Могу ли я случайным образом добавить маленькое изображение (13x12) в массив пикселей (случайные пиксели того же размера, что и мое маленькое изображение)

Если у вас есть центр и радиус вашего круга, вы можете легко сгенерировать случайные координаты, случайно выбрав угол theta из [0, 2*pi], вычислив соответствующие значения x и y с помощью cos(theta) и sin(theta) и масштабируя их с помощью некоторых случайно выбранных коэффициентов масштабирования из [0, radius]. Я подготовил для вас код, см. ниже.

Я пропустил большую часть вашего кода (чтение, предварительная обработка, сохранение), чтобы сосредоточиться на соответствующих частях (см. как создать минимальный, полный и проверяемый пример). Надеюсь, вы сможете самостоятельно интегрировать основную идею моего решения в свой код. Если нет, я дам дополнительные пояснения.

import cv2
import numpy as np

# (Artificial) Background image (instead of reading an actual image...)
bgimg = 128 * np.ones((401, 401, 3), np.uint8)

# Circle parameters (obtained somehow...)
center = (200, 200)
radius = 100

# Draw circle in background image
cv2.circle(bgimg, center, radius, (0, 0, 255), 3)

# Shape of small image (known before-hand...?)
(w, h) = (13, 12)

for k in range(200):

    # (Artificial) Small image (instead of reading an actual image...)
    smallimg = np.uint8(np.add(128 * np.random.rand(w, h, 3), (127, 127, 127)))

    # Select random angle theta from [0, 2*pi]
    theta = 2 * np.pi * np.random.rand()

    # Select random distance factors from center
    factX = (radius - w/2) * np.random.rand()
    factY = (radius - h/2) * np.random.rand()

    # Calculate random coordinates for small image from angle and distance factors
    (x, y) = np.uint16(np.add((np.cos(theta) * factX - w/2, np.sin(theta) * factY - h/2), center))

    # Replace (rather than "add") determined area in background image with small image
    bgimg[x:x+smallimg.shape[0], y:y+smallimg.shape[1]] = smallimg

cv2.imshow("bgimg", bgimg)
cv2.waitKey(0)

Примерный вывод:

Предупреждение: я не обратил внимания, могут ли мелкие изображения выходить за границы круга. Поэтому необходимо добавить некоторые дополнительные проверки или ограничения коэффициентов масштабирования.

Обновлено: Я отредактировал приведенный выше код. Чтобы учесть комментарий ниже, я сдвигаю маленькое изображение на (width/2, height/2) и соответственно ограничиваю масштабный коэффициент радиуса, чтобы граница круга не нарушалась ни сверху/слева, ни снизу/справа.

Ранее возможно нарушение границы в нижней/правой части (n = 200):

После редактирования это должно быть предотвращено (n = 20000):

Касание красной линии на изображении связано с толщиной линии. Из соображений безопасности можно было бы добавить еще расстояние в 1 пиксель.