OpenCV-Python實戰（番外篇）——OpenCV中繪制模擬時鐘顯示當前時間

前言

我們已經在《OpenCV-Python實戰（3）——OpenCV中繪制圖形與文本》學習了如何使用 OpenCV 繪制圖形和文本，在本番外篇中，將進一步利用所學的繪圖函式，學習如何在實戰專案中使用繪圖，繪制模擬時鐘顯示當前時間，

模擬時鐘外觀

結合《OpenCV-Python實戰（3）——OpenCV中繪制圖形與文本》中講解的 OpenCV 中的繪圖函式(例如，cv2.line()、cv2.circle()和 cv2.putText() 等)，以渲染更高級的繪圖，同時更好的理解和實際運用所了解的繪圖函式，為了將所有繪圖函式進行綜合運用，構建一個模擬時鐘來顯示當前時間——包括時針、分針和秒針，
為了實作上述需求，撰寫 clock_appearance.py 腳本，clock_appearance.py 腳本使用 cv.line() 、 cv.circle() 和 cv2.putText() 繪制模擬時鐘，首先繪制靜態時鐘外觀，我們需要兩個包含固定坐標的陣列(至于這些陣列是如何計算得到的，將在下一小節中介紹)：

hours_orig = np.array([(620,320), (580, 470), (470, 580), (320, 620), (170, 580), (60, 470), (20, 320), (60, 170), (169, 61), (319, 20), (469, 60), (579, 169)])
hours_dest = np.array([(600,320), (563, 460), (460, 562), (320, 600), (180, 563), (78, 460), (40, 320), (77, 180), (179, 78), (319, 40), (459, 77), (562, 179)])

這些陣列是渲染小時刻度所必需的，因為它們定義了時鐘每小時的刻度線條，陣列定義完成后，將這些刻度進行繪制：

for i in range(0, 12):
    cv2.line(image, array_to_tuple(hours_orig[i]), array_to_tuple(hours_dest[i]), colors['black'], 3)

此外，還應該繪制了一個大圓圈，對應于模擬時鐘表盤的形狀：

cv2.circle(image, (320, 320), 310, colors['black'], 8)

最后，在時鐘內繪制文本，進行個性化定制：

cv2.rectangle(image, (150, 175), (490, 270), colors['dark_gray'], -1)
cv2.putText(image, "Mastering OpenCV 4", (150, 200), 1, 2, colors['light_gray'], 1, cv2.LINE_AA)
cv2.putText(image, "with Python", (210, 250), 1, 2, colors['light_gray'], 1, cv2.LINE_AA)

一旦在影像中繪制了這些靜態資訊，我們將其復制到 image_original 影像中：

image_original = image.copy()

在下圖中，可以看到模擬時鐘的外觀：

計算時針刻度 hours_orig 和 hours_dest 陣列

為了計算計算時針刻度 hours_orig 和 hours_dest 陣列，我們撰寫 clock_hours.py 計算 hours_orig 和 hours_dest 陣列的固定坐標，為了計算小時刻度的 (x, y) 坐標，我們使用圓的引數方程：
{ x = x 0 + r ? c o s ( t ) , 0 ≤ t ≤ 2 π y = y 0 + r ? s i n ( t ) , 0 ≤ t ≤ 2 π \begin{cases} x=x_0+r*cos(t), & \text{$0 \le t \le 2\pi$} \\ y=y_0+r*sin(t), & \text{$0 \le t \le 2\pi$} \end{cases} {x=x0?+r?cos(t),y=y0?+r?sin(t),?0≤t≤2π0≤t≤2π?

按照上述公式計算從 0 度開始每隔 30 度為一個時針刻度，共 12 個點 P(x, y) 的坐標( 0、30、60、90、120、150、180、210、240、270、300 和 330 )，為了獲取兩個端點的坐標，我們具有兩個不同的半徑，這樣，我們就可以得到時針刻度線的坐標：

radius = 300
center = (320, 320)

for x in (0, 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300, 330):
    x_coordinate = center[0] + radius * math.cos(x * 3.14 / 180)
    y_coordinate = center[1] + radius * math.sin(x * 3.14 / 180)
    print("x: {} y: {}".format(round(x_coordinate), round(y_coordinate)))

print("----------------------")

for x in (0, 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300, 330):
    x_coordinate = center[0] + (radius - 20) * math.cos(x * 3.14 / 180)
    y_coordinate = center[1] + (radius - 20) * math.sin(x * 3.14 / 180)
    print("x: {} y: {}".format(round(x_coordinate), round(y_coordinate)))

使用模擬時鐘顯示當前時間

得到表盤外觀后，接下來就要使用模擬時鐘顯示當前時間：

1. 從當前時間獲取小時、分鐘和秒：

   date_time_now = datetime.datetime.now()
   time_now = date_time_now.time()
   hour = math.fmod(time_now.hour, 12)
   minute = time_now.minute
   second = time_now.second
   

2. 將時、分和秒都轉換為角度，用于接下來指標線段的繪制：

   second_angle = math.fmod(second * 6 + 270, 360)
   minute_angle = math.fmod(minute * 6 + 270, 360)
   hour_angle = math.fmod((hour*30) + (minute/2) + 270, 360)
   

3. 繪制與時針、分針和秒針對應的線段：

   second_x = round(320 + 310 * math.cos(second_angle * 3.14 / 180))
   second_y = round(320 + 310 * math.sin(second_angle * 3.14 / 180))
   cv2.line(image, (320, 320), (second_x, second_y), colors['cyan'], 2)
   
   minute_x = round(320 + 260 * math.cos(minute_angle * 3.14 / 180))
   minute_y = round(320 + 260 * math.sin(minute_angle * 3.14 / 180))
   cv2.line(image, (320, 320), (minute_x, minute_y), colors['cyan'], 8)
   
   hour_x = round(320 + 220 * math.cos(hour_angle * 3.14 / 180))
   hour_y = round(320 + 220 * math.sin(hour_angle * 3.14 / 180))
   cv2.line(image, (320, 320), (hour_x, hour_y), colors['cyan'], 10)
   

4. 最后繪制一個小圓圈作為三根指標的連接點：

   cv2.circle(image, (320, 320), 10, colors['dark_gray'], -1)
   

clock_appearance.py 完整代碼

clock_appearance.py 腳本完整代碼如下：

import cv2
import numpy as np
import datetime
import math

def array_to_tuple(arr):
    return tuple(arr.reshape(1, -1)[0])

colors = {'blue': (255, 0, 0), 'green': (0, 255, 0), 'red': (0, 0, 255), 'yellow': (0, 255, 255),
          'magenta': (255, 0, 255), 'cyan': (255, 255, 0), 'white': (255, 255, 255), 'black': (0, 0, 0),
          'gray': (125, 125, 125), 'rand': np.random.randint(0, high=256, size=(3,)).tolist(),
          'dark_gray': (50, 50, 50), 'light_gray': (220, 220, 220)}

# 創建畫布
image = np.zeros((640, 640, 3), dtype="uint8")
# 背景色
image[:] = colors['light_gray']

# 定義時針刻度陣列
hours_orig = np.array(
    [(620, 320), (580, 470), (470, 580), (320, 620), (170, 580), (60, 470), (20, 320), (60, 170), (169, 61), (319, 20),
     (469, 60), (579, 169)])
     
hours_dest = np.array(
    [(600, 320), (563, 460), (460, 562), (320, 600), (180, 563), (78, 460), (40, 320), (77, 180), (179, 78), (319, 40),
     (459, 77), (562, 179)])

# 繪制時針刻度
for i in range(0, 12):
    cv2.line(image, array_to_tuple(hours_orig[i]), array_to_tuple(hours_dest[i]), colors['black'], 3)

# 繪制表盤
cv2.circle(image, (320, 320), 310, colors['black'], 8)

cv2.putText(image, "OpenCV-Python", (200, 200), 1, 1.8, colors['magenta'], 1, cv2.LINE_AA)
cv2.putText(image, "DIY clocks and watches", (150, 440), 1, 1.8, colors['magenta'], 1, cv2.LINE_AA)

image_original = image.copy()

# 模擬時鐘顯示當前時間
while True:
    date_time_now = datetime.datetime.now()
    # 獲取當前時間
    time_now = date_time_now.time()
    # 計算當前時分秒
    hour = math.fmod(time_now.hour, 12)
    minute = time_now.minute
    second = time_now.second

    print("hour:'{}' minute:'{}' second: '{}'".format(hour, minute, second))

    # 獲取時、分、秒角度
    second_angle = math.fmod(second * 6 + 270, 360)
    minute_angle = math.fmod(minute * 6 + 270, 360)
    hour_angle = math.fmod((hour * 30) + (minute / 2) + 270, 360)

    print("hour_angle:'{}' minute_angle:'{}' second_angle: '{}'".format(hour_angle, minute_angle, second_angle))

    # 繪制時針
    second_x = round(320 + 310 * math.cos(second_angle * 3.14 / 180))
    second_y = round(320 + 310 * math.sin(second_angle * 3.14 / 180))
    cv2.line(image, (320, 320), (second_x, second_y), colors['cyan'], 2)

    # 繪制分針
    minute_x = round(320 + 260 * math.cos(minute_angle * 3.14 / 180))
    minute_y = round(320 + 260 * math.sin(minute_angle * 3.14 / 180))
    cv2.line(image, (320, 320), (minute_x, minute_y), colors['cyan'], 8)

    # 繪制秒針
    hour_x = round(320 + 220 * math.cos(hour_angle * 3.14 / 180))
    hour_y = round(320 + 220 * math.sin(hour_angle * 3.14 / 180))
    cv2.line(image, (320, 320), (hour_x, hour_y), colors['cyan'], 10)
    
    cv2.circle(image, (320, 320), 10, colors['black'], -1)

    cv2.imshow("clock", image)

    # 獲取帶有靜態資訊的影像 :
    image = image_original.copy()

    if cv2.waitKey(500) & 0xFF == ord('q'):
        break

# Release everything:
cv2.destroyAllWindows()

運行代碼可以看到繪制的模擬時鐘可以正確顯示當前時間：

相關鏈接

《OpenCV-Python實戰（3）——OpenCV中繪制圖形與文本》