访问Mat图像中每个像素的值

转载自：http://blog.youkuaiyun.com/xiaowei_cqu/article/details/7771760

以下例子源自《The OpenCV Tutorials --Release 2.4.2》2.2 How to scan images, lookup tables and time measurement with OpenCV

图像容器Mat

还是先看Mat的存储形式。Mat和Matlab里的数组格式有点像，但一般是二维向量，如果是灰度图，一般存放 <uchar>类型；如果是RGB彩色图，存放 <Vec3b>类型。

单通道灰度图数据存放格式：

多通道的图像中，每列并列存放通道数量的子列，如RGB三通道彩色图：

注意通道的顺序反转了：BGR。通常情况内存足够大的话图像的每一行是连续存放的，也就是在内存上图像的所有数据存放成一行，这中情况在访问时可以提供很大方便。可以用  isContinuous()函数来判断图像数组是否为连续的。

访问图像中的像素

高效的方法：C操作符[ ]

最快的是直接用C风格的内存访问操作符[]来访问：

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1. Mat& ScanImageAndReduceC(Mat& I, const uchar* const table)  
2. {  
3.     // accept only char type matrices  
4.     CV_Assert(I.depth() != sizeof(uchar));  
5.     int channels = I.channels();  
6.     int nRows = I.rows ;  
7.     int nCols = I.cols* channels;  
8.     if (I.isContinuous())  
9.     {  
10.         nCols *= nRows;  
11.         nRows = 1;  
12.     }  
13.     int i,j;  
14.     uchar* p;  
15.     for( i = 0; i < nRows; ++i)  
16.     {  
17.         p = I.ptr<uchar>(i);  
18.         for ( j = 0; j < nCols; ++j)  
19.         {  
20.             p[j] = table[p[j]];  
21.         }  
22.     }  
23.     return I;  
24. }  

注意： 书中这段代码是有问题的，前面写成了 

[cpp]  view plain copy

1. int nRows = I.rows * channels;  
2. int nCols = I.cols;  

注意：CV_Assert(I.depth() !=  sizeof (uchar)); 这条代码，个人感觉有问题！

     本意是只接受CV_8U的Mat，而CV_8U的Mat的depth为0，而sizeof（uchar）为1，应该改为：

     CV_Assert(I.depth() == 0)，毕竟depth还可能等于2、3、4、5、6。不知道我这样想对不对。

说到数据的存储，这一直就是一个值得关注的问题，Mat_<uchar>对应的是CV_8U，Mat_<char>对应的是CV_8S，Mat_<int>对应的是CV_32S，Mat_<float>对应的是CV_32F，Mat_<double>对应的是CV_64F，对应的数据深度如下：

• CV_8U - 8-bit unsigned integers ( 0..255 )

• CV_8S - 8-bit signed integers ( -128..127 )

• CV_16U - 16-bit unsigned integers ( 0..65535 )

• CV_16S - 16-bit signed integers ( -32768..32767 )

• CV_32S - 32-bit signed integers ( -2147483648..2147483647 )

• CV_32F - 32-bit floating-point numbers ( -FLT_MAX..FLT_MAX, INF, NAN )

• CV_64F - 64-bit floating-point numbers ( -DBL_MAX..DBL_MAX, INF, NAN )

一般情况 isContinous为true，运行不会出错，但你可以注释掉那个if，会有访问越界的问题。

这种访问形式就是在每行定义一个指针，然后在内存上直接连续访问。如果整个数组在内存上都是连续存放的，那么只需要定义一个指针就可以访问所有的数据！如单通道的灰度图访问方式如下：

[cpp]  view plain copy

1. uchar* p = I.data;  
2. for( unsigned int i =0; i < ncol*nrows; ++i)  
3.     *p++ = table[*p];  

安全的方法：迭代器iterator

相比用指针直接访问可能出现越界问题，迭代器绝对是非常安全的方法：

[cpp]  view plain copy

1. Mat& ScanImageAndReduceIterator(Mat& I, const uchar* const table)  
2. {  
3.     // accept only char type matrices  
4.     CV_Assert(I.depth() != sizeof(uchar));  
5.     const int channels = I.channels();  
6.     switch(channels)  
7.     {  
8.     case 1:  
9.         {  
10.             MatIterator_<uchar> it, end;  
11.             for( it = I.begin<uchar>(), end = I.end<uchar>(); it != end; ++it)  
12.                 *it = table[*it];  
13.             break;  
14.         }  
15.     case 3:  
16.         {  
17.             MatIterator_<Vec3b> it, end;  
18.             for( it = I.begin<Vec3b>(), end = I.end<Vec3b>(); it != end; ++it)  
19.             {  
20.                 (*it)[0] = table[(*it)[0]];  
21.                 (*it)[1] = table[(*it)[1]];  
22.                 (*it)[2] = table[(*it)[2]];  
23.             }  
24.         }  
25.     }  
26.     return I;  
27. }  

这里我们只定义了一个迭代器，用了一个for循环，这是因为在OpenCV里迭代器会访问每一列然后自动跳到下一行，不用管在内存上是否isContinous。另外要注意的是在三通道图像中我们定义的是 <Vec3b>格式的迭代器，如果定义成uchar，则只能访问到B即蓝色通道的值。
这种方式虽然安全，但是挺慢的，一会儿就知道了。

更慢的方法：动态地址计算

这种方法在需要连续扫描所有点的应用时并不推荐，因为它更实用与随机访问。这种方法最基本的用途是访问任意的某一行某一列：

[cpp]  view plain copy

1. Mat& ScanImageAndReduceRandomAccess(Mat& I, const uchar* const table)  
2. {  
3.     // accept only char type matrices  
4.     CV_Assert(I.depth() != sizeof(uchar));  
5.     const int channels = I.channels();  
6.     switch(channels)  
7.     {  
8.     case 1:  
9.         {  
10.             for( int i = 0; i < I.rows; ++i)  
11.                 for( int j = 0; j < I.cols; ++j )  
12.                     I.at<uchar>(i,j) = table[I.at<uchar>(i,j)];  
13.             break;  
14.         }  
15.     case 3:  
16.         {  
17.             Mat_<Vec3b> _I = I;  
18.   
19.             for( int i = 0; i < I.rows; ++i)  
20.                 for( int j = 0; j < I.cols; ++j )  
21.                 {  
22.                     _I(i,j)[0] = table[_I(i,j)[0]];  
23.                     _I(i,j)[1] = table[_I(i,j)[1]];  
24.                     _I(i,j)[2] = table[_I(i,j)[2]];  
25.                 }  
26.                 I = _I;  
27.                 break;  
28.         }  
29.     }  
30.     return I;  
31. }  

因为这种方法是为随机访问设计的，所以真的是奇慢无比。。。

减小颜色空间 color space reduction

现在来介绍下上述函数对每个元素的操作，也就是用table更改像素值。这里其实是做了个减小颜色空间的操作，这在一些识别之类的应用中会大大降低运算复杂度。类如uchar类型的三通道图像，每个通道取值可以是0~255，于是就有 256*256个不同的值。我们可以通过定义：
0~9 范围的像素值为 0
10~19 范围的像素值 为 10
20~29 范围的像素值为 20
。。。。。。
着这样的操作将颜色取值降低为 26*26*26 种情况。这个操作可以用一个简单的公式：

来实现，因为C++中int类型除法操作会自动截余。 类如 Iold=14; Inew=(Iold/10)*10=(14/10)*10=1*10=10;
在处理图像像素时，每个像素需要进行一遍上述计算也需要一定的时间花销。但我们注意到其实只有 0~255 种像素，即只有256种情况。进一步可以把256种计算好的结果提前存在表中 table 中，这样每种情况不需计算直接从 table 中取结果即可。

[cpp]  view plain copy

1. int divideWith=10;   
2. uchar table[256];  
3. for (int i = 0; i < 256; ++i)  
4.     table[i] = divideWith* (i/divideWith);  

于是table[i]存放的是值为i的像素减小颜色空间的结果，这样也就可以理解上述方法中的操作：

[cpp]  view plain copy

1. p[j] = table[p[j]];  

LUT : Look up table

OpenCV 很聪明的有个 LUT 函数就是针对这种 Look up talbe 的操作：

[cpp]  view plain copy

1. Mat lookUpTable(1, 256, CV_8U);  
2. uchar* p = lookUpTable.data;  
3. for( int i = 0; i < 256; ++i)  
4.     p[i] = table[i];  
5. for (int i = 0; i < times; ++i)  
6.     LUT(I, lookUpTable, J);  

算法计时

为了验证几种方法的效率，可以用一个简单的计时和输出：

[cpp]  view plain copy

1. double t;  
2. t = (double)getTickCount();  
3. t = 1000*((double)getTickCount() - t)/getTickFrequency();  
4. t /= times;  

实验结果

原图：

降低颜色空间结果：

算法时间：

更清楚的时间对比表：

实验代码下载：http://download.youkuaiyun.com/detail/xiaowei_cqu/4443761