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  • CvMat矩阵数据访问方法总结

    CvMat矩阵数据结构是OpenCV的基础数据类型,对于图像处理这种密级型运算,经常需要访问,修改,设置其元素的值。OpenCV提供了很多优良的函数,能够很简单的实现上述功能。在《学习OpenCV》一书中,作者分别就简单的方法,麻烦的方法,和恰当的方法对相关函数进行了讲解,讲得比较清晰。本文主要讲解通过指针高效访问CvMat元素的方法z及平时容易忽视的一些小问题。

    1.关于元素数据类型
       CvMat中数据类型由几个部分构成 CV_<bit_depth>(S|U|F)channels,S表示有符号的,U表示无符号的,F表示浮点数;比如CV_32F1,表示32位1通道浮点数;CV_8U3,表示8位无符号3通道整形;数据类型重要的原因在于
    A.它决定了CvMat数据的分布,比如,若元素类型CV_8UC1(常用于灰度图像 ),那么CvMat的数据排列是每行按照ggggggg(g表示一个像素的灰度值)的格式排列;若元素类型为CV_8UC3,则可以表示彩色图像,其行排列成为bgrbgrbgr(分别表示蓝绿红三个通道值,三个通道值表征1个像素)的形式;
    B.在访问其数据类型时,如何正确转换成对应的数据类型指针;后面的例子会说到;

    2.访问CvMat中的元素
       简单的通过CV_MAT_ELEM宏,cvGetRealXD()函数即可实现,但是图像处理是计算密集型操作,这些函数虽然简单易用,但是效率比较低。因此最常用的是采用指针来访问CvMat中的元素。
       CvMat结构中data结构对于指针访问其元素非常重要.
       其data成员为
       union{
             uchar* ptr;
             short* s;
             int* i;
             float* fl;
             double* db;
           }data;
      由于是联合体,因此在访问时,指针可以在这几种类型的指针之间转换。当然这还归功于CvMat中每行的字节长度是固定的,成员step记录了CvMat每行的字节数。下面的代码说明如何高效访问矩阵元素。
       CvMat* mat=cvCreateMat(5,3,CV_32FC1);//建立一个5行3列的矩阵,元素类型为32位单通道浮点数;数据类型对于后面使用指针访问矩阵元素非常重要。
       cvZero(mat);
       int row,col;

    //下面的代码给矩阵的每个元素赋值
       for (row=0;row<mat->height;row++)
       {
      float* pData=(float*)(mat->data.ptr+row*mat->step);//获取第row行的行首指针,因为数据类型为浮点型,因此,通过data.ptr与step获得的字节指针需要转换为float* 这样的指针
      for (col=0;col<mat->width;col++)
      {
                         *pData=(row+col);
          pData++;//因为,指针后移一位,也即是指向下一个浮点数
      }
       }
    //下面的3段代码功能是一样的,都是在控制台显示各个元素的值

    ///code1
       for (row=0;row<mat->height;row++)
       { 
         float* pData=(float*)(mat->data.ptr+row*mat->step);//我们通过转换成float*这样的指针
      for (col=0;col<mat->width;col++)
      {
      std::cout<<*pData<<" ";
      pData++;//指向下一个元素
      }
      }
    ///code2
       for (row=0;row<mat->height;row++)
       { 
      float* pData=mat->data.fl+row*mat->step/4;//这儿就用到了union中的fl指针,由于step是以1字节来计算的,因此实际步长应该为mat->step/4(浮点数的长度为4字节)
      for (col=0;col<mat->width;col++)
      {
      std::cout<<*pData<<" ";
      pData++;
      }
      std::cout<<std::endl;
       }

    ///code 3
       for (row=0;row<mat->height;row++)
       { 
      float* pData=mat->data.fl+row*mat->step/4;
      for (col=0;col<mat->width;col++)
      {
      std::cout<<*(pData+j)<<" ";//自己计算列指针的位置
      
      }
      std::cout<<std::endl;
       }
    ///////////////////////

    用指针除了顺序访问CvMat中的元素外,还可以访问任意位置的元素,当然前提是需要自己计算指针。比如:
     for (row=0;row<mat->height;row++)
       { 
      float* pData=mat->data.fl+row*mat->step/4;
      for (col=0;col<mat->width;col++)
      {
      if (row>0)
                         {
         std::cout<< *(pData+col-mat->step/4)<<" ";//访问mat(row-1,col)元素
                       if (col>0)
           std::cout<<*(pData+col-1-mat->step/4)<<"";//访问mat(row-1,col-1)元素
                           }   
      }
      std::cout<<std::endl;
       }
    cvReleaseMat(&mat);//用完释放相关资源

    因此,对CvMat中的元素不要拘泥于书上提供的几种方式,在程序效率很重要的情况下,可以合理使用指针结合step完美的访问CvMat中的元素,当然,使用指针,也有缺点,出现错误不容易发现,自己曾经遭过道。

    自己几点体会:
    (1):和作者前面提到的一样,数组的数据类型非常重要。其中通道数表明了数据的排列方式,数据类型对后面的访问方式有很大影响;
    (2):在CvMat中,最重要一点要理解的是step。其有两点非常重要;
    第一:其是以字节为单位的;
    第二:对于指定的矩阵每行的字节长度是固定的。
    由这两点可以引申出来两种访问方式
    第一:对于以字节为单位的这种形式,在上面的code1、code2表现的非常明显。这里对于不同类型的数组,因为其所占的空间大小不同,但是每行的字节长度是固定的,这里可以通过比例放缩,即除以sizeof(*),来准确定位;
    第二:对于指定的矩阵每行的字节长度是固定这种形式,在第一个列子中表现明显。这里先用简单的ptr定位,再进行强制转换。因为是利用了固定的长度,这种一一对应的方式来进行定位,非常方便。这里是把定位和操作分开进行的。


    依据以上分析,下面给出简单的总结(http://blog.sina.com.cn/s/blog_78fd98af0100yfjk.html

    CvMat* mat;

    mat = cvCreateMat(9,10,CV_64FC3);//注意所申请矩阵元素的类型,不同的类型访问操作方法不同,但类似可推导,以此为例。

    opencv中的多通道矩阵CvMat元素的访问方法总结如下:

    1.

      mat(i,j,1):  *(mat->data.db + i*(mat->step/8) + 3*j);//.db为double数据类型,step类型为int,代表矩阵每行的字节数,因此要处以sizeof(double)  =8。

      mat(i,j,2):  *(mat->data.db + i*(mat->step/8) + 3*j+1);

      mat(i,j,3):  *(mat->data.db + i*(mat->step/8) + 3*j+2);

    基本模式: *(mat->data.类型 + 行号*(该类型数据对应的一行的步长要按照该类型的长度来运算)+按照该类型来说的列数+所取的通道数)

    2.

      mat(i,j,1):  ((double*)(mat->data.ptr+i*mat->step))[3*j];//ptr的类型为uchar*,step类型为int,代表矩阵每行的字节数。另外指针可以当做数组名,因此可以这样操作。

      mat(i,j,2):  ((double*)(mat->data.ptr+i*mat->step))[3*j+1];

      mat(i,j,3):  ((double*)(mat->data.ptr+i*mat->step))[3*j+2];

    基本模式:((强转类型*)(mat->data.ptr+行号*mat->step))[3*列号+所取的通道数]

    3.

    mat(i,j,1):  *( (double*)(mat->data.ptr+i*mat->step) + 3*j );//根据以上也可以这样

    总之就是C语言中的指针操作啦,要注意指针的类型,以及step的单位是字节就可以了。

    4.运用CV_MAT_ELEM宏来访问

    mat(i,j,3): CV_MAT_ELEM(mat,double,i,3*j+2)

    该方法最方便。

     

    另外,实验测试发现,mat中数据一般不支持类似于二维数值的双中括号访问,比如

    mat->data.db[i][j] 是不支持的。而一般只支持单个中括号的访问,即:

    mat->data.db[i*mat->step/sizeof(double)+j] 

     

    自己的几点体会:
    (1):第一种方法是顺序访问的,但是这种最可能出问题。learning opencvp-46中说到,CvMat数据指针可以指向一个大型数组中的ROI,所以无法保证数据逐行连续存取。因此,这种容易出问题。
    (2):第二种和第三种方法是每次重新计算起点,这种是精确的。
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