opencv自带例子学习-如何扫描浏览图像

#数字图像

经数字化的图像,一般用一个矩阵来表示。如一张800x600的图像,在进程中是由一个800x600大小的矩阵表示,一张图像就是由这800x600个点组成,在彩色图像和灰度图像上面有所区别,彩色图像是三信道的,即每一个点有RGB三个元素,灰度图像则是一个点只有一个元素。另外特殊的是还有4信道的图像,除了RGB三原色外,4信道图像还有一个alpha信道,用来表示图像的透明度。

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索引图像

索引图像也称为调色版图像,索引图像提供了一个方法减少表达一幅图像所需的数据量。原理是颜色值构成一个查找表(look up table),也称调色板,如8位灰度级的彩色图像理论上拥有256x256x256总颜色,但是通过查找表的方式,一个像素点可以以记录(126,24,44)的方式去查找调色版中的图像,无需每个像素点直接记录256x256x256这么多中颜色里面的其中一种颜色。数字图像里图像一般以这种形式储存图像颜色信息,那如何去扫描访问图像的像素信息,opencv中的示例how_to_scan_image.cpp给出了答案

示例进程

下面是示例源码

//头文档
#include <opencv2/core.hpp>
#include <opencv2/core/utility.hpp>
#include "opencv2/imgcodecs.hpp"
#include <opencv2/highgui.hpp>
#include <iostream>
#include <sstream>

//命名空间
using namespace std;
using namespace cv;
//打印帮助信息
static void help()
{
    cout
        << "\n--------------------------------------------------------------------------" << endl
        << "This program shows how to scan image objects in OpenCV (cv::Mat). As use case"
        << " we take an input image and divide the native color palette (255) with the "  << endl
        << "input. Shows C operator[] method, iterators and at function for on-the-fly item address calculation."<< endl
        << "Usage:"                                                                       << endl
        << "./how_to_scan_images <imageNameToUse> <divideWith> [G]"                       << endl
        << "if you add a G parameter the image is processed in gray scale"                << endl
        << "--------------------------------------------------------------------------"   << endl
        << endl;
}

Mat& ScanImageAndReduceC(Mat& I, const uchar* table);//通过c指针的方式扫描
Mat& ScanImageAndReduceIterator(Mat& I, const uchar* table);//通过迭代器的方式扫描
Mat& ScanImageAndReduceRandomAccess(Mat& I, const uchar * table);//通过at函数访问

int main( int argc, char* argv[])
{
    help();
    if (argc < 3)
    {
        cout << "Not enough parameters" << endl;
        return -1;
    }

    Mat I, J;
    //读取图像
    if( argc == 4 && !strcmp(argv[3],"G") )
        I = imread(argv[1], IMREAD_GRAYSCALE);//灰度图
    else
        I = imread(argv[1], IMREAD_COLOR);//彩色

    //检查图像是否成功读取
    if (I.empty())
    {
        cout << "The image" << argv[1] << " could not be loaded." << endl;
        return -1;
    }

    //! [dividewith]
    //减少图像颜色灰度级算法中的步长
    int divideWith = 0; // convert our input string to number - C++ style
    stringstream s;
    s << argv[2];
    s >> divideWith;
    if (!s || !divideWith)
    {
        cout << "Invalid number entered for dividing. " << endl;
        return -1;
    }

    uchar table[256];
    for (int i = 0; i < 256; ++i)
       table[i] = (uchar)(divideWith * (i/divideWith));//减少图像颜色灰度级
    //! [dividewith]

    const int times = 100;
    double t;

    t = (double)getTickCount();//记录晶振起点

    //c语言指针风格访问测试
    for (int i = 0; i < times; ++i)
    {
        cv::Mat clone_i = I.clone();
        J = ScanImageAndReduceC(clone_i, table);
    }

    t = 1000*((double)getTickCount() - t)/getTickFrequency();//计算耗时
    t /= times;

    //打印耗时
    cout << "Time of reducing with the C operator [] (averaged for "
         << times << " runs): " << t << " milliseconds."<< endl;

    t = (double)getTickCount();//记录晶振起点

    //迭代器访问测试
    for (int i = 0; i < times; ++i)
    {
        cv::Mat clone_i = I.clone();
        J = ScanImageAndReduceIterator(clone_i, table);
    }

    t = 1000*((double)getTickCount() - t)/getTickFrequency();//计算耗时
    t /= times;

    //打印耗时
    cout << "Time of reducing with the iterator (averaged for "
        << times << " runs): " << t << " milliseconds."<< endl;

    t = (double)getTickCount();//记录晶振起点

    //随机访问测试
    for (int i = 0; i < times; ++i)
    {
        cv::Mat clone_i = I.clone();
        ScanImageAndReduceRandomAccess(clone_i, table);
    }

    t = 1000*((double)getTickCount() - t)/getTickFrequency();//计算耗时
    t /= times;

    //打印耗时
    cout << "Time of reducing with the on-the-fly address generation - at function (averaged for "
        << times << " runs): " << t << " milliseconds."<< endl;

    //! [table-init]
    //创建初始化查找表lookuptable
    Mat lookUpTable(1, 256, CV_8U);
    uchar* p = lookUpTable.ptr();
    for( int i = 0; i < 256; ++i)
        p[i] = table[i];
    //! [table-init]

    t = (double)getTickCount();//记录晶振起点

    for (int i = 0; i < times; ++i)
        //! [table-use]
        LUT(I, lookUpTable, J);//使用LUT函数将I数据处理后存入J
        //! [table-use]

    t = 1000*((double)getTickCount() - t)/getTickFrequency();//计算耗时
    t /= times;

    //打印耗时
    cout << "Time of reducing with the LUT function (averaged for "
        << times << " runs): " << t << " milliseconds."<< endl;
    return 0;
}

//! [scan-c]
Mat& ScanImageAndReduceC(Mat& I, const uchar* const table)
{
    // accept only char type matrices
    CV_Assert(I.depth() == CV_8U);

    int channels = I.channels();//信道数

    int nRows = I.rows;//行数
    int nCols = I.cols * channels;//像素点的列数 = 列数x信道数

    if (I.isContinuous())
    {
        nCols *= nRows;
        nRows = 1;
    }

    int i,j;
    uchar* p;//c语义指针形式
    for( i = 0; i < nRows; ++i)
    {
        p = I.ptr<uchar>(i);//指针记录行地址
        for ( j = 0; j < nCols; ++j)
        {
            p[j] = table[p[j]];//从查找表取值
        }
    }
    return I;
}
//! [scan-c]

//! [scan-iterator]
Mat& ScanImageAndReduceIterator(Mat& I, const uchar* const table)
{
    // accept only char type matrices
    CV_Assert(I.depth() == CV_8U);

    const int channels = I.channels();
    switch(channels)
    {
    case 1:
        {
            MatIterator_<uchar> it, end;
            for( it = I.begin<uchar>(), end = I.end<uchar>(); it != end; ++it)//迭代器访问
                *it = table[*it];
            break;
        }
    case 3:
        {
            MatIterator_<Vec3b> it, end;
            for( it = I.begin<Vec3b>(), end = I.end<Vec3b>(); it != end; ++it)//迭代器访问
            {
                (*it)[0] = table[(*it)[0]];
                (*it)[1] = table[(*it)[1]];
                (*it)[2] = table[(*it)[2]];
            }
        }
    }

    return I;
}
//! [scan-iterator]

//! [scan-random]
Mat& ScanImageAndReduceRandomAccess(Mat& I, const uchar* const table)
{
    // accept only char type matrices
    CV_Assert(I.depth() == CV_8U);

    const int channels = I.channels();
    switch(channels)
    {
    case 1:
        {
            for( int i = 0; i < I.rows; ++i)
                for( int j = 0; j < I.cols; ++j )
                    I.at<uchar>(i,j) = table[I.at<uchar>(i,j)];//使用at函数
            break;
        }
    case 3:
        {
         Mat_<Vec3b> _I = I;//使用<cv::Vec3b>

         for( int i = 0; i < I.rows; ++i)
            for( int j = 0; j < I.cols; ++j )
               {
                   _I(i,j)[0] = table[_I(i,j)[0]];
                   _I(i,j)[1] = table[_I(i,j)[1]];
                   _I(i,j)[2] = table[_I(i,j)[2]];
            }
         I = _I;
         break;
        }
    }

    return I;
}
//! [scan-random]

进程知识点

三种访问方式

c语言指针方式

Mat& ScanImageAndReduceC(Mat& I, const uchar* const table)
{
    // accept only char type matrices
    CV_Assert(I.depth() == CV_8U);

    int channels = I.channels();//信道数

    int nRows = I.rows;//行数
    int nCols = I.cols * channels;//像素点的列数 = 列数x信道数

    if (I.isContinuous())
    {
        nCols *= nRows;
        nRows = 1;
    }

    int i,j;
    uchar* p;//c语义指针形式
    for( i = 0; i < nRows; ++i)
    {
        p = I.ptr<uchar>(i);//指针记录行地址
        for ( j = 0; j < nCols; ++j)
        {
            p[j] = table[p[j]];//从查找表取值
        }
    }
    return I;
}

可以看到,以指针的方式访问,首先是声明一个uchar类型的指针记录行地址,然后遍历一行中所有的像素点。下一行继续如此。

###迭代器方式

Mat& ScanImageAndReduceIterator(Mat& I, const uchar* const table)
{
    // accept only char type matrices
    CV_Assert(I.depth() == CV_8U);

    const int channels = I.channels();
    switch(channels)
    {
    case 1:
        {
            MatIterator_<uchar> it, end;
            for( it = I.begin<uchar>(), end = I.end<uchar>(); it != end; ++it)//迭代器访问
                *it = table[*it];
            break;
        }
    case 3:
        {
            MatIterator_<Vec3b> it, end;
            for( it = I.begin<Vec3b>(), end = I.end<Vec3b>(); it != end; ++it)//迭代器访问
            {
                (*it)[0] = table[(*it)[0]];
                (*it)[1] = table[(*it)[1]];
                (*it)[2] = table[(*it)[2]];
            }
        }
    }

    return I;
}

迭代器的访问方式也简单,首先是记录迭代的开始begin,一直迭代到结束end,不包含end。关键语句

MatIterator_<uchar> it, end;
for( it = I.begin<uchar>(), end = I.end<uchar>(); it != end; ++it)//迭代器访问
       *it = table[*it];
MatIterator_<Vec3b> it, end;
for( it = I.begin<Vec3b>(), end = I.end<Vec3b>(); it != end; ++it)//迭代器访问
            {
                (*it)[0] = table[(*it)[0]];
                (*it)[1] = table[(*it)[1]];
                (*it)[2] = table[(*it)[2]];
            }
//使用c++新标准上述代码还可以简化为
for( auto it = I.begin<uchar>(), end = I.end<uhar>(); it != end; ++it)
    *it = table[*it];
for(auto it = I.begin<Vec3b>(), end = I.end<Vec3b>(); it != end; ++it)
    {
                (*it)[0] = table[(*it)[0]];
                (*it)[1] = table[(*it)[1]];
                (*it)[2] = table[(*it)[2]];
    }

###at函数方式

for( int i = 0; i < I.rows; ++i)
                for( int j = 0; j < I.cols; ++j )
                    I.at<uchar>(i,j) = table[I.at<uchar>(i,j)];//使用at函数

at的方式是比较常用的方法了,我一般也是使用这个方法,这个方法访问有一个优点,就是相比指针的访问形式,这个方法可检查数组是否越界,如果数组越界就会报out_of_range错误,这样对调试就可以避免一些不必要的错误。这个方式缺点就是访问速度是稍慢的,在debug调试模式之下尤为明显,但是release之下速度与其他方式倒是差距不大。

统计进程运行耗费时间

t = (double)getTickCount();//记录晶振起点

//c语言指针风格访问测试
for (int i = 0; i < times; ++i)
{
    cv::Mat clone_i = I.clone();
    J = ScanImageAndReduceC(clone_i, table);
}

t = 1000*((double)getTickCount() - t)/getTickFrequency();//计算耗时
t /= times;

//打印耗时
cout << "Time of reducing with the C operator [] (averaged for "
     << times << " runs): " << t << " milliseconds."<< endl;

原理大概是这样的,计算机里有个叫晶振的东西,一直在按照固定的频率去"震动",这个震动形成的就是为计算机计算提供动力的电信号,一般是方波,也称时钟信号。这个震动频率可以理解为计算机处理器的主频,即计算速度。所以计算耗时的原理可以解释为

//1.记录震动的起始点
 t = (double)getTickCount();
//2.进程运行
...
//3.记录震动的结束点,减去起始点,就得到进程运行过程中震动的次数
(double)getTickCount() - t
//4.结果处以震动的频率(也就是震动的速度),就得到整个过程的时间,时间单位时s
1000*((double)getTickCount() - t)/getTickFrequency();//*1000后即ms

LUT函数

//! [table-init]
//创建初始化查找表lookuptable
Mat lookUpTable(1, 256, CV_8U);
uchar* p = lookUpTable.ptr();
for( int i = 0; i < 256; ++i)
    p[i] = table[i];
//! [table-init]

函数原型

void cv::LUT ( InputArray  src,
InputArray  lut,
OutputArray  dst 
)  
Python:
dst = cv.LUT( src, lut[, dst] )

函数执行的操作

opencv自带例子学习-如何扫描浏览图像
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由图可知,LUT函数执行的操作也很简单,即对输入图像每个像素点加上一个d,然后输出。这个d有条件限制的,输入图像是8位无符号时d为0,8位有符号时为128。

回顾总结

数字图像由一个矩阵表示,不同图像一个像素点有不一样的信道数,灰度图一个信道,彩色图3个信道,有些图像多一个alpha的透明的信道。本例学习了c语言指针方式、迭代器和at函数方式访问像素,at访问方式是安全的。计算进程耗时和LUT函数。