• 【VS开发】OpenCV2:Mat属性type,depth,step


    OpenCV2:Mat属性type,depth,step

    在OpenCV2中Mat类无疑使占据着核心地位的,前段时间初学OpenCV2时对Mat类有了个初步的了解,见OpenCV2:Mat初学。这几天试着用OpenCV2实现了图像缩小的两种算法:基于等间隔采样和基于局部均值的图像缩小,发现对Mat中的数据布局和一些属性的认知还是懵懵懂懂,本文对Mat的一些重要属性和数据布局做一个总结。

     

    Mat的作用

    The class Mat represents an n-dimensional dense numerical single-channel or multi-channel array. It can be used to store real or complex-valued vectors and matrices, grayscale or color images, voxel volumes, vector fields, point clouds, tensors, histograms (though, very high-dimensional histograms may be better stored in a SparseMat ).

    上面的一段话引用自官方的文档,Mat类用于表示一个多维的单通道或者多通道的稠密数组。能够用来保存实数或复数的向量、矩阵,灰度或彩色图像,立体元素,点云,张量以及直方图(高维的直方图使用SparseMat保存比较好)。简而言之,Mat就是用来保存多维的矩阵的。

    Mat的常见属性

    • data  uchar型的指针。Mat类分为了两个部分:矩阵头和指向矩阵数据部分的指针,data就是指向矩阵数据的指针。
    • dims 矩阵的维度,例如5*6矩阵是二维矩阵,则dims=2,三维矩阵dims=3.
    • rows  矩阵的行数
    • cols   矩阵的列数
    • size 矩阵的大小,size(cols,rows),如果矩阵的维数大于2,则是size(-1,-1)
    • channels 矩阵元素拥有的通道数,例如常见的彩色图像,每一个像素由RGB三部分组成,则channels = 3

    下面的几个属性是和Mat中元素的数据类型相关的。

    • type 
      表示了矩阵中元素的类型以及矩阵的通道个数,它是一系列的预定义的常量,其命名规则为CV_(位数)+(数据类型)+(通道数)。具体的有以下值: 
      CV_8UC1 CV_8UC2 CV_8UC3 CV_8UC4
      CV_8SC1 CV_8SC2 CV_8SC3 CV_8SC4
      CV_16UC1 CV_16UC2 CV_16UC3 CV_16UC4
      CV_16SC1 CV_16SC2 CV_16SC3 CV_16SC4
      CV_32SC1 CV_32SC2 CV_32SC3 CV_32SC4
      CV_32FC1 CV_32FC2 CV_32FC3 CV_32FC4
      CV_64FC1 CV_64FC2 CV_64FC3 CV_64FC4
      这里U(unsigned integer)表示的是无符号整数,S(signed integer)是有符号整数,F(float)是浮点数。 
      例如:CV_16UC2,表示的是元素类型是一个16位的无符号整数,通道为2. 
      C1,C2,C3,C4则表示通道是1,2,3,4 
      type一般是在创建Mat对象时设定,如果要取得Mat的元素类型,则无需使用type,使用下面的depth
    • depth 
      矩阵中元素的一个通道的数据类型,这个值和type是相关的。例如 type为 CV_16SC2,一个2通道的16位的有符号整数。那么,depth则是CV_16S。depth也是一系列的预定义值, 
      将type的预定义值去掉通道信息就是depth值: 
      CV_8U CV_8S CV_16U CV_16S CV_32S CV_32F CV_64F
    • elemSize 
      矩阵一个元素占用的字节数,例如:type是CV_16SC3,那么elemSize = 3 * 16 / 8 = 6 bytes
    • elemSize1 
      矩阵元素一个通道占用的字节数,例如:type是CV_16CS3,那么elemSize1 = 16  / 8 = 2 bytes = elemSize / channels

    下面是一个示例程序,具体说明Mat的各个属性:

    复制代码
    Mat img(3, 4, CV_16UC4, Scalar_<uchar>(1, 2, 3, 4));
        
        cout << img << endl;
    
        cout << "dims:" << img.dims << endl;
        cout << "rows:" << img.rows << endl;
        cout << "cols:" << img.cols << endl;
        cout << "channels:" << img.channels() << endl;
        cout << "type:" << img.type() << endl;
        cout << "depth:" << img.depth() << endl;
        cout << "elemSize:" << img.elemSize() << endl;
        cout << "elemSize1:" << img.elemSize1() << endl;
    复制代码

    首先创建了一个3*4的具有4个通道的矩阵,其元素类型是CV_16U。Scalar_是一个模板向量,用来初始化矩阵的每个像素,因为矩阵具有4个通道,Scalar_有四个值。其运行结果: 
    image运行结果首先打印了Mat中的矩阵,接着是Mat的各个属性。注意其type = 26,而depth = 2。这是由于上面所说的各种预定义类型 
    例如,CV_16UC4,CV_8U是一些预定义的常量。

    step

    Mat中的step是一个MStep的一个实例。其声明如下:

    复制代码
    struct CV_EXPORTS MStep
        {
            MStep();
            MStep(size_t s);
            const size_t& operator[](int i) const;
            size_t& operator[](int i);
            operator size_t() const;
            MStep& operator = (size_t s);
    
            size_t* p;
            size_t buf[2];
        protected:
            MStep& operator = (const MStep&);
        };
    复制代码

    从其声明中可以看出,MStep和size_t有比较深的关系。用size_t作为参数的构造函数和重载的赋值运算符

    MStep(size_t s);
    MStep& operator = (size_t s);

    向size_t的类型转换以及重载的[ ]运算符返回size_t

    const size_t& operator[](int i) const;
            
    size_t& operator[](int i);

    size_t的数组以及指针 

    size_t* p;
            
    size_t buf[2];

    那么size_t又是什么呢,看代码

    typedef  unsigned int   size_t;

    size_t就是无符号整数。

    再看一下MStep的构造函数,就可以知道其究竟保存的是什么了。

    inline Mat::MStep::MStep(size_t s) { p = buf; p[0] = s; p[1] = 0; }

    从MStep的定义可以知道,buff是一个size_t[2],而p是size_t *,也就是可以把MStep看做一个size_t[2]。那么step中保存的这个size_t[2]和Mat中的数据有何种关系呢。

    step[0]是矩阵中一行元素的字节数。

    step[1]是矩阵中一个元素的自己数,也就是和上面所说的elemSize相等。

    上面说到,Mat中一个uchar* data指向矩阵数据的首地址,而现在又知道了每一行和每一个元素的数据大小,就可以快速的访问Mat中的任意元素了。下面公式:

    addr(M_{i,j}) = M.data + M.step[0]*i + M.step[1]*j

    step1

    规整化的step,值为step / elemSize1。 定义如下:

    inline size_t Mat::step1(int i) const { return step.p[i]/elemSize1(); }

    仍以上例代码中定义的img为例,来看下step,step1具体的值: 
    imageimg(3*4)的type是CV_16UC4,step[0]是其一行所占的数据字节数4 *4 * 16 / 8  = 32. 
    step[1] 是一个元素所占的字节数,img的一个元素具有4个通道,故:4 * 16 / 8 = 2 
    step1 = step / elemSize1,elemSize1是元素的每个通道所占的字节数。

    N维的step(N > 2)

    上面分析step是一个size_t[2],实际不是很正确,正确的来说step应该是size_t[dims],dims是Mat的维度,所以对于上面的二维的Mat来说,step是size_t[2]也是正确的。 
    下面就对三维的Mat数据布局以及step(维度大于3的就算了吧)。

    上图引用自http://ggicci.blog.163.com/blog/static/210364096201261052543349/  搜集资料时发现了这幅图,一切就变的简单了眨眼  感谢作者 Ggicci

    三维的数据在Mat中是按面来存储的,上图描述的很清晰,这里不再多说。 
    上面言道,step是一个size_t[dims],dims是维度。so,三维的step就是size_t[3]。其余的不多说了,看图就有了。下面来创建一个三维的Mat,实际看看

    复制代码
    int dims[3] = { 3, 3, 3 };
        Mat src(3, dims, CV_16SC2, Scalar_<short>(1,2));
    
        cout << "step[0]:" << src.step[0] << endl;
        cout << "step[1]:" << src.step[1] << endl;
        cout << "step[2]:" << src.step[2] << endl;
    复制代码

    首先创建一个3*3*3,depth为CV_16S的两通道的Mat 
    step[0]是一个数据面的大小  3 * 3 * (16 / 8 ) * 2 = 36 
    step[1]是一行数据的大小 3 * (16 / 8 ) * 2 = 12 
    step[2]是一个元素的大小 2 * (16 / 8) = 4 
    image 
    PS: 三维的Mat 不能使用 <<运算符进行输出的。

    over

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