[OpenCV]円の検出はハフ変換より最小外接円がいいぞ

管理人

8年前

(2026/01/02 デモの映像を追加し、ボール検出用のコードを更新)

赤いボールを検出しようとした話。

巷ではハフ変換を使った方法がある。
これ説明するのは難しいけど、この辺がわかりやすいかな。↓↓

やさしいハフ(Hough)変換講座 -

ハフ変換による円検出 — OpenCV-Python Tutorials 1 documentation -

でも、ハフ変換は処理が重い上に精度が悪い。なーんかもたつくし、できたとしても検出された円の大きさが安定しない。

なんだかなぁと思っていると、経験ある友達が「最小外接円を使った方がいい」と教えてくれた。
実際使ってみたところ、はるかに精度いい(厳密には違うが)しスムーズだった。
「精度がいい」というよりは、円を検出してるわけじゃないから認識が簡単になっていて、精度よく検出できているように感じる、と言った方が正確かな。

デモとして、ハフ変換と最小外接円それぞれで赤いボールの検出の比較をしてみた。

https://blog.ashija.net/wp-content/uploads/2017/11/hough_ball_detect.mp4?_=1

まずハフ変換の方。滅多に円が検出されない上に、検出されても円のサイズがめちゃめちゃに暴れる。
円の大きさで距離を推定したい場合なんかは致命的になる。

https://blog.ashija.net/wp-content/uploads/2017/11/mec_ball_detect.mp4?_=2

続いて最小外接円を使った方式。
基本的にずっとボールが適切に検出されているし、大きさもほぼ狂わない。ボールのブレにも追随できている。
悪くないでしょう？

もちろんハフ変換が最適な場合もあると思うけど、今回は赤いボール１つだけ検出できればよかったから、最小外接円方式で十分快適だった。

検証に使ったコード例を下に置いておく。(検証当時のOpenCVのバージョンは4.12.0)
例えば下記をdetect_red_ball.pyと保存して"python detect_red_ball.py -m -c"とすると、カメラからの映像を元に最小外接円方式で赤い円検出を行う。

# -*- coding: utf-8 -*-
import argparse
import numpy as np
import cv2


def getCircle_mec(oc):
  MIN_RADIUS = 25

  # 輪郭抽出
  contours_info = cv2.findContours(oc, cv2.RETR_EXTERNAL, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
  # OpenCV 3 -> (image, contours, hierarchy), OpenCV 4 -> (contours, hierarchy)
  if len(contours_info) == 2:
    contours, hierarchy = contours_info
  else:
    img, contours, hierarchy = contours_info
  print("{} contours.".format(len(contours)))

  if len(contours) > 0:
    # 一番大きい赤色領域を指定する
    # contours may be a tuple in some OpenCV builds, so convert/sort into a list
    contours = sorted(contours, key=cv2.contourArea, reverse=True)
    cnt = contours[0]

    # 最小外接円を用いて円を検出する
    (x, y), radius = cv2.minEnclosingCircle(cnt)
    center = (int(x), int(y))
    radius = int(radius)

    # 円が小さすぎたら円を検出していないとみなす
    if radius < MIN_RADIUS:
      return None
    else:
      return center, radius
  else:
    return None


def getCircle_hough(frame, oc):
  # フレーム画像とマスク画像の共通の領域のグレースケールを抽出する。(３つ目のチャネルがグレースケール)
  extracted = cv2.split(cv2.bitwise_and(frame, frame, mask=oc))

  #ハフ変換を適用し、映像内の円を探す
  circles = cv2.HoughCircles(
    extracted[2],
    cv2.HOUGH_GRADIENT,
    dp = 1,
    minDist = 50,
    param1 = 180,
    param2 = 25,
    minRadius = 20,
    maxRadius = 250
  )

  if circles is None:
    return None
  else:
    # circles の形状は (1, N, 3) または (N,3) の場合があるため整形
    circles = np.squeeze(circles)
    if circles.ndim == 1:
      # 単一の円だけ返ってきた場合の対応
      x, y, r = circles
    else:
      # 最も半径が大きい円を選択
      idx = int(np.argmax(circles[:, 2]))
      x, y, r = circles[idx]
    return (int(x), int(y)), int(r)

if __name__ == '__main__':
  # ”-h"はハフ変換オプション用。"-h"でヘルプの表示はしない
  parser = argparse.ArgumentParser(description='Detect circles from camera or a video file (plays while processing).', add_help=False)
  # 代わりに"--help"を導入
  parser.add_argument('--help', action='help', help='show this help message and exit')

  # 映像ソース選択(カメラか動画か)
  group = parser.add_mutually_exclusive_group(required=True)
  group.add_argument('-c', '--camera', action='store_true', help='Use camera as input')
  group.add_argument('-v', '--video', help='Path to the video file to process')

  # 円検出方式選択(ハフ変換か最小外接円か)
  method_group = parser.add_mutually_exclusive_group(required=True)
  method_group.add_argument('-m', '--mec', action='store_true', help='Use contour-based minimum enclosing circle method')
  method_group.add_argument('-h', '--hough', action='store_true', help='Use HoughCircles based method')

  args = parser.parse_args()

  # 検出に使用するHSV 範囲
  lower_hsv = np.array([1, 149, 167])
  upper_hsv = np.array([179, 255, 255])

  if args.camera:
    cap = cv2.VideoCapture(0)
    if not cap.isOpened():
      print('Failed to open camera')
      cap.release()
      exit(1)
    window_name = 'Circle Detect - camera'
  else:
    cap = cv2.VideoCapture(args.video)
    if not cap.isOpened():
      print('Failed to open video:', args.video)
      cap.release()
      exit(1)
    window_name = f'Circle Detect - {args.video}'

  while True:
    # 赤色の円を抽出する
    ret, frame = cap.read()
    if not ret or frame is None:
      # EOFまたは読み取りエラー
      print('End of input or failed to read frame')
      break

    # HSVによる画像情報に変換
    hsv = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2HSV)

    # ガウシアンぼかしを適用して、認識精度を上げる
    blur = cv2.GaussianBlur(hsv, (9, 9), 0)

    # 指定した色範囲のみを抽出する
    color = cv2.inRange(blur, lower_hsv, upper_hsv)

    # オープニング・クロージングによるノイズ除去
    element8 = np.array([[1, 1, 1], [1, 1, 1], [1, 1, 1]], np.uint8)
    oc = cv2.morphologyEx(color, cv2.MORPH_OPEN, element8)
    oc = cv2.morphologyEx(oc, cv2.MORPH_CLOSE, element8)

    # 検出メソッドを選択
    if args.mec:
      detected_circle = getCircle_mec(oc)
    else:
      detected_circle = getCircle_hough(frame, oc)

    if detected_circle is not None:
      # 見つかった円の上に青い円を描画
      # detected_circle[0]:中心座標、detected_circle[1]:半径
      cv2.circle(frame, detected_circle[0], detected_circle[1], (255, 0, 0), 2)
      print(detected_circle[1])
    else:
      print("No circle detected")

    # 検出結果とともに映像を表示
    cv2.imshow(window_name, frame)

    # 最小の待ち時間（1ms）でループを回す。'q'で終了
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
      break

  # 終了時に映像ソースを解放
  cap.release()
  cv2.destroyAllWindows()

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# -*- coding: utf-8 -*-

import argparse

import numpy as np

import cv2

def getCircle_mec(oc):

MIN_RADIUS = 25

# 輪郭抽出

contours_info = cv2.findContours(oc, cv2.RETR_EXTERNAL, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)

# OpenCV 3 -> (image, contours, hierarchy), OpenCV 4 -> (contours, hierarchy)

if len(contours_info) == 2:

contours, hierarchy = contours_info

else:

img, contours, hierarchy = contours_info

print("{} contours.".format(len(contours)))

if len(contours) > 0:

# 一番大きい赤色領域を指定する

# contours may be a tuple in some OpenCV builds, so convert/sort into a list

contours = sorted(contours, key=cv2.contourArea, reverse=True)

cnt = contours[0]

# 最小外接円を用いて円を検出する

(x, y), radius = cv2.minEnclosingCircle(cnt)

center = (int(x), int(y))

radius = int(radius)

# 円が小さすぎたら円を検出していないとみなす

if radius < MIN_RADIUS:

return None

else:

return center, radius

else:

return None

def getCircle_hough(frame, oc):

# フレーム画像とマスク画像の共通の領域のグレースケールを抽出する。(３つ目のチャネルがグレースケール)

extracted = cv2.split(cv2.bitwise_and(frame, frame, mask=oc))

#ハフ変換を適用し、映像内の円を探す

circles = cv2.HoughCircles(

extracted[2],

cv2.HOUGH_GRADIENT,

dp = 1,

minDist = 50,

param1 = 180,

param2 = 25,

minRadius = 20,

maxRadius = 250

)

if circles is None:

return None

else:

# circles の形状は (1, N, 3) または (N,3) の場合があるため整形

circles = np.squeeze(circles)

if circles.ndim == 1:

# 単一の円だけ返ってきた場合の対応

x, y, r = circles

else:

# 最も半径が大きい円を選択

idx = int(np.argmax(circles[:, 2]))

x, y, r = circles[idx]

return (int(x), int(y)), int(r)

if __name__ == '__main__':

# ”-h"はハフ変換オプション用。"-h"でヘルプの表示はしない

parser = argparse.ArgumentParser(description='Detect circles from camera or a video file (plays while processing).', add_help=False)

# 代わりに"--help"を導入

parser.add_argument('--help', action='help', help='show this help message and exit')

# 映像ソース選択(カメラか動画か)

group = parser.add_mutually_exclusive_group(required=True)

group.add_argument('-c', '--camera', action='store_true', help='Use camera as input')

group.add_argument('-v', '--video', help='Path to the video file to process')

# 円検出方式選択(ハフ変換か最小外接円か)

method_group = parser.add_mutually_exclusive_group(required=True)

method_group.add_argument('-m', '--mec', action='store_true', help='Use contour-based minimum enclosing circle method')

method_group.add_argument('-h', '--hough', action='store_true', help='Use HoughCircles based method')

args = parser.parse_args()

# 検出に使用するHSV 範囲

lower_hsv = np.array([1, 149, 167])

upper_hsv = np.array([179, 255, 255])

if args.camera:

cap = cv2.VideoCapture(0)

if not cap.isOpened():

print('Failed to open camera')

cap.release()

exit(1)

window_name = 'Circle Detect - camera'

else:

cap = cv2.VideoCapture(args.video)

if not cap.isOpened():

print('Failed to open video:', args.video)

cap.release()

exit(1)

window_name = f'Circle Detect - {args.video}'

while True:

# 赤色の円を抽出する

ret, frame = cap.read()

if not ret or frame is None:

# EOFまたは読み取りエラー

print('End of input or failed to read frame')

break

# HSVによる画像情報に変換

hsv = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2HSV)

# ガウシアンぼかしを適用して、認識精度を上げる

blur = cv2.GaussianBlur(hsv, (9, 9), 0)

# 指定した色範囲のみを抽出する

color = cv2.inRange(blur, lower_hsv, upper_hsv)

# オープニング・クロージングによるノイズ除去

element8 = np.array([[1, 1, 1], [1, 1, 1], [1, 1, 1]], np.uint8)

oc = cv2.morphologyEx(color, cv2.MORPH_OPEN, element8)

oc = cv2.morphologyEx(oc, cv2.MORPH_CLOSE, element8)

# 検出メソッドを選択

if args.mec:

detected_circle = getCircle_mec(oc)

else:

detected_circle = getCircle_hough(frame, oc)

if detected_circle is not None:

# 見つかった円の上に青い円を描画

# detected_circle[0]:中心座標、detected_circle[1]:半径

cv2.circle(frame, detected_circle[0], detected_circle[1], (255, 0, 0), 2)

print(detected_circle[1])

else:

print("No circle detected")

# 検出結果とともに映像を表示

cv2.imshow(window_name, frame)

# 最小の待ち時間（1ms）でループを回す。'q'で終了

if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):

break

# 終了時に映像ソースを解放

cap.release()

cv2.destroyAllWindows()

みんな、最小外接円、使おうぜ！

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