在 NASA 使用开源工具进行图像处理

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：

找寻物体的轮廓
找寻物体的质心
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.js 、 OpenCV 和 Node.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！