概述

在计算机视觉和图形处理中，绘制基本的几何图形是基础操作之一。OpenCV 库提供了强大的绘图功能，其中椭圆（Ellipse）的绘制是实现复杂视觉效果和数据可视化不可或缺的工具。OpenCV 中的椭圆绘制功能不仅能画出完整的椭圆，还能绘制椭圆弧（Elliptic Arc），并且支持旋转和平移，具有高度的灵活性。

核心函数

OpenCV 中用于绘制椭圆或椭圆弧的核心函数是 cv2.ellipse()（Python）或 cv::ellipse()（C++）。

几何学基础

一个椭圆由以下几个核心参数定义：

• 中心点（Center）：椭圆在图像上的位置。
• 长轴和短轴（Axes）：决定椭圆的大小和形状。
• 旋转角度（Angle）：决定椭圆的倾斜方向。

cv2.ellipse()

函数定义

cv2.ellipse(img, center, axes, angle, startAngle, endAngle, color, thickness, lineType, shift)

关键参数

尺寸定义 (axes)

axes 参数是定义椭圆形状的关键。它是一个元组 $(a,b)$，其中 $a$ 和 $b$ 分别是半轴的长度。这意味着椭圆的总宽度是 2a，总高度是 2b（在不旋转的情况下）。

• 当 a = b 时，绘制的结果是一个圆（Circle）。

旋转角度 (angle)

angle 参数定义了整个椭圆的旋转。它决定了哪个半轴将成为长轴，以及椭圆相对于图像坐标系倾斜的角度。

• 0 度：长轴（第一个轴 a）将沿着水平方向。
• 90 度：长轴将沿着垂直方向。

绘制椭圆弧 (startAngle, endAngle)

这两个参数使得 cv2.ellipse() 可以绘制出椭圆的一部分，即椭圆弧。

• 完整椭圆：要绘制一个完整的椭圆，通常将它们设置为 0 和 360（或任何相差 360 度的角度）。
• 绘制方向：OpenCV 默认是逆时针方向绘制，从 startAngle 到 endAngle。如果 endAngle 小于 startAngle，则绘制方向会是顺时针，但仍是按照最短弧线方向。例如，从 0 度到 180 度绘制上半圆。

填充椭圆 (thickness)

通过将 thickness 参数设置为 -1，可以实现填充椭圆的功能。这在目标遮罩、区域高亮或创建实心形状时非常有用。

线条质量 (lineType)

• cv2.LINE_8：标准线条，速度快。
• cv2.LINE_AA (Anti-Aliasing)：抗锯齿线条。它通过在边界上使用平滑的颜色过渡来消除锯齿效应，使图形看起来更平滑、质量更高，但计算量稍大。在最终展示的图像中，推荐使用此类型。

示例

import cv2
import numpy as np

# 1. 创建一个空白的黑色画布
# 图像大小 600x600 像素，3 个颜色通道 (BGR)
image_size = 600
canvas = np.zeros((image_size, image_size, 3), dtype=np.uint8)
canvas.fill(50)  # 将背景设置为深灰色 (50, 50, 50)

# ----------------- 绘制完整的、旋转的椭圆 -----------------

# 参数定义
center_1 = (150, 300)      # 椭圆中心坐标
axes_1 = (100, 50)         # 半轴长度 (半宽100, 半高50)
angle_1 = 45               # 旋转角度 45度
start_angle_1 = 0          # 弧度起始 0度 (完整椭圆)
end_angle_1 = 360          # 弧度结束 360度 (完整椭圆)
color_1 = (0, 255, 255)    # 颜色：黄色 (BGR)
thickness_1 = 2            # 线条粗细 2像素
line_type_1 = cv2.LINE_AA  # 抗锯齿线条类型

# 绘制完整的椭圆
cv2.ellipse(
    img=canvas, 
    center=center_1, 
    axes=axes_1, 
    angle=angle_1, 
    startAngle=start_angle_1, 
    endAngle=end_angle_1, 
    color=color_1, 
    thickness=thickness_1, 
    lineType=line_type_1
)

# ----------------- 绘制填充的椭圆弧 (上半部分) -----------------

# 参数定义
center_2 = (450, 300)      # 椭圆中心坐标
axes_2 = (150, 80)         # 半轴长度 (半宽150, 半高80)
angle_2 = 0                # 旋转角度 0度 (不旋转)
start_angle_2 = 180        # 弧度起始 180度 (从左侧开始)
end_angle_2 = 360          # 弧度结束 360度 (到右侧结束，即上半部分)
color_2 = (255, 0, 0)      # 颜色：蓝色 (BGR)
thickness_2 = -1           # 负值表示填充
line_type_2 = cv2.LINE_AA

# 绘制填充的椭圆弧
cv2.ellipse(
    img=canvas, 
    center=center_2, 
    axes=axes_2, 
    angle=angle_2, 
    startAngle=start_angle_2, 
    endAngle=end_angle_2, 
    color=color_2, 
    thickness=thickness_2, 
    lineType=line_type_2
)


# ----------------- 额外的：绘制中心点和文字说明 -----------------

# 绘制第一个椭圆的中心点
cv2.circle(canvas, center_1, 5, (255, 255, 255), -1) 
cv2.putText(canvas, "Rotated Ellipse (45 deg)", (50, 500), 
            cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0, 255, 255), 2)

# 绘制第二个椭圆的中心点
cv2.circle(canvas, center_2, 5, (255, 255, 255), -1)
cv2.putText(canvas, "Filled Elliptic Arc (180-360 deg)", (350, 500), 
            cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (255, 0, 0), 2)


# ----------------- 显示图像 -----------------

cv2.imshow('OpenCV Ellipse Drawing Example', canvas)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()