Week 3 OpenCV 实验

本项目使用 CMake 管理两个独立的 OpenCV 示例程序：

1. show：检测图像轮廓并生成彩色渐变线条艺术图。
2. navigation：基于 A* 算法的交互式栅格路径规划演示。

两个程序均使用 C++17 和 OpenCV 4 编写。

环境要求

• CMake 3.16 或更高版本
• 支持 C++17 的编译器，例如 GCC 或 Clang
• OpenCV 4 开发包
• 可显示 OpenCV HighGUI 窗口的图形环境

Ubuntu/Debian 可安装以下依赖：

sudo apt update
sudo apt install build-essential cmake libopencv-dev

构建项目

在项目根目录执行：

cmake -S . -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
cmake --build build --parallel

构建完成后会生成：

build/show
build/navigation

---

1. 轮廓检测与渐变线条艺术：show

功能

show 会读取当前工作目录下的 jo.jpg，执行以下处理：

1. 将图像转换为灰度图。
2. 使用双边滤波平滑噪声，同时尽量保留边缘。
3. 使用 Canny 检测边缘。
4. 使用形态学闭运算连接断裂边缘。
5. 查找轮廓并使用 approxPolyDP 简化轮廓。
6. 将轮廓映射到由红、紫、蓝等颜色组成的渐变调色板。
7. 添加轻微光晕，生成柔和的彩色线条艺术图。

输入与输出

• 输入：jo.jpg
• 输出：result.jpg
• 预览窗口：
  • Color Gradient Edge Art
  • Smooth Edges

运行

请从项目根目录运行，确保程序可以找到 jo.jpg：

./build/show

按任意键关闭窗口。输出文件会保存为：

result.jpg

主要参数

参数位于 show.cpp：

bilateralFilter(gray, filtered, 9, 45, 45);
Canny(filtered, edges, 25, 75);
approxPolyDP(contour, smooth, 0.8, true);

• 增大 Canny 阈值会减少噪点，但可能漏掉弱边缘。
• 减小 Canny 阈值会增加细节，但可能产生更多碎片。
• 增大 approxPolyDP 的阈值会使轮廓更简化。
• 渐变颜色可以在 colors 数组和 mainAlpha、halo 的计算中调整。

---

2. A* 路径规划：navigation

功能

navigation 展示一个带障碍物的栅格地图，并使用 A* 算法寻找路线。

• 起点固定为 (2, 12)。
• 初始终点为 (37, 12)。
• 鼠标左键点击任意白色格子，可以重新指定终点。
• 点击障碍物不会修改终点，并会显示提示。
• 按 Esc、Q 或 q 退出。
• 每次选择终点后，程序都会重新计算并显示最短路线。

路径优化规则

A* 使用以下优先级：

1. 首先保证移动步数最少。
2. 在步数相同的路线中，选择转弯次数最少的路线。

搜索状态由“当前位置”和“进入方向”组成：

状态 = 当前格子 + 进入该格子的方向

这样可以区分直行、转弯和反向移动。每次移动增加 1 步；转弯会增加转弯次数，但不会改变第一优先级的步数判断。启发函数使用曼哈顿距离。

可视化颜色

• 深灰色：障碍物
• 浅蓝色：A* 搜索过的格子
• 橙色：最终路径
• 绿色：固定起点
• 红色：当前终点

运行

./build/navigation

程序启动时会先运行内置自测试，然后打开：

A* Path Planning

每次路径更新后，结果会写入：

astar_demo.png

组件结构

navigation 已拆分为多个职责独立的组件：

navigation.cpp                         主程序入口和窗口循环
navigation/position.hpp               网格坐标类型
navigation/grid_map.hpp
navigation/grid_map.cpp               栅格地图和演示地图
navigation/astar_planner.hpp
navigation/astar_planner.cpp          A* 搜索算法
navigation/visualization.hpp
navigation/visualization.cpp           绘制、鼠标交互和 PNG 导出
navigation/self_test.hpp
navigation/self_test.cpp               路径和算法自测试

---

项目结构

.
├── CMakeLists.txt
├── README.md
├── show.cpp
├── navigation.cpp
├── navigation/
│   ├── position.hpp
│   ├── grid_map.hpp
│   ├── grid_map.cpp
│   ├── astar_planner.hpp
│   ├── astar_planner.cpp
│   ├── visualization.hpp
│   ├── visualization.cpp
│   ├── self_test.hpp
│   └── self_test.cpp
├── jo.jpg
├── result.jpg
├── astar_demo.png
└── build/