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在 NASA 使用开源工具进行图像处理

2016-6-16 08:01       

在刚结束的这个夏天里,我是 NASA 格伦中心 GVIS 实验室的实习生,我将我对开源的热情带到了那里。我的任务是改进我们实验室对 Dan Schroeder 开发的一个开源流体动力学模拟器的贡献。原本的模拟器可以显示用户用鼠标绘制的障碍物,并建立计算流体动力学模型。我们团队的贡献是加入图像处理的代码,分析实况视频的每一帧以显示特定的物体如何与液体相互作用。而且,我们还要做更多事情。

我们想要让图像处理部分更加健壮,所以我致力于改善图像处理库。

得益于新的库,模拟器可以检测轮廓、进行空间坐标变换以及找到物体的质心。图像处理并不直接与流体动力学模拟器物理相关。它用摄像头检测物体,并且获取物体轮廓,为流体模拟器创建一个障碍物。随后,流体模拟器开始运行,而输出结果会被投射到真实物体上。

我的目标是通过以下三个方面改进模拟器:

  1. 找寻物体的轮廓
  2. 找寻物体的质心
  3. 能对物体中心进行相关的精确转换

我的导师建议我安装 Node.jsOpenCVNode.js bindings for OpenCV。在等待软件安装的过程中,我查看了 OpenCV 的 GitHub 主页上的示例源码。我发现示例源码使用 JavaScript 写的,而我还不懂 JavaScript ,所以我在 Codecademy 上学了一些课程。两天后,我对 JavaScript 依旧生疏,不过我还是开始了我的项目……它包含了更多的 JavaScript 。

检测轮廓的示例代码工作得很好。事实上,它使得我用几个小时就完成了第一个目标!获取一幅图片的轮廓,它看起来像这样:

包括所有轮廓的原始图

检测轮廓的示例代码工作得有点好过头了。不仅物体的轮廓被检测到了,整个图片中的轮廓都检测到了。这会导致模拟器要与那些没用的轮廓打交道。这是一个严重的问题,因为它会返回错误的数据。为了避免模拟器接触到不想要的轮廓,我加了一个区域约束。轮廓要位于一定的区域范围内才会被画出来。区域约束使得轮廓变干净了。

过滤后的轮廓,包含了阴影轮廓

虽然无关的轮廓没有了,但是图像还有个问题。图像本该只有一个轮廓,但是它来回绕了自己两次,没有完整地圈起来。区域在这里不能作为决定因素,所以必须试试其他方式。

这一次,我不是直接去找寻轮廓,而是先将图片转换成二值图。二值图是转换之后只有黑白像素的图片。为了获取到二值图我先把彩色图转成灰度图。转换之后我再用阈值函数对图片进行处理。阈值函数遍历图片每个像素点的值,如果值小于 30 ,像素的颜色就会改成黑色。否则取反。在原始图片转换成二值图之后,结果变成这样:

二值图

然后我获取了二值图的轮廓,结果是一个更干净的轮廓,没有了阴影轮廓。

最后的干净轮廓

这个时候,我可以获取干净的轮廓、计算质心了。可惜的是,我没有足够的时间去完成质心的相关变换。由于我的实习时间只剩下几天了,我开始考虑我在这段有限时间内能做的其它事情。其中一个就是边界矩形。边界矩形是包含了图片轮廓的最小四边形。边界矩形很重要,因为它是在页面上缩放轮廓的关键。虽然很遗憾我没时间利用边界矩形做更多事情,但是我仍然想学习它,因为它是个很有用的工具。

最后,经过以上的努力,我完成了对图像的处理!

最终图像,红色的边界矩形和质心

当这些图像处理代码写完之后,我用我的代码替代了模拟器中的老代码。令我意外的是,它可以工作。

嗯,基本可以。

程序有内存泄露,每 1/10 秒泄露 100MB 。我很高兴不是因为我的代码。坏消息是我并不能修复它。另一个好消息是仍然有解决方法,虽然并非最理想的,但我可以使用。这个方法是不断检查模拟器使用的内存,当使用内存超过 1GB 时,重新启动模拟器。

在 NASA 实验室,我们会使用很多的开源软件,没有这些开源软件的帮助,我不可能完成这些工作。


via: https://opensource.com/life/16/3/image-processing-nasa

作者:Lauren Egts 译者:willowyoung 校对:PurlingNayuki

本文由 LCTT 原创编译,Linux中国 荣誉推出

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