像素巡訪(at、ptr)

當我們進行影像處理時,可能有操作是要查訪所有像素,比如說我們想要改變一張影像的灰階值,讓所有的像素值加20,這時我們就需掃過影像所有的像素,這邊介紹OpenCV的at()和ptr()函式以及迭代器,來查訪Mat所有像素。

at()可用來讀取和修改某個像素值,通常用來對隨機位置的像素進行讀寫,就效率考量,並不適合用在循序查訪影像所有像素,以下用at()來讀取img的所有像素,並讓所有像素值加20:

int widthLimit = img.channels() * img.cols;
for(int height=0; height<img.rows; height++){
    for(int width=0; width<widthLimit; width++){
        img.at<uchar>(height, width) += 20;
    }
}

ptr()函式返回指標,指向影像指定列的首像素,使用時須輸入像素位元深度和第幾列,對於一個深度8位元的圖,我們可用img.ptr(j)指到第j列的第一個像素,接著逐列查訪,最後可查訪影像所有像素,這種方法運行速度較at()快,在解析度大或是重視效率的地方,是比較好的方法,以下用ptr()來讀取img的所有像素,並讓所有像素值加20:

int widthLimit = img.channels() * img.cols;
for(int height=0; height<img.rows; height++){
    uchar *data = img.ptr<uchar>(height);
    for(int width=0; width<img.widthLimit ; width++){
        data[width] += 20;
    }
}

OpenCV有為Mat提供了與STL迭代器兼容的迭代器,使用時須指定影像數據類型,以下用迭代器來讀取img的所有像素,並讓所有像素值加20:

if(img.channels()==1){
    Mat_<uchar>::iterator it = img.begin<uchar>();
    Mat_<uchar>::iterator itend = img.end<uchar>();
    for(;it!=itend;it++){
        (*it) = (*it) + 20;
    }
}
if(img.channels()==3){
    Mat_<Vec3b>::iterator it = img.begin<Vec3b>();
    Mat_<Vec3b>::iterator itend = img.end<Vec3b>();
    for(;it!=itend;it++){
        (*it)[0] = (*it)[0] + 20;
        (*it)[1] = (*it)[1] + 20;
        (*it)[2] = (*it)[2] + 20;
    }
}

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影像格式(Mat)

Mat是OpenCV訂定的資料型態,代表的是矩陣(Matrix)前三個字母,影像其實也可以看成是某個二維陣列,所以在OpenCV 2.0裡,不論矩陣計算,或是影像處裡的格式,都是以Mat類別進行處理,並有相關的成員變數和函式方便使用,使用時不用考慮記憶體管理,這也是OpenCV 1.0和2.0不同之處,這邊介紹常用的Mat類別成員和成員函式,包括如何得到影像資訊、創建影像、複製影像、改變位元深度和操作像素強度。

影像資訊

Mat最基本有長、寬、像素型態、像素深度、通道數等資訊,以下介紹的成員變數或成員函式,讓我們得到這些資訊。

成員變數 意義
rows影像的列數,也就是影像高
cols 影像的欄數,也就是影像寬


OpenCV通道數:int Mat::channels() const

  • 返回影像的通道數:灰階圖為1,彩色圖為3。

OpenCV像素深度:int Mat::depth() const

  • L以下表格列出部分返回的像素深度:
CV_8U位元深度為8,U代表無負號
CV_8S位元深度為8,S代表有負號
CV_16U位元深度為16,無負號
CV_32F 浮點數

OpenCV像素型態:int Mat::type() const

  • 型態和深度主要差在型態有通道數資訊,比如CV_8UC3代表影像通道數3,以下表格列出部分返回的像素深度:
CV_8U 位元深度為8,無負號,通道數1
CV_8S位元深度為8,有負號,通道數1
CV_16U 位元深度為16,無負號,通道數1
CV_32F 浮點數資料,通道數1
CV_8UC3位元深度為8,無負號,通道數3

OpenCV影像尺寸:Size Mat::size() const

  • 返回影像的尺寸Size(cols, rows),cols和rows分別表示寬和高。

影像創建

OpenCV Mat建構式:Mat(int rows, int cols, int type, const cv::Scalar &s)

  • rows:影像高度。
  • cols:影像寬度。
  • type:影像型態。
  • s:像素值,我們可以在一開始建構式,就指定像素值,像灰階圖的強度,或是BGR分別的像素強度。
  • 要注意建構式的參數,是先輸入高度在寬度。

以下為使用方式:

Mat img1(240, 320, CV_8U);
Mat img2(240, 320, CV_8U, Scalar(100));
Mat img3(240, 320, CV_8UC3, Scalar(200,100,0));

影像分配空間

我們可以對空的或已有資料的Mat,重新分配空間,也就是改變影像的長、寬或像素型態。

OpenCV 空間分配:void Mat::create(int rows, int cols, int type)

  • rows:影像高度。
  • cols:影像寬度。
  • type:影像型態。
  • 參數是先輸入高度再寬度,且因為效率的考量,假使輸入的尺寸、型態和呼叫影像相同,函式直接返回,不會重新分配空間。

以下為使用方式:

Mat img;
img.create(300, 400, CV_8U);  

影像複製

這邊介紹三種複製影像的方式,第一種為多載等號運算子,第二、三種分別為Mat的成員函式。

OpenCV等號多載Mat& Mat::operator=(const Mat& m)

  • m:輸入圖,左邊影像和右邊影像相同,不會另外複製一份資料。

OpenCV影像複製:Mat::copyTo(OutputArray& m) const

  • m:輸出圖,輸出圖會變成和呼叫影像一樣的長、寬、像素值。

OpenCV影像複製:Mat Mat::clone() const

  • 返回和呼叫影像相同的一份複製影像。

用等號運算子時,如上面的img1和img2,兩者共用一份數據,所以只要改變一個,另一個會隨之變更,而copyTo()和clone()為複製一份新的數據,所以不會互相影響,以下為使用方式:

Mat img1(240, 320, CV_8U, Scalar(100));
Mat img2, img3, img4;             
img2 = img1;         
img1.copyTo(img3);    
img4 = img1.clone();    

改變影像型態。

void Mat::convertTo(OutputArray m, int rtype, double alpha=1, double beta=0)

  • m:輸出圖,如果尺寸或型態和呼叫影像不同,會重新分配空間。
  • rtype:輸出圖的型態,呼叫影像和輸出圖的通道數會相同。
  • alpha:輸出圖放大倍率,預設為1。
  • beta :輸出圖增加量,預設為0。

操作像素

at()用來訪問像素,可返回左值或右值,所以我們可用at()得到或改變某個像素值,這函式使用模板,所以使用時除了輸入位置,還必須需入影像的像素型態,使用at()函式時,輸入參數順序同樣為先高再寬。。

  • OpenCV改變像素:template T& Mat::at(int i, int j)
  • OpenCV讀取像素:template const T& Mat::at(int i, int j) const
  • 在灰階圖中,OpenCV裡可用uchar代替uncigned char,在彩色圖中,OpenCV裡可用Vec3b代替將3個uchar組成的容器(vector),且可在後面加上[],註明是要操作此像素的哪個通道。

下面操作一個8位元灰階圖,分別改變某個像素的值,以及查看此像素的值:

Mat gray_img(100, 100, CV_8U, Scalar(100));
gray_img.at<uchar>(30,20) =255;            
uchar value1 = gray_img.at<uchar>(30,20); 

下面分別改變彩色圖某個像素的第一通道值,以及查看此像素第一通道的值:

Mat color_img(100, 100, CV_8UC3, Scalar(200,100,0));
img.at<Vec3b>(30,20)[0] =255;        
uchar value2 = img.at<Vec3b>(30,20)[0]; 

操作像素

ptr函式輸入指定列,返回一個指標指向此列的第一個像素,通常為尋訪影像用到,ptr可讀取或改變像素值,同樣使用模板,所以也必須需入影像的像素型態。

  • OpenCV改變像素:template T* Mat::ptr(int i=0)
  • OpenCV讀取像素:template const T* Mat::ptr(int i=0) const

歸零

將所有像素歸零:void Mat::clear()

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