【OpenCV C++20 学习笔记】扫描图片数据

扫描图片数据

应用情景
- 图像数据扫描的难点
- 颜色空间缩减（color space reduction）
- 查询表
扫描算法
- 计算查询表
- 统计运算时长
- 连续内存
- 3种扫描方法
- - C风格的扫描方法
  - 迭代器方法
  - 坐标方法
  - LUT方法
算法效率对比
结论

应用情景

图像数据扫描的难点

在上一篇文章《基本图像容器——Mat》中，已经详细描述了OpenCV储存图像数据的形式（图像的每个像素储存为一个矩阵中的数据项，矩阵的每个数据项包括各个颜色通道的值，如RGB3通道包含红、绿、蓝共3个通道的颜色值）。所以，矩阵的值的列数为矩阵的列数乘以颜色通道数，如下图所示，OpenCV默认的BGR格式的数据有3个颜色通道，所以实际有m*3列数值；行数则不变：
矩阵数据示意图

如果我们使用uchar（8bits）类型去储存每个像素的值，那么像素的每个颜色通道可以有256个可能的值（ $2^8=256$ ），这样的话如果是3通道的数据，那每个数据项就有（ $256^3=16,777,216$ ）种可能的颜色值了。如果矩阵很大，那就会给算法的执行带来很大压力。

颜色空间缩减（color space reduction）

为了减轻扫描图像数据的算法压力，可以将现有的颜色值除以某个值，从而缩小颜色值的值域。例如，将所有0-9的颜色值都用0替代，将所有10-19的颜色值都用10替代，依此类推。用数学公式来表示：
$I_{new} = ( \frac{I_{old}} {10})*10$

$I_{new}$ ：缩减之后的颜色值，以下简称缩减值
$I_{old}$ ：缩减之前的原始颜色值，以下简称原始值
推而广之，如果想要应用其他的缩减率，比如2，也就是说，0-1都用0来代替，2-3都用1来代替，那除数就会变成2；将这个除数用 $d$ 来表示，并称之为缩减因子，则公式会变成：
$I_{new} = ( \frac{I_{old}} {d})*d$
$I_{new}$ ：缩减之后的颜色值，以下简称缩减值
$I_{old}$ ：缩减之前的原始颜色值，以下简称原始值
$d$ ：缩减因子

注意：uchar类型被整数除了之后，得出的结果依然是uchar类型
但是对每个颜色值都执行上述的除法和乘法运算，仍然会消耗很多算力。然而，由于每个颜色值的值域是有限的，比如uchar类型是[0, 256]，所以如果能直接计算出所有可能的缩减结果，并进行赋值运算，会节省很多算力。所以，就产生了“查询表”

查询表

查询表就是储存与原始值一一对应的缩减值的数组（一维或多维）。一旦数据类型确定，查询表的大小就确定不变了。比如，uchar类型的查询表就只有256个缩减值，因为原始值总共就只有256种可能。然后运用这个查询表将每个原始值都替换成查询表中对应的值，就不必对每一个原始值都进行缩减计算了，而只是简单的查询和赋值，这样就能节省算力。而且，原始值越多，节省效果越好。这就是查询表的优势。

扫描算法

该实例将3种算法放在一个main函数中，main函数接收一个参数数组argv[]，其中有可以有3个或4个参数：

默认参数：程序名（调试时不需要用户指定）
图片文件路径
缩减因子：即上述公式中的 $d$
图片读取格式：以灰度格式读取，则传递“G”；如不指定该参数，则默认采用BGR格式读取
静态函数help()详细描述了该方法的使用：

static void help()
{
    std::cout
        << "\n--------------------------------------------------------------------------" << endl
        << "这个程序展示如何在OpenCV中扫描图片(cv::Mat)"
        << "根据输入图片路径以及缩减因子（大于0的整数）" << endl
        << "这个程序分别使用了C风格方法、迭代器方法、坐标方法和LUT方法进行扫描" << endl
        << "参数输入：" << endl
        << "程序名 <图片路径> <缩减因子> [G]" << endl
        << "如果加了参数G，则使用灰度格式读入图片" << endl
        << "--------------------------------------------------------------------------" << endl
        << endl;
}

在main函数中，首先对输入的参数进行分析和处理：

if (argc < 3)
{//参数数量小于3个，则退出函数并输出提示
    cout << "Not enough parameters" << endl;
    return -1;
}

Mat I, J;
if (argc == 4 && !strcmp(argv[3], "G"))	//当参数数量为4且，最后一个参数是"G"时
    I = imread(argv[1], IMREAD_GRAYSCALE);	//以灰度格式读取图片，并储存在Mat对象I中
else
    I = imread(argv[1], IMREAD_COLOR);	//否则以BGR格式读取图片，并储存在Mat对象I中

if (I.empty())
{//如果读取的数据为空，则退出函数并输出提示
    cout << "The image" << argv[1] << " could not be loaded." << endl;
    return -1;
}

计算查询表

接下来，根据传入的参数数组中的第3个参数，即argv[2]，计算查询表：

int divideWith { 0 }; //1-4行：将字符串转换成数字，并储存在变量divdeWith中作为缩减因子
stringstream s;
s << argv[2];
s >> divideWith;
if (!s || !divideWith)
{//如果无法接收第3个参数，或者参数为0，则退出函数，并输出提示
    cout << "Invalid number entered for dividing. " << endl;
    return -1;
}

uchar table[256];	//用一个长度为256的一维数组来储存查询表
for (int i { 0 }; i < 256; ++i)	//计算查询表，计算结果为uchar类型
    table[i] = static_cast<uchar>(divideWith * (i / divideWith));

在将字符串转换成数字的过程中使用了C++中的字符串流stringstream，字符串流对象s，接收参数字符串argv[2]，然后将其传给整数变量divideWith，作为后面进行缩减运算的缩减因子。
计算查询表的for循环块，进行了256次循环，将[0, 255]中的所有整数依次进行了缩减运算，得出256个uchar类型的缩减值，并依次储存在一个uchar类型的数组中。

统计运算时长

这个程序为了比较不同扫描方法的速度，使用了使用了OpenCV中的cv::getTickCount()和cv::getTickFrequency()函数进行计时。前者返回某个运行节点的CPU的tick数（一个tick为CPU频率的倒数）；后者返回CPU每秒的tick数。如果获取事件起始点和结束点的CPU的tick数，然后用它们的差除以CPU每秒的tick数就能得到事件起始点和结束点之间的时间差，单位为秒。具体代码如下：

double t { static_cast<double>getTickCount() };	//将返回值类型从原本的int型转换为double型
//扫描函数
t = (static_cast<double>getTickCount() - t)/getTickFrequency();	//转换为double型后，除法运算结果中的小数就会被保留
cout << "用时 " << t << " 秒" << endl;

这几行代码放在每个扫描方法的前后，从而能为每个扫描方法计算运行时间，便可比较它们的运行速度

连续内存

虽然储存图像数据的Mat对象可能是个二维甚至多维矩阵，但是在内存中矩阵是被按行分成若干个一维数组储存的。这些一维数组可能被放在一起，形成一个连续的内存空间，也可能被分开储存。OpenCV中的cv::Mat::isContinuous()可以判断矩阵在内存中是否是连续的。被储存在一个连续内存中的矩阵扫描起来会更快。

3种扫描方法

如果没耐心对比每种方法的思路，可以直接结论部分看每种方法的优缺点，然后找到相应方法的章节进行进一步阅读。
但是，除了LUT方法，前三种方法都需要自己编写将替换原始值的语句，该语句中对查询表的索引，思路比较绕，为了避免重复，本文只在第一种方法，即C风格的扫描方法中对此进行了详细解释，如果看不懂可以到该章节进行参考。

C风格的扫描方法

C风格的扫描方法少不了要进行C风格的二维数组的遍历操作，包括行指针、列指针等。

//! [scan-c]
Mat& ScanImageAndReduceC(Mat& I, const uchar* const table)
{
    //只接收uchar类型的矩阵
    CV_Assert(I.depth() == CV_8U);	//depth函数返回每个通道的数值的类型，如CV_8U为8比特无符号字符串类型

    int channels { I.channels() };	//channels函数返回矩阵中的颜色通道数

    int nRows { I.rows };
    int nCols { I.cols * channels };	//实际列数为矩阵列数*颜色通道数

    if (I.isContinuous())
    {//如果是储存在连续空间，则按一维数组来处理
        nCols *= nRows;	//一维数组的实际列数为原列数*行数
        nRows = 1;	//一维数组行数为1
    }

    int i, j;
    uchar* p;	//uchar类型的p指针用来储存扫描结果
    for (i = 0; i < nRows; ++i)
    {
        p = I.ptr<uchar>(i);	//ptr模板函数根据行数i返回矩阵第i行的行指针，并在尖括号中指定返回的指针类型
        for (j = 0; j < nCols; ++j)
        {//原来的p[j]是个列指针，实际为矩阵i行j列的值，即颜色的原始值
        //因为查询表示按0-255的顺序排列的，
        //所以，以p[j]为下标访问查询表，正好能访问到原始值对应的缩减值
            p[j] = table[p[j]];	//将查询表中的缩减值赋值给p指针中对应的位置
            //由于p是指向Mat对象I中的矩阵的，所以I实际上也被更改了
        }
    }
    return I;	//返回被更改的I
}
//! [scan-c]

注意，该函数传入的第2个参数为uchar类型的常量指针常量，即这个指针指向的对象不能被修改，指针的地址也不能被修改，这样才能保证查询表在函数运行结束之后仍然没变，可以被再次利用。
该函数最核心的部分就是对数组进行遍历操作的for循环语句。这里巧妙地使用列指针，即原始值，作为访问查询表数组的下标，从而找到对应的缩减值。具体思路写在注释里了，读者可以参阅。
当矩阵是被储存在连续的内存空间中的时候，实际上是对一个一维数组进行遍历，i为1，只循环1次。
如果确定矩阵是储存在连续内存空间中的，那么还有另外一种方法可以完成对它的遍历：

uchar* p { I.data };	//data是Mat类的public数据成员，它储存了Mat对象首行的行指针

for(unsinged int i { 0 }; i < ncol*nrows; ++i)
	//行指针自增之后就变成了列指针，即一维数组第i列的地址
	//再进行解引用操作，就得到了第i列的值
	*p++ = table[*p];

迭代器方法

使用迭代器比用数组指针更加方便，因为不用考虑行指针、列指针的问题，没有嵌套的for循环，只需要一层for循环。
但是，迭代器只能代替矩阵中的数据项。也就是说，如果是单通道的灰度格式的图片数据，迭代器正好代替矩阵中的每个颜色值；但是，如果是3通道的BGR格式的图片数据，迭代器实际上代替的是一个长度为3的数组，其中包含了3个颜色值（分别为蓝、绿、红值），在这种情况下还必须对迭代器进行进一步的操作。

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

    const int channels{ I.channels() };
    switch (channels)
    {//switch语句实现对两种情况的分别处理
    case 1:	//单通道的灰度图片数据
    {
        MatIterator_<uchar> it, end;	//声明起始和终止迭代器
        for (it = I.begin<uchar>(), end = I.end<uchar>(); it != end; ++it)
        //begin和end函数分别返回指向第一个和最后一个数据项的迭代器
            *it = table[*it];	//对迭代器进行解引用操作可获得对应的数据项
        break;
    }
    case 3:	//3通道的BGR图片数据
    {
        MatIterator_<Vec3b> it, end;
        for (it = I.begin<Vec3b>(), end = I.end<Vec3b>(); it != end; ++it)
        {//还需要对迭代器中的3个值分别进行赋值操作
        	//*it[0]为数据项在第一个颜色通道的值
            (*it)[0] = table[(*it)[0]];
            (*it)[1] = table[(*it)[1]];
            (*it)[2] = table[(*it)[2]];
        }
    }
    }

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

如果在3通道的情况，没有对迭代器中的数组进行进一步的操作的话，那改变的只是每个像素的蓝色值。因为OpenCV将RGB转换成了BGR，第一个值是蓝色值。

坐标方法

这种方法其实一般是用来确定需要某个数据项的行数和列数的，也称为随机获取，所以并不建议用来扫描图像数据。
这种方法也需要对单通道和3通道数据进行分情况的处理。
在单通道数据中，该方法运用了数据项的动态地址，并返回数据项的引用，这由函数cv::Mat::at()来实现；
在3通道数据中，该方法运用了Mat_类型达到了同样的目的。/Mat_类型为储存了每个数据项的类型信息的Mat类型；Mat_类型可以用(row, col)方式来访问；这种访问等同于在Mat类型中用at(row, col)来进行访问
具体解释见代码注释：

//! [scan-random]
Mat& ScanImageAndReduceRandomAccess(Mat& I, const uchar* const table)
{
    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)
            	//at函数获取矩阵在i行j列的数据项的地址，并返回它的引用
                I.at<uchar>(i, j) = table[I.at<uchar>(i, j)];
        break;
    }
    case 3:
    {
    	//Vec3b类型为OpenCV中定义的3字节数据类型，用来储存长度为3的uchar类型数组正好
        Mat_<Vec3b> _I = I;	//这里不能用C++20的初始化语法，会报错：无法转化参数类型

        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]

LUT方法

在OpenCV的core模块，有一个专门用来修改图片数据矩阵中的值的方法，cv::LUT()。其具体用法如下：

//! [table-init]
Mat lookUpTable(1, 256, CV_8U); //用Mat构造函数创建uchar类型的1维矩阵
uchar* p = lookUpTable.ptr();	//获取矩阵的首地址
for (int i = 0; i < 256; ++i)
    p[i] = table[i];	//将之前计算的查询表中的数值复制到矩阵中
//! [table-init]

//! [table-use]
LUT(I, lookUpTable, J);
//! [table-use]

cv::LUT()函数使用了3个参数

需要进行修改的原始矩阵，输入矩阵
查询表矩阵
接收修改结果的矩阵，输出矩阵
该函数没有返回值。只用一条语句，就实现了用查询表矩阵中的缩减值替换输入矩阵中的原始值，然后输出替换结果。

算法效率对比

将3种方法整合在一个cpp文件中，并统计每个方法的运算时长。整合后的代码如下：

#include <opencv2/core.hpp>
#include <opencv2/core/utility.hpp>
#include <opencv2/imgcodecs.hpp>
#include <opencv2/highgui.hpp>

import <iostream>;
import <sstream>;

using namespace cv;
using namespace std;

static void help()
{
    std::cout
        << "\n--------------------------------------------------------------------------" << endl
        << "这个程序展示如何在OpenCV中扫描图片(cv::Mat)"
        << "根据输入图片路径以及缩减因子（大于0的整数）" << endl
        << "这个程序分别使用了C风格方法、迭代器方法、坐标方法和LUT方法进行扫描" << endl
        << "参数输入：" << endl
        << "程序名 <图片路径> <缩减因子> [G]" << endl
        << "如果加了参数G，则使用灰度格式读入图片" << endl
        << "--------------------------------------------------------------------------" << endl
        << endl;
}

Mat& ScanImageAndReduceC(Mat& I, const uchar* table);
Mat& ScanImageAndReduceIterator(Mat& I, const uchar* table);
Mat& ScanImageAndReduceRandomAccess(Mat& I, const uchar* table);

int main(int argc, char* argv[])
{
    help();
    if (argc < 3)
    {
        std::cout << "缺少参数" << endl;
        return -1;
    }

    Mat I, J;
    if (argc == 4 && !strcmp(argv[3], "G"))
        I = imread(argv[1], IMREAD_GRAYSCALE);
    else
        I = imread(argv[1], IMREAD_COLOR);

    if (I.empty())
    {
        std::cout << "图片" << argv[1] << "打不开。" << endl;
        return -1;
    }

    //! [dividewith]
    int divideWith{ 0 };
    stringstream s;
    s << argv[2];
    s >> divideWith;
    if (!s || !divideWith)
    {
        std::cout << "无效缩减因子。 " << endl;
        return -1;
    }

    uchar table[256];
    for (int i{ 0 }; i < 256; ++i)
        table[i] = static_cast<uchar>(divideWith * (i / divideWith));
    //! [dividewith]

    const int times{ 100 };
    double t;

    t = static_cast<double>(getTickCount());

    for (int i{ 0 }; i < times; ++i)
    {
        Mat clone_i{ I.clone() };
        J = ScanImageAndReduceC(clone_i, table);
    }

    t = 1000 * (static_cast<double>(getTickCount()) - t) / getTickFrequency();
    t /= times;

    std::cout << "C风格方法每运行"
        << times << "次平均耗时： " << t << "毫秒。" << endl;

    t = static_cast<double>(getTickCount());

    for (int i{ 0 }; i < times; ++i)
    {
        Mat clone_i{ I.clone() };
        J = ScanImageAndReduceIterator(clone_i, table);
    }

    t = 1000 * (static_cast<double>(getTickCount()) - t) / getTickFrequency();
    t /= times;

    std::cout << "迭代器方法每运行"
        << times << "次平均耗时：" << t << "毫秒。" << endl;

    t = static_cast<double>(getTickCount());

    for (int i{ 0 }; i < times; ++i)
    {
        Mat clone_i{ I.clone() };
        ScanImageAndReduceRandomAccess(clone_i, table);
    }

    t = 1000 * (static_cast<double>(getTickCount()) - t) / getTickFrequency();
    t /= times;

    std::cout << "坐标方法每运行"
        << times << "次平均耗时：" << t << "毫秒。" << endl;

    //! [table-init]
    Mat lookUpTable(1, 256, CV_8U);
    uchar* p{ lookUpTable.ptr() };
    for (int i{ 0 }; i < 256; ++i)
        p[i] = table[i];
    //! [table-init]

    t = static_cast<double>(getTickCount());

    for (int i{ 0 }; i < times; ++i)
        //! [table-use]
        LUT(I, lookUpTable, J);
    //! [table-use]

    t = 1000 * (static_cast<double>(getTickCount()) - t) / getTickFrequency();
    t /= times;

    std::cout << "LUT方法每运行 "
        << times << "次平均耗时：" << t << "毫秒。" << 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() };

    int nRows{ I.rows };
    int nCols{ I.cols * channels };

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

    int i, j;
    uchar* p;
    for (i = 0; i < nRows; ++i)
    {
        p = I.ptr<uchar>(i);
        for (j = 0; j < nCols; ++j)
        {
            p[j] = table[p[j]];
        }
    }
    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)
            *it = table[*it];
        break;
    }
    case 3:
    {
        MatIterator_<Vec3b> it, end;
        for (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]];
        }
    }
    }

    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)];
        break;
    }
    case 3:
    {
        Mat_<Vec3b> _I = I;

        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]

要调试程序，需要输入参数的main函数。在VS中，可以在项目属性中提前输入参数，如下图中黑体的th.jpg 10，就是用空格隔开的两个参数。注意第一个参数可以不用输入，默认为项目程序名。
输入main函数参数
我这里使用的th.jpg，是一个1920*1200的图片。这是为了测试处理比较大的图片的时候各种方法的性能。
调试运行结果为：
图片扫描结果