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OpenCV でカラーヒストグラム（Python を使用）

1. エグゼクティブサマリー

本プログラムは， https://github.com/opencv/opencv/blob/master/samples/python/color_histogram.py で公開されているサンプルコードをもとに作成したものである．

カメラ映像をリアルタイムに HSV 色空間（Hue, Saturation, Value の3成分で色を表現する色空間）へ変換し，色相（H）と彩度（S）の2次元ヒストグラムを算出・可視化する．OpenCV による動画表示を行う．

【サイト内の OpenCV 関連ページ】

【OpenCV の公式情報】

Python 3.12 のインストール

Pythonのインストールを行い、Pythonのプログラムを実行する環境を整える。扱う環境は、Windows搭載パソコンである。金子研究室では、Python 3.12.10を推奨する。

[Windows での Python 3.12 のインストール手順を見るには、ここをクリック]

Windows での Python 3.12 のインストール

以下のいずれかの方法でPython 3.12をインストールする。Pythonがインストール済みの場合、この手順は不要である。

方法 1：winget によるインストール

【インストールコマンドの実行方法】

管理者権限でコマンドプロンプトを起動する（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。そして、コマンド全体をコマンドプロンプトにコピー＆ペーストする。

--scope machine を指定することで、システム全体（全ユーザー向け）にインストールされる。このオプションの実行には管理者権限が必要である。インストール完了後、コマンドプロンプトを再起動するとPATHが反映される。

REM Python 3.12 をシステム領域にインストール
winget install --id Python.Python.3.12 -e --scope machine --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "/quiet InstallAllUsers=1 PrependPath=1 Include_test=0 Include_pip=1 Include_launcher=1 InstallLauncherAllUsers=1 TargetDir=\"C:\Program Files\Python312\""

REM Python と Scripts を PATH 先頭に追加
powershell -NoProfile -Command "$p='C:\Program Files\Python312'; $s=\"$p\Scripts\"; $c=[Environment]::GetEnvironmentVariable('Path','Machine'); if((Test-Path $p) -and (';'+$c+';' -notlike \"*;$p;*\") -and (';'+$c+';' -notlike \"*;$s;*\")){[Environment]::SetEnvironmentVariable('Path',\"$p;$s;$c\",'Machine')}"

方法 2：インストーラーによるインストール

  1. Python公式サイト（https://www.python.org/downloads/）にアクセスし、「Download Python 3.x.x」ボタンからWindows用インストーラーをダウンロードする。
  2. ダウンロードしたインストーラーを実行する。
  3. 初期画面の下部に表示される「Add python.exe to PATH」にチェックを入れてから「Customize installation」を選択する。このチェックを入れ忘れると、コマンドプロンプトから python コマンドを実行できない。
  4. 「Install Python 3.xx for all users」にチェックを入れ、「Install」をクリックする。

インストールの確認

コマンドプロンプトで以下を実行する。

python --version

バージョン番号（例：Python 3.12.x）が表示されればインストール成功である。「'python' は、内部コマンドまたは外部コマンドとして認識されていません。」と表示される場合は、インストールが正常に完了していない。

Python の開発環境 Visual Studio Code のインストールと Python 用の設定

Python の開発環境Visual Studio Code（プログラムを編集するソフトウェア。以下、VS Code）を整える。

[Windows での Visual Studio Code のインストールと Python 用の設定手順を見るには、ここをクリック]

Windows での Visual Studio Code のインストールと Python 用の設定手順

1. VS Code と拡張機能のインストール

以下のコマンドにより，既存の VS Code を削除し，全ユーザー共有の設定で再インストールしたうえで，拡張機能（VS Code に機能を追加するソフトウェア）をまとめて導入する．

【インストールコマンドの実行方法】

管理者権限でコマンドプロンプトを起動する（手順：Windows キーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。そして，コマンド全体をコマンドプロンプトにコピー＆ペーストする。

インストールコマンド


REM ============================================================
REM Microsoft Visual Studio Code
REM ============================================================
winget uninstall -e --id Microsoft.VisualStudioCode --silent --disable-interactivity --accept-source-agreements
rmdir /s /q C:\ProgramData\vscode-extensions 2>nul
rmdir /s /q "%APPDATA%\Code" 2>nul
rmdir /s /q "%USERPROFILE%\.vscode" 2>nul
rmdir /s /q "%LOCALAPPDATA%\Microsoft\vscode-update" 2>nul

REM VS Code をシステム領域に新規インストール
winget install --scope machine --id Microsoft.VisualStudioCode -e --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements

REM 全ユーザー共有の拡張機能フォルダ
mkdir C:\ProgramData\vscode-extensions 2>nul
icacls "C:\ProgramData\vscode-extensions" /grant "Everyone:(OI)(CI)M" /T

REM スタートメニューのショートカットを --extensions-dir 付きで再作成
rmdir /s /q "C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code" 2>nul
del "C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk" 2>nul
powershell -NoProfile -Command "$s=New-Object -ComObject WScript.Shell; $lnk=$s.CreateShortcut('C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk'); $lnk.TargetPath='C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe'; $lnk.Arguments='--extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\"'; $lnk.Save()"
REM ショートカットの検証
powershell -NoProfile -Command "$s=New-Object -ComObject WScript.Shell; $lnk=$s.CreateShortcut('C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk'); Write-Host 'TargetPath:' $lnk.TargetPath; Write-Host 'Arguments:' $lnk.Arguments"

REM ファイル / フォルダ右クリックの「Code で開く」を登録
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\*\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%1\"" /f
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\Directory\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%1\"" /f
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\Directory\Background\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%V\"" /f

REM --extensions-dir 付きで起動する code.cmd ラッパを作成
REM （%* を echo で書くと対話的 cmd で失われるため、PowerShell で [char]37+'*' を書き出す）
powershell -NoProfile -Command "$pct=[char]37; $q=[char]34; $c='@echo off'+[char]13+[char]10+$q+'C:\Program Files\Microsoft VS Code\bin\code.cmd'+$q+' --extensions-dir '+$q+'C:\ProgramData\vscode-extensions'+$q+' '+$pct+'*'+[char]13+[char]10; [IO.File]::WriteAllText('C:\ProgramData\vscode-extensions\vscode.cmd',$c,[Text.Encoding]::ASCII)"

REM 拡張機能のインストール
set "CODE=C:\Program Files\Microsoft VS Code\bin\code.cmd"
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --uninstall-extension GitHub.copilot
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --uninstall-extension GitHub.copilot-chat
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.python
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.vscode-pylance
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.debugpy
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension MS-CEINTL.vscode-language-pack-ja
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension saoudrizwan.claude-dev
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension rust-lang.rust-analyzer
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension tamasfe.even-better-toml
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension anthropic.claude-code
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension almenon.arepl
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --list-extensions --show-versions
echo === セットアップ完了 ===

2. Python インタプリタの選択

同一マシンに複数の Python がインストールされている場合，VS Code で使用する Python 本体（インタプリタ：Python プログラムを解釈・実行するソフトウェア）を選択する必要がある．

  1. コマンドパレット（コマンド名で機能を呼び出す VS Code の入力欄）を開く（Ctrl+Shift+P）
  2. Python: Select Interpreter と入力する
  3. 表示される一覧から，使用する Python（例：C:\Program Files\Python312\python.exe）を選択する．

Python プログラム実行手順

[Windows での Python プログラム実行手順を見るには、ここをクリック]

Windows での Python 実行手順（Visual Studio Codeを使用）

プログラムファイルの作成と保存

  1. 左サイドバーの「エクスプローラー」アイコン（Ctrl+Shift+E）をクリックする
  2. 「NO FOLDER OPENED」（作業対象フォルダが未選択の状態）と表示される場合は，「Open Folder」をクリックし，プログラムを保存するフォルダを選択する

    続いて「フォルダを信用するか」を確認する画面（フォルダ内のコードを実行してよいか確認する VS Code の仕組み）が表示されるので，チェックして Yes を選択する

  3. フォルダ名の右側に表示される「新しいファイル」アイコンをクリックする
  4. ファイル名（例：aitask.py．ファイル名は何でも良い）を入力し Enter を押す．拡張子は .py（Python ファイルを示す拡張子）とする
  5. 実行したいコードを選択し，Ctrl+C でコピーする．VS Code のエディタ領域に Ctrl+V で貼り付ける
  6. Ctrl+S で保存する

プログラムの実行

  1. エディタ右上の三角形「▷」アイコン（Run Python File：現在開いている Python ファイルを実行するボタン）をクリックする．または，エディタ上で右クリックし「ターミナルで Python ファイルを実行」を選択する
  2. VS Code 下部のターミナル（コマンドの入出力を表示する画面）に，実行結果（print 関数の出力等）が表示される
  3. tkinter（Python 標準の GUI ライブラリ）のファイル選択ダイアログを使うプログラムを実行した場合は，ダイアログが開くので対象画像を選択する
  4. VS Code 下部のターミナルで実行結果を確認する．OpenCV ウィンドウ（OpenCV が画像を表示するために開く専用ウィンドウ）が開いた場合はそちらも確認する．OpenCV ウィンドウは，マウスクリックでウィンドウをアクティブ（操作対象の状態）にしてからキーを押すと終了する

必要なライブラリのインストール

管理者権限のコマンドプロンプトで以下を実行する。管理者権限のコマンドプロンプトを起動するには、Windows キーまたはスタートメニューから「cmd」と入力し、表示された「コマンドプロンプト」を右クリックして「管理者として実行」を選択する。

pip install -U numpy opencv-python

3. 実行のための準備とその確認手順（Windows 前提）

3.1 プログラムファイルの準備

第5章のソースコードをテキストエディタ（Visual Studio Codeやメモ帳など）に貼り付け，main.py として保存する（文字コード：UTF-8）．

3.2 実行コマンド

コマンドプロンプトでファイルの保存先ディレクトリに移動し，以下を実行する．

python main.py

3.3 動作確認チェックリスト

確認項目期待される結果
プログラム起動時「hsv_map」ウィンドウに HSV カラーマップが表示される
カメラ映像「camera」ウィンドウにリアルタイム映像が表示される
ヒストグラム表示「hist」ウィンドウに色相・彩度の2次元ヒストグラムが表示される
トラックバー操作「scale」トラックバーでヒストグラムの表示スケール（0〜32）を調整できる
暗部の除外明度（V）が 32 未満の画素はヒストグラムから除外される
s キー押下capture_frame.png と capture_hist.png が保存される
q キー押下プログラムが終了し，すべてのウィンドウが閉じる

4. 概要・使い方・実行上の注意

4.1 HSV カラーマップの生成

起動時に，色相 0〜179，彩度 0〜255 の HSV カラーマップ（180×256 ピクセル）を生成し，「hsv_map」ウィンドウに表示する．このカラーマップは，ヒストグラムの各ビン（区間）に色を対応付けるために使用する．

4.2 カメラ映像の取得とヒストグラムの算出

カメラ（デバイス番号 0）から取得したフレームを cv.pyrDown で縮小し，HSV 色空間に変換する．明度（V チャネル）が 32 未満の画素はヒストグラムの算出対象から除外する．cv.calcHist で色相・彩度の2次元ヒストグラムを算出し，スケール係数を乗じて HSV カラーマップと合成した結果を「hist」ウィンドウに表示する．

4.3 操作方法

「hist」ウィンドウの「scale」トラックバーで，ヒストグラムの表示スケール（0〜32）を調整できる．「s」キーを押すと，カメラフレームを capture_frame.png，ヒストグラム画像を capture_hist.png として保存する．「q」キーを押すとプログラムが終了する．

4.4 実行上の注意

本プログラムはカメラ（デバイス番号 0）を使用する．カメラが接続されていない場合，映像を取得できずプログラムは即座に終了する．

5. ソースコード

import numpy as np
import cv2 as cv

hsv_map = np.zeros((180, 256, 3), np.uint8)
h, s = np.indices(hsv_map.shape[:2])
hsv_map[:, :, 0] = h
hsv_map[:, :, 1] = s
hsv_map[:, :, 2] = 255
hsv_map = cv.cvtColor(hsv_map, cv.COLOR_HSV2BGR)

cv.imshow('hsv_map', hsv_map)
cv.namedWindow('hist', 0)
hist_scale = 10

def set_scale(val):
    global hist_scale
    hist_scale = val

cv.createTrackbar('scale', 'hist', hist_scale, 32, set_scale)

cap = cv.VideoCapture(0)
while True:
    ret, bgr = cap.read()
    if not ret:
        break
    cv.imshow('camera', bgr)
    small = cv.pyrDown(bgr)
    hsv = cv.cvtColor(small, cv.COLOR_BGR2HSV)
    hsv[hsv[..., 2] < 32] = 0
    h = cv.calcHist([hsv], [0, 1], None, [180, 256], [0, 180, 0, 256])
    h = np.clip(h * 0.005 * hist_scale, 0, 1)
    vis = hsv_map * h[:, :, np.newaxis] / 255.0
    cv.imshow('hist', vis)
    # 's' キーで現在のフレームとヒストグラムを画像ファイルとして保存
    key = cv.waitKey(1) & 0xFF
    if key == ord('q'):
        break
    elif key == ord('s'):
        cv.imwrite('capture_frame.png', bgr)
        cv.imwrite('capture_hist.png', (vis * 255).astype(np.uint8))

cap.release()
cv.destroyAllWindows()

6. まとめ

HSV 色空間への変換

BGR 形式のカメラ映像を HSV 色空間へ変換し，色相と彩度に基づくヒストグラムの算出を可能にする．

2次元カラーヒストグラムの可視化

cv.calcHist で色相・彩度の2次元ヒストグラムを算出し，HSV カラーマップと合成して可視化する．トラックバーで表示スケールをリアルタイムに調整できる．

暗部画素の除外

明度が 32 未満の画素をヒストグラムから除外し，ノイズの影響を抑えた色分布の把握を可能にする．

リアルタイム処理

cv.pyrDown によるフレーム縮小を経て，カメラ映像からリアルタイムにヒストグラムを算出・表示する．

スクリーンショット保存

「s」キーの押下で，カメラフレームとヒストグラム画像をファイルに保存する．