Android 端基于 OpenCV 的边框识别功能

2017-09-11
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上个月写了一个智能图片裁剪库：SmartCropper，选择照片之后会自动识别出边框的位置，适用于身份证，名片，文档等照片的裁剪。本篇文章主要就边框识别部分说一下开发过程及实现原理，通过阅读本篇文章，你将具备以下技能：

了解 NDK 开发的基本步骤，能使用 Java、C++/C 混合开发简单的应用
了解 OpenCV 库的作用及其用法，能使用 OpenCV 做图像处理
了解基于 OpenCV 的边框识别实现

OpenCV 的全称是 Open Source Computer Vision Library，是一个使用 C++ 编写的跨平台的计算机视觉库，能对输入的图片进行处理，包括常见的高斯模糊，提取灰度图片，提取轮廓等等，可以应用于增强现实，人脸识别，运动跟踪，物体识别，图像分区等。

在 Android 平台需要使用 JNI 技术来调用 C++ 的库，事实上，OpenCV 的官网已经提供了编写好的 Android 库：OpenCv4Android，我们可以按照提示导入该库，就可用以使用 Java 代码来调用了。但是该库包含了 OpenCV 所有的模块，造成了该库体积非常大，其中很多并不是我们需要的。所以我的做法是只使用该库提供的编译好的 C++ 库，挑选自己需要用到的模块，引入其动态或者静态库，编写 C++ 代码调用 OpenCV 的这些模块完成主要功能，最后使用 JNI 技术编写 Java 接口供 Android 程序调用。

导入 OpenCV 库

下载好 OpenCv4Android 后解压目录如下所示：

OpenCV-2.4.13-android-sdk
|_ doc
|_ samples
|_ sdk
|    |_ etc
|    |_ java
|    |_ native
|          |_ 3rdparty
|          |_ jni
|          |_ libs
|               |_ armeabi
|               |_ armeabi-v7a
|               |_ x86
|
|_ LICENSE
|_ README.android

sdk/java 目录提供了 OpenCv 的 Java API，导入到项目中，并且将 native/libs 下面的 native 库导入之后就可以使用 OpenCV 的 Java API 了。native/jni 目录下提供了编译用的 cmake 文件以及头文件。

在 SmartCropper 中只使用到了 opencv_core 与 opencv_imgproc 模块, 所以只需要导入这两个模块的头文件与动态库/静态库就行了。
目录如下所示：

smartcropperlib
├── opencv
│   ├── include
│   │      └── opencv2
│   │      ├── core
│   │      ├── imgproc
│   │      ├── opencv.hpp
│   │      └── opencv_modules.hpp
│   └── lib
│        ├── armeabi
│        │   ├── libopencv_core.a
│        │   └── libopencv_imgproc.a
│        ├── armeabi-v7a
│        ├── mips
│        └── x86
├── CMakeLists.txt
└── build.gradle
└── src
     └── main
          ├── cpp
          │    ├── Scanner.cpp
          │    ├── android_utils.cpp
          │    ├── include
          │    │     ├── Scanner.h
          │    │     └── android_utils.h
          │    └── smart_cropper.cpp
          ├── java
          └── res

编写 cmake 文件：


include_directories(opencv/include
                    src/main/cpp/include)

add_library(opencv_imgproc STATIC IMPORTED)
add_library(opencv_core STATIC IMPORTED)

set_target_properties(opencv_imgproc PROPERTIES IMPORTED_LOCATION${PROJECT_SOURCE_DIR}/opencv/lib/${ANDROID_ABI}/libopencv_imgproc.a)
set_target_properties(opencv_core PROPERTIES IMPORTED_LOCATION${PROJECT_SOURCE_DIR}/opencv/lib/${ANDROID_ABI}/libopencv_core.a)

add_library( smart_cropper
             SHARED
             src/main/cpp/Scanner.cpp
             src/main/cpp/smart_cropper.cpp
             src/main/cpp/android_utils.cpp)
find_library( log-lib
              log)
find_library(jnigraphics-lib
             jnigraphics)
target_link_libraries( smart_cropper
                       opencv_imgproc
                       opencv_core
                       ${log-lib}
                       ${jnigraphics-lib})

主要注意点如下：

include_directories添加头文件查找路径，包括引入库的和自己写的
add_library添加动态库或静态库，其中本地的动态库名称,位置可以由set_target_properties设置
find_library通过名称查找并引入库，可以引入 NDK 中的库，比如日志模块
target_link_libraries添加参加编译的库名称，也可以是绝对路径，注意被依赖的模块写在后面

修改 build.gradle 文件：


android {
    //...
    defaultConfig {
        //...
        externalNativeBuild {
            cmake {
                cppFlags "-std=c++11 -frtti -fexceptions -lz"
                abiFilters 'armeabi'
            }
        }
    }
    externalNativeBuild {
        cmake {
            path "CMakeLists.txt"
        }
    }
    //...
}

这里指定了 C++ 的版本为11，开启 RTTI，启用异常处理，这样就完成了导入 OpenCV 代码库的配置。

边框识别

SmartCropper 类中提供了图片的边框识别与裁剪：


public class SmartCropper {

    /**
     *  输入图片扫描边框顶点
     * @param srcBmp 扫描图片
     * @return 返回顶点数组，以 左上，右上，右下，左下排序
     */
    public static Point[] scan(Bitmap srcBmp) {
        //...
    }

    /**
     * 裁剪图片
     * @param srcBmp 待裁剪图片
     * @param cropPoints 裁剪区域顶点，顶点坐标以图片大小为准
     * @return 返回裁剪后的图片
     */
    public static Bitmap crop(Bitmap srcBmp, Point[] cropPoints) {
        //...
    }

    private static native void nativeScan(Bitmap srcBitmap, Point[] outPoints);

    private static native void nativeCrop(Bitmap srcBitmap, Point[] points, Bitmap outBitmap);

    static {
        System.loadLibrary("smart_cropper");
    }

}

主要逻辑位于 native 层，先看 nativeScan 方法对应的 C++ 代码：


static void native_scan(JNIEnv *env, jclass type, jobject srcBitmap, jobjectArray outPoint_) {
    if (env -> GetArrayLength(outPoint_) != 4) {
        return;
    }
    Mat srcBitmapMat;
    bitmap_to_mat(env, srcBitmap, srcBitmapMat);
    Mat bgrData(srcBitmapMat.rows, srcBitmapMat.cols, CV_8UC3);
    cvtColor(srcBitmapMat, bgrData, CV_RGBA2BGR);
    scanner::Scanner docScanner(bgrData);
    std::vector scanPoints = docScanner.scanPoint();
    if (scanPoints.size() == 4) {
        for (int i = 0; i < 4; ++i) { env -> SetObjectArrayElement(outPoint_, i, createJavaPoint(env, scanPoints[i]));
        }
    }
}

先将传入的 Bitmap 对象转化成 OpenCV 提供的 Mat 对象，你可以理解成一个多维矩阵，保存了位图的信息，在 OpenCV 中 Mat 即为图片，所有对图片的操作即为操作 Mat 对象，然后将 RGBA 格式的图片转化成 BGR 格式，这种转化对于 OpenCV 来说十分方便，cvtColor(srcBitmapMat, bgrData, CV_RGBA2BGR); 当然还提供了其他的色彩空间转化。接着调用 scanner::Scanner 对象的 scanPoint 函数获取识别好的四个顶点。
可以看到主要逻辑位于 docScanner.scanPoint() 中，我们先看一下 bitmap_to_ma 是如何将 bitmap 转化成 Mat 对象的：


void bitmap_to_mat(JNIEnv *env, jobject &srcBitmap, Mat &srcMat) {
    void *srcPixels = 0;
    AndroidBitmapInfo srcBitmapInfo;
    try {
        AndroidBitmap_getInfo(env, srcBitmap, &srcBitmapInfo);
        AndroidBitmap_lockPixels(env, srcBitmap, &srcPixels);
        uint32_t srcHeight = srcBitmapInfo.height;
        uint32_t srcWidth = srcBitmapInfo.width;
        srcMat.create(srcHeight, srcWidth, CV_8UC4);
        if (srcBitmapInfo.format == ANDROID_BITMAP_FORMAT_RGBA_8888) {
            Mat tmp(srcHeight, srcWidth, CV_8UC4, srcPixels);
            tmp.copyTo(srcMat);
        } else {
            Mat tmp = Mat(srcHeight, srcWidth, CV_8UC2, srcPixels);
            cvtColor(tmp, srcMat, COLOR_BGR5652RGBA);
        }
        AndroidBitmap_unlockPixels(env, srcBitmap);
        return;
    } catch (cv::Exception &e) {
        AndroidBitmap_unlockPixels(env, srcBitmap);
        jclass je = env->FindClass("java/lang/Exception");
        env -> ThrowNew(je, e.what());
        return;
    } catch (...) {
        AndroidBitmap_unlockPixels(env, srcBitmap);
        jclass je = env->FindClass("java/lang/Exception");
        env -> ThrowNew(je, "unknown");
        return;
    }
}

AndroidBitmapInfo 类，AndroidBitmap_getInfo 方法等位于 NDK 中，使得我们可以在 native 层方便的操作 Java 层的 Bitmap 对象,该库是我们在 CMakeLists 文件中通过 jnigraphics 引入的。
AndroidBitmap_getInfo 获取了 Bitmap 的信息，包括图片宽高，图片格式，然后通过 AndroidBitmap_lockPixels 获取像素数组，接着通过不同的图片格式创建不同的 Mat 容器存放像素数组。最后统一转换成 RGBA 格式返回。

回到之前说的主要函数：docScanner.scanPoint()


vector Scanner::scanPoint() {
    //缩小图片尺寸
    Mat image = resizeImage();
    //预处理图片
    Mat scanImage = preprocessImage(image);
    vector<vector> contours;
    //提取边框
    findContours(scanImage, contours, RETR_EXTERNAL, CHAIN_APPROX_NONE);
    //按面积排序
    std::sort(contours.begin(), contours.end(), sortByArea);
    vector result;
    if (contours.size() > 0) {
        vector contour = contours[0];
        double arc = arcLength(contour, true);
        vector outDP;
        //多变形逼近
        approxPolyDP(Mat(contour), outDP, 0.02*arc, true);
        //筛选去除相近的点
        vector selectedPoints = selectPoints(outDP, 1);
        if (selectedPoints.size() != 4) {
            //如果筛选出来之后不是四边形，那么使用最小矩形包裹
            RotatedRect rect = minAreaRect(contour);
            Point2f p[4];
            rect.points(p);
            result.push_back(p[0]);
            result.push_back(p[1]);
            result.push_back(p[2]);
            result.push_back(p[3]);
        } else {
            result = selectedPoints;
        }
        for(Point &p : result) {
            p.x *= resizeScale;
            p.y *= resizeScale;
        }
    }
    // 按左上，右上，右下，左下排序
    return sortPointClockwise(result);
}

1. 缩小图片尺寸：


Mat Scanner::resizeImage() {
    int width = srcBitmap.cols;
    int height = srcBitmap.rows;
    int maxSize = width > height? width : height;
    if (maxSize > resizeThreshold) {
        resizeScale = 1.0f * maxSize / resizeThreshold;
        width = static_cast(width / resizeScale);
        height = static_cast(height / resizeScale);
        Size size(width, height);
        Mat resizedBitmap(size, CV_8UC3);
        resize(srcBitmap, resizedBitmap, size);
        return resizedBitmap;
    }
    return srcBitmap;
}

缩小图片尺寸对 OpenCV 来说非常简单，创建一个目标大小的 Size 对象，创建一个目标大小的 Mat 对象，最后调用 resize 就 OK 了。

2. 预处理图片


Mat Scanner::preprocessImage(Mat& image) {
    Mat grayMat;
    cvtColor(image, grayMat, CV_BGR2GRAY);
    Mat blurMat;
    GaussianBlur(grayMat, blurMat, Size(5,5), 0);
    Mat cannyMat;
    Canny(blurMat, cannyMat, 0, 5);
    return cannyMat;
}

使用 cvtColor 将图片转换成灰度图片；使用 GaussianBlur 对图片做高斯模糊，减少噪点；使用 Canny 做边缘检测，此时图片会变成黑底，白色细线
描图片内容边界的图片，像下面这样：

后面的处理就是基于这种图片的。

3. 提取图片边框：


    vector<vector> contours;
    //提取边框
    findContours(scanImage, contours, RETR_EXTERNAL, CHAIN_APPROX_NONE);
    //按面积排序
    std::sort(contours.begin(), contours.end(), sortByArea);
    vector result;
    if (contours.size() > 0) {
        vector contour = contours[0];
        double arc = arcLength(contour, true);
        vector outDP;
        //多变形逼近
        approxPolyDP(Mat(contour), outDP, 0.02*arc, true);
        //筛选去除相近的点
        vector selectedPoints = selectPoints(outDP, 1);
        if (selectedPoints.size() != 4) {
            //如果筛选出来之后不是四边形，那么使用最小矩形包裹
            RotatedRect rect = minAreaRect(contour);
            Point2f p[4];
            rect.points(p);
            result.push_back(p[0]);
            result.push_back(p[1]);
            result.push_back(p[2]);
            result.push_back(p[3]);
        } else {
            result = selectedPoints;
        }
        for(Point &p : result) {
            p.x *= resizeScale;
            p.y *= resizeScale;
        }
    }

OpenCV 的 findContours 方法能提取出所有线段，以数组的方式返回。然后调用 std::sort 按面积排序，注意最后一个参数 sortByArea 是一个函数指针，用于指定排序的规则：


static bool sortByArea(const vector &v1, const vector &v2) {
    double v1Area = fabs(contourArea(Mat(v1)));
    double v2Area = fabs(contourArea(Mat(v2)));
    return v1Area > v2Area;
}

使用 contourArea 可以很方便的计算闭合图像的面积。
找出最大面积的边界之后使用 approxPolyDP 多边形逼近来减少线段数量，期望是四边形，也就是 4 条线段。然后调用 selectPoints 去除一些误判的相近的点：


vector Scanner::selectPoints(vector points, int selectTimes) {
    if (points.size() > 4) {
        double arc = arcLength(points, true);
        vector::iterator itor = points.begin();
        while (itor != points.end()) {
            if (points.size() == 4) {
                return points;
            }
            Point& p = *itor;
            if (itor != points.begin()) {
                Point& lastP = *(itor - 1);
                double pointLength = sqrt(pow((p.x-lastP.x),2) + pow((p.y-lastP.y),2));
                if(pointLength < arc * 0.01 * selectTimes && points.size() > 4) {
                    itor = points.erase(itor);
                    continue;
                }
            }
            itor++;
        }
        if (points.size() > 4) {
            return selectPoints(points, selectTimes + 1);
        }
    }
    return points;
}

这里使用了递归，返回值预期是大小为4的数组。
如果筛选出来的数组大小不是 4，就使用 OpenCV 的 minAreaRect 获取最小外接局限作为妥协值。

4. 将顶点按左上，右上，右下，左下排序


vector Scanner::sortPointClockwise(vector points) {
    if (points.size() != 4) {
        return points;
    }
    Point unFoundPoint;
    vector result = {unFoundPoint, unFoundPoint, unFoundPoint, unFoundPoint};
    long minDistance = -1;
    for(Point &point : points) {
        long distance = point.x * point.x + point.y * point.y;
        if(minDistance == -1 || distance < minDistance) {
            result[0] = point;
            minDistance = distance;
        }
    }
    if (result[0] != unFoundPoint) {
        Point &leftTop = result[0];
        points.erase(std::remove(points.begin(), points.end(), leftTop));
        if ((pointSideLine(leftTop, points[0], points[1]) * pointSideLine(leftTop, points[0], points[2])) < 0) {
            result[2] = points[0];
        } else if ((pointSideLine(leftTop, points[1], points[0]) * pointSideLine(leftTop, points[1], points[2])) < 0) {
            result[2] = points[1];
        } else if ((pointSideLine(leftTop, points[2], points[0]) * pointSideLine(leftTop, points[2], points[1])) < 0) { result[2] = points[2]; } } if (result[0] != unFoundPoint && result[2] != unFoundPoint) { Point &leftTop = result[0]; Point &rightBottom = result[2]; points.erase(std::remove(points.begin(), points.end(), rightBottom)); if (pointSideLine(leftTop, rightBottom, points[0]) > 0) {
            result[1] = points[0];
            result[3] = points[1];
        } else {
            result[1] = points[1];
            result[3] = points[0];
        }
    }
    if (result[0] != unFoundPoint && result[1] != unFoundPoint && result[2] != unFoundPoint && result[3] != unFoundPoint) {
        return result;
    }
    return points;
}

已知四个顶点形成的四边形为凸四边形（入参做判断），默认以距离顶点（0，0）最近的点作为左上，然后找一个点与该点相连，如果此时另外两个点分别位于这条线的两侧，那么这条线就位对角线，该点为右下。位于这条线上方的为右上，下发的为左下。
以上就是边框识别的所有内容，

边框裁剪

裁剪相对比较简单一些，下面是通过4个顶点作透视变换裁剪出想要的图片：


static void native_crop(JNIEnv *env, jclass type, jobject srcBitmap, jobjectArray points_, jobject outBitmap) {
    std::vector points = pointsToNative(env, points_);
    if (points.size() != 4) {
        return;
    }
    Point leftTop = points[0];
    Point rightTop = points[1];
    Point rightBottom = points[2];
    Point leftBottom = points[3];

    Mat srcBitmapMat;
    bitmap_to_mat(env, srcBitmap, srcBitmapMat);

    AndroidBitmapInfo outBitmapInfo;
    AndroidBitmap_getInfo(env, outBitmap, &outBitmapInfo);
    Mat dstBitmapMat;
    int newHeight = outBitmapInfo.height;
    int newWidth = outBitmapInfo.width;
    dstBitmapMat = Mat::zeros(newHeight, newWidth, srcBitmapMat.type());

    vector srcTriangle;
    vector dstTriangle;

    srcTriangle.push_back(Point2f(leftTop.x, leftTop.y));
    srcTriangle.push_back(Point2f(rightTop.x, rightTop.y));
    srcTriangle.push_back(Point2f(leftBottom.x, leftBottom.y));
    srcTriangle.push_back(Point2f(rightBottom.x, rightBottom.y));

    dstTriangle.push_back(Point2f(0, 0));
    dstTriangle.push_back(Point2f(newWidth, 0));
    dstTriangle.push_back(Point2f(0, newHeight));
    dstTriangle.push_back(Point2f(newWidth, newHeight));

    Mat transform = getPerspectiveTransform(srcTriangle, dstTriangle);
    warpPerspective(srcBitmapMat, dstBitmapMat, transform, dstBitmapMat.size());

    mat_to_bitmap(env, dstBitmapMat, outBitmap);
}

还是使用 bitmap_to_mat 读出图片信息，分别使用 srcTriangle、dstTriangle 保存待裁剪的区域顶点与裁剪顶点，可以看到裁剪的4个顶点分别对应图片的4个顶点，通过 getPerspectiveTransform 获得变换矩阵，然后运用变换 warpPerspective 得到裁剪好的 Mat 对象，最后将 Mat 对象转换回 Bitmap 对象。

关于 UI 实现部分就不详细介绍了，全部内容位于 CropImageView 中。最后再说几句，使用 OpenCV 做边框识别还是有很多局限性，容易受背景颜色，其他边框的干扰，如果待识别物体与背景的颜色很相似，那么可能就识别不出来，或者背景有复杂的线也会干扰识别。之前看过一篇文章使用 TensorFlow 结合 OpenCV 来识别边框的方式能很好的弥补单纯用 OpenCV 来做识别的局限性，可以参考：手机端运行卷积神经网络的一次实践 — 基于 TensorFlow 和 OpenCV 实现文档检测功能。

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