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第 5 章 图像的算术运算
在OpenCV中，图像是以Numpy数组格式存储的，图像的算术运算可以使用OpenCV函数实现，也可以直接使用Numpy矩阵实现。但是，OpenCV函数对结果进行了饱和处理，可以避免数据溢出，而且使用OpenCV函数运算速度更快。
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本章内容概要
- 学习并比较使用OpenCV与Numpy矩阵的加法、减法、乘法和除法。
- 学习图像的按位操作。
- 介绍掩模图像，理解掩模图像在图像处理中的作用。
- 介绍积分图像，理解积分图像的原理，实现快速模糊处理。
5.2 使用掩模图像控制处理区域
图像掩模，也称“掩膜”，是指用特定的掩模图像或掩模函数对目标图像进行覆盖或遮挡，以控制图像处理区域或处理过程，常用于结构特征区域的处理。
用来遮蔽的图像或函数，称为掩模、掩像、模板或遮罩。掩模图像是单通道二值图像，显示为黑白两种颜色。黑色遮蔽区域的值为0，白色非遮蔽区域的值为1或255，也被称为窗口、开窗区域。
在OpenCV中，很多处理函数都允许使用掩模图像控制处理区域，即只对掩模图像中数值为1（或255）的窗口区域进行处理，而对数值为0的遮蔽区域不做处理。
例如，使用函数cv.add进行加法运算，可以使用掩模图像实现掩模加法，只对掩模图像中像素值为255的白色窗口区域进行处理，输出为加法运算的值；对掩模图像中像素值为0的黑色遮蔽区域不做处理，输出图像的对应位置的值为0（黑色）。
注意问题
（1） 掩模图像是单通道二值图像，遮蔽区域为0（黑色），窗口区域为255（白色）。
（2） 需要特别注意的是：如果以非二值的单通道图像作为掩模图像，程序一般不会报错，但处理结果可能发生错误，通常会将非0值都视为1。
（3） 掩模图像必须与加法运算的输入图像src1的尺寸相同。
【例程0502】掩模图像的生成和图像的掩模加法
本例程包括掩模图像的生成和图像的掩模加法。
# 【0502】掩模图像的生成和图像的掩模加法
import cv2 as cv
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
if __name__ == '__main__':
img1 = cv.imread("../images/Lena.tif") # 读取彩色图像(BGR)
img2 = cv.imread("../images/Fig0301.png") # 读取彩色图像(BGR)
h, w = img1.shape[:2]
img3 = cv.resize(img2, (w,h)) # 调整图像大小与 img1 相同
print(img1.shape, img2.shape, img3.shape)
imgAddCV = cv.add(img1, img3) # 图像加法 (饱和运算)
# 掩模加法，矩形掩模图像
maskRec = np.zeros(img1.shape[:2], np.uint8) # 生成黑色模板
xmin, ymin, w, h = 170, 190, 200, 200 # 矩形 ROI 参数(ymin:ymin+h, xmin:xmin+w)
maskRec[ymin:ymin+h, xmin:xmin+w] = 255 # 生成矩形掩模图像，ROI 为白色
imgAddRec = cv.add(img1, img3, mask=maskRec) # 掩模加法
# 掩模加法，圆形掩模图像
maskCir = np.zeros(img1.shape[:2], np.uint8) # 生成黑色模板
cv.circle(maskCir, (280,280), 120, 255, -1) # 生成圆形掩模图像
imgAddCir = cv.add(img1, img3, mask=maskCir) # 掩模加法
plt.figure(figsize=(9, 6))
plt.subplot(231), plt.title("1. Original"), plt.axis('off')
plt.imshow(cv.cvtColor(img1, cv.COLOR_BGR2RGB))
plt.subplot(232), plt.title("2. Rectangle mask"), plt.axis('off')
程序说明：
运行结果，带掩模图像的加法运算如图5-2所示。
（1） 图5-2(2)和图5-2(5)所示为单通道二值掩模图像，背景为黑色，开窗为白色。图5-2(2)通过切片得到矩形窗口，图5-2(5)通过绘制圆形填充图形得到圆形窗口。
（2） 图5-2(4)所示为无掩模图像的饱和加法运算结果，图5-2(3)所示为以图5-2(2)为掩模图像的饱和加法运算结果，图5-2(6)所示为以图5-2(5)为掩模图像的饱和加法运算结果。带有掩模图像的加法运算，只会对掩模图像的开窗区域进行运算处理，对没有开窗的遮蔽区域不进行处理，输出值为0（黑色）。
图5-2 带掩模图像的加法运算
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