OpenCV2:Mat

1.Mat基礎

在計算機內存中，數字圖像是已矩陣的形式保存的。OpenCV2中，數據結構Mat是保存圖像像素信息的矩陣，它主要包含兩部分：矩陣頭和一個指向像素數據的矩陣指針。

矩陣頭主要包含，矩陣尺寸、存儲方法、存儲地址和引用次數等。

矩陣頭的大小是一個常數，不會隨着圖像的大小而改變，但是保存圖像像素數據的矩陣則會隨着圖像的大小而改變，通常數據量會很大，比矩陣頭大幾個數量級。這樣，在圖像復制和傳遞過程中，主要的開銷是由存放圖像像素的矩陣而引起的。因此，OpenCV使用了引用次數，當進行圖像復制和傳遞時，不再復制整個Mat數據，而只是復制矩陣頭和指向像素矩陣的指針。例如：

cv::Mat a ;//創建矩陣頭
a = cv::imread("f:\\psb.jpg");//讀入圖像
cv::Mat b = a ;//復制　

上面的a，b有各自的矩陣頭，但是其矩陣指針指向同一個矩陣，也就是其中任何一個改變了矩陣數據都會影響另外一個。

那么，多個Mat共用一個矩陣數據，最后誰來釋放矩陣數據呢？

這就是引用計數的作用，當Mat對象每被復制一次時，就會將引用計數加1，而每銷毀一個Mat對象（共用同一個矩陣數據）時引用計數會被減1，當引用計數為0時，矩陣數據會被清理。

 

上圖是Mat對象a，b共用一個矩陣，故其引用計數refcount為2.

但是有些時候仍然會需要復制矩陣數據本身（不只是矩陣頭和矩陣指針），這時候可以使用clone 和copyTo方法。

cv::Mat c = a.clone();
cv::Mat d ;
a.copyTo(d);

上面代碼中的c，d各自擁有自己的矩陣，改變自己的矩陣數據不會相互影響。

在使用Mat中，需要記住：

1. OpenCV中的內存分配是自動完成的（不是特別指定的話）
2. 使用OpenCV的C++ 接口時不需要考慮內存釋放問題
3. Mat的賦值運算和拷貝構造函數只會拷貝矩陣頭，仍然共同同一個矩陣
4. 如果要復制矩陣數據，可以使用clone和copyTo函數

2.Mat存儲方法

Mat中矩陣的每個元素可以使用不同的數據類型，最小的數據類型是char，占用一個字節或者8位，可以是有符號的（0到255）或者是無符號的（-127到127）。在RGB顏色空間中，使用三個char類型可以表示1600萬中顏色，但在圖像處理的過程中有可能會使用到float或者double來表示圖像的像素。

Mat的創建

構造函數

cv::Mat img(2,2,CV_8UC3,cv::Scalar(0,0,255));

上述代碼創建了一個2行2列的矩陣，矩陣元素使用8位無符號char類型保存，具有3通道，每個像素的初始值是（0，0，255）
構造函數的前兩個參數指定了矩陣的行和列
第三個參數指定矩陣元素的數據類型以及通道數，其指定規則如下：

CV_[The number of bits per item][Signed or Unsigned][TypePrefix]C[The channel number]

四部分分別指定：元素的大小，是有符號還是無符號，數據類型以及通道數

最后一個參數，Scalar是short型的vector，提供矩陣的初始化。

Create方法

該方法不能為矩陣設置初始值，只是在改變尺寸時為矩陣數據重新分配內存。使用方法：

img.create(4,4,CV_8UC(2));

創建了一個4行4列有2個通道的矩陣

MATLAB形式的初始化

cv::Mat e = cv::Mat::eye(4,4,CV_64F);
cv::Mat z = cv::Mat::ones(2,2,CV_32F);
cv::Mat o = cv::Mat::zeros(3,3,CV_8UC1);

Mat e是4行4列的對角矩陣

Mat z是2行2列的單位矩陣

Mat o是3行3列的零矩陣

小矩陣的初始化

對於小矩陣可以使用逗號分割的初始化函數

Mat c =(Mat_<double>(3,3)<<1,2,3,0,-1,0,4,5,6);

在對圖像進行模板運算時，定義模板使用這種方法是很方便的。

3.Mat的輸入輸出

使用imread函數，向Mat對象中寫入一個圖像。

a = cv::imread("f:\\psb.jpg");//讀入圖像

imread的原型如下

cv::Mat imread(const string& filename,int flags=1)

filename指定要讀取圖像的位置

flags指定圖像的顏色空間  

    flags > 0 3通道的彩色圖像

     flags = 0 灰度圖像

    flags < 0 不作改變

也可以有以下的枚舉值

CV_LOAD_IMAGE_ANYDEPTH、 CV_LOAD_IMAGE_COLOR、 CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE

 

使用imwrite函數，將Mat對象保存到指定的文件中。

imwrite的函數原型如下：

bool imwrite(const string& filename,InputArray img,constvector<int>& params=vector<int>())

filename，指定的文件

img  要保存的Mat對象

params 用來指定圖像的保存編碼方式。

使用filename的擴展名來指定圖像的保存格式（.jpg  .png  .bmp），對於不同的圖像保存類型，params是不同的值

• JPEG，params用來指定圖像的質量（0到100），默認的是95.  CV_IMWRITE_JPEG_QUALITY
• PNG，params用來指定圖像的壓縮級別（0到9），壓縮級別越高圖像占用的空間越小，保存圖像所用的時間越久。默認值是3. CV_IMWRITE_PNG_COMPRESSION
• PPM,PGM,PBM，params是一個標記（0或者1），默認的是1.CV_IMWRITE_PXM_BINARY

imwrite只能保存8位（ 或者是16位無符號（CV_16UC）的PNG,JPEG200或者TIFF圖像） 單通道或者三通道的圖像， 如果要保存的不是這樣的圖片，可以使用convertTo或者cvtColor來進行轉變。

下面代碼展示了如果使用imwrite向文件中寫入一個4通道的png圖像

void createAlphaMat(Mat &mat) 
{
    for(int i = 0 ; i < mat.rows ; i ++) {
        for(int j = 0 ; j < mat.cols ; j ++) {
            Vec4b &rgba = mat.at<Vec4b>(i,j);
            rgba[0] = UCHAR_MAX ;
            rgba[1] = saturate_cast<uchar>((float (mat.cols - j)) / ((float)mat.cols) * UCHAR_MAX);
            rgba[2] = saturate_cast<uchar>((float (mat.rows - i)) / ((float)mat.rows) * UCHAR_MAX);
            rgba[3] = saturate_cast<uchar>(0.5 * (rgba[1] + rgba[2]));
        }
    }
}
int main()
{
    Mat mat(480,640,CV_8UC4);
    createAlphaMat(mat);

    vector<int> compression_params ;
    compression_params.push_back(CV_IMWRITE_PNG_COMPRESSION);
    compression_params.push_back(9);

    imwrite("alpha.png",mat,compression_params);

    return 0;
}

 

4.Mat的顯示

OpenCV提供了用以窗口的形式顯示圖片的方法，代碼如下：

Mat img = imread("f:\psb.jpg");
const string name ="Hu";
namedWindow(name);
imshow(name,img);
waitKey();