1. inRange 按颜色范围提取目标区域" << std::endl;
|
||
std::cout << " 2. 为什么要用 HSV：分离颜色和亮度" << std::endl;
|
||
std::cout << " 3. 红色需要两个 H 范围（因为色相是环状）" << std::endl;
|
||
std::cout << " 4. bitwise_or 合并 mask，bitwise_and 提取原图" << std::endl;
|
||
std::cout << " 5. 这是 RoboMaster 视觉灯条检测的基础！" << std::endl;
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||
return 0;
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||
}
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||
```
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---
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### exp8_pipeline/CMakeLists.txt
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||
```cmake
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||
# 实验 8：综合流水线 - CMake 构建配置
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||
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
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||
project(exp8_pipeline)
|
||
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
|
||
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
|
||
find_package(OpenCV REQUIRED)
|
||
add_executable(exp8 main.cpp)
|
||
target_link_libraries(exp8 ${OpenCV_LIBS})
|
||
include_directories(${OpenCV_INCLUDE_DIRS})
|
||
```
|
||
|
||
### exp8_pipeline/main.cpp
|
||
|
||
```cpp
|
||
/*
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||
* ============================================================
|
||
* 实验 8：综合流水线 (Pipeline)
|
||
* 知识点：串联前面 7 个实验的所有技术
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||
* ============================================================
|
||
*
|
||
* 【实验目标】
|
||
* 1. 将前面学到的所有技术串联成一个完整流程
|
||
* 2. 理解图像处理中"预处理 → 提取 → 后处理"的标准套路
|
||
* 3. 为 RoboMaster 灯条检测打下完整基础
|
||
*
|
||
* 【生活化比喻】
|
||
* 一条完整的图像处理流水线就像工厂的"生产流水线"：
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||
* - 原材料进厂（读取图像）
|
||
* - 清洗处理（模糊去噪、颜色转换）
|
||
* - 核心加工（颜色提取 inRange）
|
||
* - 精修打磨（形态学操作去掉毛刺）
|
||
* - 质检包装（边缘检测找轮廓、画框标记）
|
||
* - 成品出厂（保存结果图片）
|
||
*
|
||
* 每一步都依赖前一步的输出，整个流程像一个多米诺骨牌，
|
||
* 任何一个环节出问题，最终结果都会受影响。
|
||
*
|
||
* 【RoboMaster 灯条检测的标准流水线】
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||
* 1. 读取摄像头采集的图像
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||
* 2. BGR → HSV 颜色空间转换
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||
* 3. inRange 提取目标颜色（红/蓝）
|
||
* 4. 形态学操作（开运算去噪、闭运算填充）
|
||
* 5. 轮廓检测与筛选（按面积、长宽比、角度过滤）
|
||
* 6. 画出灯条的位置框
|
||
*
|
||
* 本实验完整演示整个流程！
|
||
*/
|
||
|
||
#include <opencv2/opencv.hpp>
|
||
#include <iostream>
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||
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||
int main()
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{
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std::cout << "===== 实验 8：综合流水线 开始 =====\n" << std::endl;
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// ==========================================
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// 阶段 1：生成模拟场景的测试图片
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// ==========================================
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std::cout << "[阶段 1/6] 生成模拟 RoboMaster 场景的测试图片..." << std::endl;
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||
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||
// 600×450 画布，深灰色背景（模拟比赛场地的昏暗环境）
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||
cv::Mat scene(450, 600, CV_8UC3, cv::Scalar(40, 40, 40));
|
||
|
||
// --- 先画背景噪点（必须在灯条之前！否则噪点会覆盖在灯条上）---
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for (int i = 0; i < 200; i++)
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{
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int x = rand() % 600;
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int y = rand() % 450;
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||
uchar noise_color = static_cast<uchar>(rand() % 128 + 60);
|
||
cv::circle(scene, cv::Point(x, y), 1,
|
||
cv::Scalar(noise_color, noise_color, noise_color), -1);
|
||
}
|
||
|
||
// 画一些干扰物（场地上可能有其他颜色的物体）
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||
cv::circle(scene, cv::Point(100, 100), 30, cv::Scalar(255, 0, 0), -1); // 蓝色干扰圆
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||
cv::rectangle(scene, cv::Point(450, 300), cv::Point(550, 380),
|
||
cv::Scalar(0, 255, 0), -1); // 绿色干扰矩形
|
||
cv::circle(scene, cv::Point(80, 350), 40, cv::Scalar(0, 255, 255), -1); // 黄色干扰圆
|
||
|
||
// 画装甲板的中间横梁（深灰色，不会被 inRange 误检为红色）
|
||
// 注意：横梁必须在灯条之前画！这样红色灯条覆盖在横梁上方，
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||
// 保证灯条从顶到底都是纯红色，不被横梁切断
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||
cv::rectangle(scene, cv::Point(200, 180), cv::Point(400, 220),
|
||
cv::Scalar(80, 80, 80), -1); // 深灰色横梁
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||
|
||
// 在上面画红色灯条（最后画，确保不被其他元素覆盖）
|
||
// 灯条是竖直的细长矩形，模拟 RoboMaster 装甲板侧面的 LED 灯条
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||
// 左灯条
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||
cv::rectangle(scene, cv::Point(200, 120), cv::Point(240, 280),
|
||
cv::Scalar(0, 0, 255), -1); // 纯红色竖直矩形 (B=0,G=0,R=255)
|
||
// 右灯条
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||
cv::rectangle(scene, cv::Point(360, 120), cv::Point(400, 280),
|
||
cv::Scalar(0, 0, 255), -1); // 纯红色竖直矩形
|
||
|
||
cv::imwrite("01_original_scene.jpg", scene);
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||
std::cout << " -> 已保存 01_original_scene.jpg（原始场景图）" << std::endl;
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// ==========================================
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// 阶段 2：颜色空间转换 BGR → HSV
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// ==========================================
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std::cout << "[阶段 2/6] BGR → HSV 颜色空间转换..." << std::endl;
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cv::Mat hsv;
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cv::cvtColor(scene, hsv, cv::COLOR_BGR2HSV);
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cv::imwrite("02_hsv.jpg", hsv);
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std::cout << " -> 已保存 02_hsv.jpg" << std::endl;
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// ==========================================
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||
// 阶段 3：高斯模糊（去噪预处理）
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// ==========================================
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std::cout << "[阶段 3/6] 高斯模糊（减少噪点对后续处理的影响）..." << std::endl;
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cv::Mat hsv_blurred;
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||
// 使用 5×5 的高斯核对 HSV 图像进行模糊
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// 为什么在 inRange 之前模糊？
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// - 噪点在 HSV 空间中也可能落在红色范围内，产生误检
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// - 先模糊可以平滑掉这些随机噪点，减少误检
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||
// 注意：核不要太大（5~7 比较合适），否则会模糊掉灯条的边缘
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||
cv::GaussianBlur(hsv, hsv_blurred, cv::Size(5, 5), 0);
|
||
cv::imwrite("03_hsv_blurred.jpg", hsv_blurred);
|
||
std::cout << " -> 已保存 03_hsv_blurred.jpg（模糊后的 HSV 图）" << std::endl;
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// ==========================================
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||
// 阶段 4：颜色提取（inRange 提取红色）
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// ==========================================
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std::cout << "[阶段 4/6] inRange 提取红色区域..." << std::endl;
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||
// 红色需要两个范围（如实验 7 所述）
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cv::Scalar lower_red1(0, 100, 100);
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cv::Scalar upper_red1(10, 255, 255);
|
||
cv::Scalar lower_red2(160, 100, 100);
|
||
cv::Scalar upper_red2(180, 255, 255);
|
||
|
||
cv::Mat mask1, mask2, red_mask;
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||
cv::inRange(hsv_blurred, lower_red1, upper_red1, mask1);
|
||
cv::inRange(hsv_blurred, lower_red2, upper_red2, mask2);
|
||
cv::bitwise_or(mask1, mask2, red_mask);
|
||
|
||
cv::imwrite("04_red_mask_raw.jpg", red_mask);
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||
std::cout << " -> 已保存 04_red_mask_raw.jpg（原始红色 mask）" << std::endl;
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||
// ==========================================
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||
// 阶段 5：形态学后处理（清理 mask）
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// ==========================================
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std::cout << "[阶段 5/6] 形态学操作清理 mask..." << std::endl;
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||
// 创建结构元素（5×5 矩形核）
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cv::Mat kernel = cv::getStructuringElement(cv::MORPH_RECT, cv::Size(5, 5));
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|
||
// 步骤 5a：开运算（先腐蚀再膨胀）—— 消除小白点噪声
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||
// 那些随机噪点中落在红色范围内的，经过腐蚀会消失
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cv::Mat mask_opened;
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cv::erode(red_mask, mask_opened, kernel);
|
||
cv::dilate(mask_opened, mask_opened, kernel);
|
||
cv::imwrite("05a_mask_opened.jpg", mask_opened);
|
||
std::cout << " -> 已保存 05a_mask_opened.jpg（开运算：去除噪点）" << std::endl;
|
||
|
||
// 步骤 5b：闭运算（先膨胀再腐蚀）—— 填充灯条内部的小黑洞
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cv::Mat mask_cleaned;
|
||
cv::dilate(mask_opened, mask_cleaned, kernel);
|
||
cv::erode(mask_cleaned, mask_cleaned, kernel);
|
||
cv::imwrite("05b_mask_cleaned.jpg", mask_cleaned);
|
||
std::cout << " -> 已保存 05b_mask_cleaned.jpg（闭运算：填充内部空洞）" << std::endl;
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// ==========================================
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||
// 阶段 6：在原始场景上展示检测结果
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// ==========================================
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std::cout << "[阶段 6/6] 在原图上标记检测结果..." << std::endl;
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// 步骤 6a：用 mask 提取原图中的红色区域
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cv::Mat red_only;
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cv::bitwise_and(scene, scene, red_only, mask_cleaned);
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||
cv::imwrite("06a_red_extracted.jpg", red_only);
|
||
std::cout << " -> 已保存 06a_red_extracted.jpg（仅保留红色区域）" << std::endl;
|
||
|
||
// 步骤 6b：用 Canny 边缘检测在 mask 上找灯条边缘
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||
// 这样可以看到灯条的轮廓是否被正确提取
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cv::Mat mask_edges;
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cv::Canny(mask_cleaned, mask_edges, 50, 150);
|
||
cv::imwrite("06b_mask_edges.jpg", mask_edges);
|
||
std::cout << " -> 已保存 06b_mask_edges.jpg（mask 的边缘检测结果）" << std::endl;
|
||
|
||
// 步骤 6c：使用 findContours 找到灯条的轮廓并画框（进阶内容预览）
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||
// 这是 RoboMaster 视觉的下一步：从 mask 中提取灯条的位置
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// findContours: 在二值图中寻找所有白色区域的轮廓
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std::vector<std::vector<cv::Point>> contours;
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||
// RETR_EXTERNAL: 只检索最外层轮廓
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||
// CHAIN_APPROX_SIMPLE: 压缩水平/垂直/对角线，只保留端点
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||
cv::findContours(mask_cleaned, contours, cv::RETR_EXTERNAL,
|
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cv::CHAIN_APPROX_SIMPLE);
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||
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// 创建结果图：在原图上画检测框
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cv::Mat result = scene.clone(); // clone() 创建一个完全相同的副本
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std::cout << " -> 共找到 " << contours.size() << " 个轮廓" << std::endl;
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int valid_count = 0; // 统计有效灯条的个数
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for (size_t i = 0; i < contours.size(); i++)
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{
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// 用 boundingRect 获取能包围轮廓的最小直立矩形
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cv::Rect bbox = cv::boundingRect(contours[i]);
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||
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||
// 筛选条件：灯条应该是细长竖直的矩形
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||
// - 面积不能太小（过滤残留的噪点）
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double area = bbox.width * bbox.height;
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||
if (area < 100) continue; // 面积小于 100 像素，忽略
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||
|
||
// - 高度应该大于宽度（竖直灯条的特征）
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||
if (bbox.height < bbox.width * 2) continue; // 不满足"细长"条件，忽略
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||
|
||
// 通过筛选，画框标记
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cv::rectangle(result, bbox, cv::Scalar(0, 255, 0), 3); // 绿色边框，线宽 3
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valid_count++;
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||
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||
// 在框上方写标签
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cv::putText(result, "Target " + std::to_string(valid_count),
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||
cv::Point(bbox.x, bbox.y - 10),
|
||
cv::FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.6,
|
||
cv::Scalar(0, 255, 0), 2);
|
||
}
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||
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cv::imwrite("06c_result.jpg", result);
|
||
std::cout << " -> 已保存 06c_result.jpg（最终结果：绿灯条框标记 = 检测到的灯条）" << std::endl;
|
||
std::cout << " -> 共检测到 " << valid_count << " 个有效灯条" << std::endl;
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||
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// ==========================================
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// 总结
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// ==========================================
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std::cout << std::endl;
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std::cout << "===== 实验 8 完成 =====" << std::endl;
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||
std::cout << "流水线回顾（你完整的加工步骤）：" << std::endl;
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||
std::cout << " 1. 读取 / 生成图像" << std::endl;
|
||
std::cout << " 2. BGR → HSV 颜色空间转换" << std::endl;
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||
std::cout << " 3. 高斯模糊（去噪）" << std::endl;
|
||
std::cout << " 4. inRange 提取目标颜色" << std::endl;
|
||
std::cout << " 5. 形态学操作（清理 mask）" << std::endl;
|
||
std::cout << " 6. 轮廓检测 + 画框（定位目标）" << std::endl;
|
||
std::cout << std::endl;
|
||
std::cout << "恭喜你！这已经是一个简化的 RoboMaster 灯条检测流程了！" << std::endl;
|
||
std::cout << "接下来的课程将学习：颜色空间调参、轮廓筛选优化、以及用工业相机实时处理" << std::endl;
|
||
|
||
return 0;
|
||
}
|
||
```
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> **教案结束** — 现在你掌握了 OpenCV C++ 图像处理的基础，准备好迎接 RoboMaster 视觉组的真正挑战吧！
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