OpenCV4（C++） —— Mat类

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前言

在python的opencv中，也就是导入：import cv2。使用的是numpy和内置ndarray来存储和处理图像数据。而对于C++的opencv是没有ndarray的，也没有numpy库，而是使用cv::Mat类来表示图像数据与进行处理的。

python是一种动态类型语言，无需显示的指定变量的类型。直接使用imread返回的就是ndarray对象，后续使用numpy库可以直接对其进行相关图像操作。

import  cv2
import  numpy as np
image = cv2.imread("lena.jpg")
print(type(image)) # 
print(image.shape) # h,w,c
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C++是一种静态类型语言，任何变量都需要显示地指定一个数据类型。而对于图像这种多维数组来说，就定义了Mat类来管理。

#include   
#include  
using namespace std;

int main()
{
    cv::Mat image = cv::imread("lena.jpg");
    int h = image.rows;  // row为高度
    int w = image.cols;  // col为宽度
    int ch = image.channels();  // 通道
    cout << h << " " << w <<" "<< ch << endl;
}
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一、初识Mat类

  Mat类分为矩阵头和指向存储数据的矩阵指针。矩阵头中包含矩阵的尺寸、存储方法、地址和引用次数等，只存放这几个固定的数据类型，所以矩阵头所占空间是固定的。图像复制和传递过程中主要的开销是存放矩阵数据。
  一般的赋值操作，只是复制矩阵头和存放矩阵数据的指针，两者还是指向同一矩阵数据（浅拷贝），若需克隆一份新的矩阵数据，则要深拷贝。（在python中也是如此）
：

int main()
{
    cv::Mat image1   // 矩阵头
    image1 = cv::imread("lena.jpg");  // 矩阵指针将指向该矩阵像素
    cv::Mat image2 = image1;  // 浅拷贝
    cv::Mat image3 = image1.clone();  // 深拷贝
}
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注：Mat类利用自动内存管理技术解决了内存自动释放的问题，当变量不再需要时立即释放内存。
  当发生A浅拷贝B时，两种指向同一矩阵数据。只删除A，B仍然指向该矩阵数据；当A、B都删除时，才会释放该内存。能够这么做的原因是上面说到的矩阵头中的引用次数，复制一次，引用次数+1，删除一次，引用次数-1，当引用次数为0时才会释放内存（发现了吗，和智能指针shared_ptr一样的原理）。

（2）图像数据类型
  C++中，内置的数据类型有int，float，char等。我们指定，不同的编译平台，位数会发生变化。所以OpenCV中根据数值变量存储位数长度重新命名了新的数据类型，如下表：

  图像的单个灰度像素值为（0-255），所以CV_8U是最常用的。但图像还有RGB通道之分，所以OpenCV还定义了通道标识符：C1、C2、C3、C4，来分别表示单通道、双通道、三通道和四通道。为此，完整的图像数据类型为：CV_8UC3，表示8位的三通道数据

二、Mat类的创建（构造）与赋值

1、类的常规三种构造（默认、有参、拷贝）

（1）默认构造

  Mat可以进行默认构造，这种方式不需要输入任何的参数，在后续给变量赋值的时候会自动判断矩阵的类型与大小，实现灵活的存储，常用于存储读取的图像数据或某个函数运算的输出结果

cv::Mat image;
image = cv::imread("lena.jpg"); 

cv::Mat zero_roi;
cv::inRange(mask2, 0, 0, zero_roi); //cv::inRange(输入图像，下界，上界，输出图像);
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（2）输入矩阵尺寸和数据类型——有参构造

常规语法：

//cv::Mat image(rows, cols, type)
cv::Mat image(600, 400, CV_8UC3);  // 创建一个高600，宽400，3通道的8位无符号矩阵数据
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还有一种方式是采用cv::Size()进行赋值。
cv::Size 类可以方便地指定图像的尺寸，例如创建一个具有特定宽度和高度的图像，或者在图像处理过程中获取图像的尺寸信息。但要注意，Size()里的高、宽与常规语法是相反的，宽在前，高在后。

//cv::Size size(cols, rows);
cv::Size size(400, 600);
cv::Mat image(size, CV_8UC3);  // 创建一个高600，宽400，3通道的8位无符号矩阵数据
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（3）利用已有矩阵构造——拷贝构造

  默认的拷贝是浅拷贝，若想创建一份不会影响到原数据的，需要用clone()来进行深拷贝，常用在函数参数上；如何还想指定尺寸，可以用矩阵指针的方式，常用于调整图像尺寸

cv::Size size(400, 600);
cv::Mat image1(size, CV_8UC3);
cv::Mat image2 = image1;  //浅拷贝
cv::Mat image3 = image1.clone(); // 深拷贝
//cv::Mat image3(image1.clone) 拷贝构造的另一种写法，隐式构造

//当要对图片传入函数中进行处理，而又不会影响到原图
cv::Mat func(cv::Mat& images)
{
	cv::Mat img_input;
	ima_input = images.clone();
	......
	return xxx;
}

// 当要调整图像尺寸为520×520时（同样为深拷贝）
cv::Mat image4(520, 520, CV_8UC3, image1.data)
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利用已有矩阵构造，还可以进行类似截图的操作，可以采用cv::Range或cv::Rect。注意cv::Rect里的高和宽与默认相反，先定义宽，再定义高。

// 1、Range指定行(高)和列(宽)的范围。下例是0到299行，共300行；0到399列，共400列
cv::Mat image2 = image1(cv::Range(0, 300), cv::Range(0, 400)); 
// cv::Mat image2(image1, (cv::Range(0, 300), cv::Range(0, 400)); 隐式构造

//2、Rect指定左上角坐标和矩形的宽度和高度来定义区域
cv::Mat image2(image1, cv::Rect(0, 0, 400, 300));//左上角左边(0,0)，宽400，高300
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2、赋值方式

上面讲述了多种构造方式，但只是创建了对象，还没有数据值赋给它。OpenCV4给予了多种赋值方式。

（1）构造时给每个通道赋值

  在构造时，加上从cv::Scalar()直接赋值。这种方式是赋给一个通道的所有相同数据，如单通道时cv::Scalar(0)，表示全部赋值0；三通道时，cv::Scalar(0,0,0)，表示三个通道全都赋值为0。另外一提，彩色图片在OpenCV中默认三通道的顺序是B、G、R。但是，在用这种方式赋值时，实际应用中大多数都是为了得到一个全黑或全白的矩阵，来用作后续处理。

cv::Mat image(600, 400, CV_8UC3, cv::Scalar(0,0,0));  // 全黑的3通道
cv::Mat image(600, 400, CV_8UC3, cv::Scalar(255, 255, 255));   // 全白的3通道
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（2）给通道内每个元素赋值

   （1）中的方式是赋给一个通道(矩阵)相同的数据，也可以给矩阵内每一个元素进行赋值，如枚举、循环、数组。枚举的个数要与矩阵元素个数相同，所以此方法一般用在矩阵数据比较少的情况。但一般图像数据都较大，所以在实际应用中很少使用。

（3）使用成员函数赋值

   Mat类中，自定义了可以初始化的矩阵，如eys，ones，zeros，diag，来生成单位矩阵、对角矩阵等。

前面说过，实际应用中大多数都是为了得到一个全黑或全白的矩阵，来用作后续处理。所以常用的是ones

cv::Mat mask = cv::Mat::zeros(cv::Size(400, 600), CV_8UC3); // 注意Size里的顺序（宽，高）
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全黑的mask的作用：（1）因为像素都是0，所以跟其它任何像素作加法运算，得到的都是其它像素的原值，所以可用于移植其他图像
例：假设原始图片过大，先作了切割，再处理，最后要把处理结果图拼接起来。image是一个部分结果图，可以设定一个和原图大小一样的全黑mask作为底板，来依次放进部分结果图，下面是一个简单示例：

    cv::Mat image(100, 100, CV_8UC3, cv::Scalar(255, 255, 255));  // 用全白image来当作部分结果图
    cv::Mat mask = cv::Mat::ones(cv::Size(640, 400), CV_8UC3);
    cv::Mat roi = mask(cv::Rect(0, 0, 100, 100));  // 使用Rect获得指定区域roi（左上角(0,0)，宽高(100,100)）
    image.copyTo(roi);  // 复制image到roi中（深拷贝）
    cv::imshow("原图", mask);
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（2）像素为0的另一个好处是方便进行逻辑运算。如求与运算（只有两个数都为1，结果才为1。所以当存在像素为0时，结果一定为0），可以将其他像素全置为0。这种操作在处理二值mask时很常见。

// 逻辑运算的参数都一样：前两个参数是要进行运算的两个图像矩阵，第三个参数是结果矩阵，第4个参数是设置范围，一般默认即可
 void cv::bitwise_and(src1, src2, dst)  //像素求与运算
 void cv::bitwise_or(src1, src2, dst)  //像素求或运算
 void cv::bitwise_xor(src1, src2, dst)  //像素求异或运算
 void cv::bitwise_not(src1, src2, dst)  //像素求非运算
 
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此外，深度学习中使用torch张量也可以创建该类型的矩阵。如： auto zero_tensor = torch::zeros_like(index); //创建一个与index大小相同的全零张量zero_tensor。

三、Mat类的常用属性

上面的“元素”并不是完全等于像素。在单通道图片中，一个元素等于一个像素；但若在多通道（如三通道中），一个元素=B、G、R三个像素，如下图。（注：Mat类的矩阵是二维的，所以计算机系统会把三通道的图片压缩成二维形式，如图所示，存储完一个元素的BGR三个像素值后，才会接着存放下一个元素）

值得注意：灰度图的总像素=total()；彩色图像的总像素 = total()×channels；灰度图step=cols，彩色图step=cols×3。
对于cols 和 row，应该是系统做过处理，无论什么通道的图像，这两个就是图片的宽和高。

3.1 如何访问Mat类的元素

常用访问方式有：（1）at方法；（2）指针；（3）迭代器；（4）矩阵元素的地址定位

（2) 指针Ptr

   ptr< uchar> () 是一个成员函数，属于OpenCV库的cv::Mat类。该函数返回一个指向图像某一行首元素的指针，可以方便地访问和修改图像中的每个像素。

uchar* cv::Mat::ptr<uchar>(int y) // y表示的是行的索引。返回值是一个指向第y行的uchar型指针
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使用Ptr确定到每个像素

const uchar* dst = dst1.ptr<uchar>(0, 2); // 第0行第2个像素（从0开始数）

// 遍历每一个像素
    for (int i = 0; i < img.rows; ++i)
    {
        uchar* row_ptr = img.ptr<uchar>(i);
        for (int j = 0; j < img.cols; ++j)
        {
            uchar pixel = row_ptr[j];
            cout << (int)pixel<< " ";
            cout << "j=" << j << endl;
        }
        cout << endl;
    }
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   上面这种遍历方式只适用于单通道CV_8UC1的图片，因为在遍历cols时，没有考虑通道，而前面说过计算机存储彩色图是是按照BGR像素连续存储的，所以若按照 j < img.cols ，实际上是没有遍历完的。下图展示了一张图片的首行遍历结果，可以看到，会依次遍历BGR三个像素。


   想要遍历多通道图片的所有像素，最简单的方法就是将 j < img.cols 改为 j < img.cols *img.channels() 。但是通常情况下，不希望循环框架发生改变，所以一般是从内部处理。常见的（彩色图）逐元素复制拷贝操作参考如下：

const uchar* dst = dst1.ptr<uchar>(0, 2); // 第0行第2个像素（从0开始数）

// 遍历每一个像素
    for (int i = 0; i < img.rows; ++i)
    {
        uchar* row_ptr = img.ptr<uchar>(i);
        uchar* dst_ptr =  dstImg.ptr<uchar>(i);
        for (int j = 0; j < img.cols; ++j)
        {
			std::memcpy(dst_ptr + col * img_input.channels(), src_ptr + col * img_input.channels(), sizeof(uchar) * img_input.channels());
        }

    }

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