Chapter_03 矩阵的掩膜操作

一. 掩码操作简介

矩阵的掩码操作非常的简单.这个想法是,我们根据掩码矩阵(也称为内核)重新计算图像中每个像素的值.此掩码保存的值将调整邻近像素(和当前像素)对新像素值的影响程度.从数学的观点来看,我们用我们指定的值做加权平均.

二. 我们的测试用例

让我们考虑一下图像对比度增强方法的问题.基本上,我们想对图像的每个像素应用一下的公式:

第一种表示方法是使用公式,而第二种表示方法是使用掩码的压缩版本.你可以通过将掩码就很的中心(由0-0索引标记的大写)放到要计算的像素上,并将像素值乘以重叠矩阵值相加来使用掩码.这是一样的,但是在大矩阵的情况下后一种表示法更容易看.

代码:

#include <opencv2/imgcodecs.hpp>
#include <opencv2/highgui.hpp>
#include <opencv2/imgproc.hpp>
#include <iostream>
using namespace std;
using namespace cv;
static void help(char *progName)
{
    
    cout << endl
        << "This program shows how to filter images with mask: the write it yourself and the"
        << "filter2d way. " << endl
        << "Usage:" << endl
        << progName << " [image_path -- default lena.jpg] [G -- grayscale] " << endl << endl;
}

void Sharpen(const Mat &myImage, Mat &Result);

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    help(argv[0]);
    const char *filename = argc >= 2 ? argv[1] : "lena.bmp";
    Mat src, dst0, dst1;
    if (argc >= 3 && !strcmp("G", argv[2]))
    {
    
        src = imread(samples::findFile(filename), IMREAD_GRAYSCALE);
    }
    else
    {
    
        src = imread(samples::findFile(filename), IMREAD_COLOR);
    }

    if (src.empty())
    {
    
        cerr << "Can't open image[" << filename << "]" << endl;
        return EXIT_FAILURE;
    }

    namedWindow("Input", WINDOW_AUTOSIZE);
    namedWindow("Output", WINDOW_AUTOSIZE);

    imshow("Input", src);
    double t = (double)getTickCount();
    Sharpen(src, dst0);
    t = ((double)getTickCount() - t) / getTickFrequency();
    cout << "Hand written function time passed in seconds: " << t << endl;
    imshow("Output", dst0);

    Mat kernel = (Mat_<char>(3, 3) << 0, -1, 0,
                                         -1, 5, -1,
                                          0, -1, 0);
    t = (double)getTickCount();
    filter2D(src, dst1, src.depth(), kernel);
    t = ((double)getTickCount() - t) / getTickFrequency();
    cout << "Built-in filter2D time passed in seconds: " << t << endl;
    imshow("Output", dst1);
    waitKey(0);
    return EXIT_SUCCESS;
}


void Sharpen(const Mat &myImage, Mat &Result)
{
    
    // accept only uchar images
    CV_Assert(myImage.depth() == CV_8U);
    const int nChannels = myImage.channels();
    Result.create(myImage.size(), myImage.type());

    for (int j = 1; j < myImage.rows - 1; j++)
    {
    
        const uchar *previous = myImage.ptr<uchar>(j - 1);
        const uchar *current = myImage.ptr<uchar>(j);
        const uchar *next = myImage.ptr<uchar>(j + 1);
        uchar *output = Result.ptr<uchar>(j);
        for (int i = nChannels; i < nChannels * (myImage.cols - 1); i++)
        {
    
            *output++ = saturate_cast<uchar>(5 * current[i] - current[i - nChannels]
             - current[i + nChannels] - previous[i] - next[i]);
        }
    }
    Result.row(0).setTo(Scalar(0));
    Result.row(Result.rows - 1).setTo(Scalar(0));
    Result.col(0).setTo(Scalar(0));
    Result.col(Result.cols - 1).setTo(Scalar(0));
}

基本方法:
现在让我们看看如何使用基本像素访问方法或者是filter2D函数实现这一点.
这里是一个做到这一点的函数:

void Sharpen(const Mat& myImage,Mat& Result)
{
    
    CV_Assert(myImage.depth() == CV_8U);  // accept only uchar images
    const int nChannels = myImage.channels();
    Result.create(myImage.size(),myImage.type());
    for(int j = 1 ; j < myImage.rows-1; ++j)
    {
    
        const uchar* previous = myImage.ptr<uchar>(j - 1);
        const uchar* current  = myImage.ptr<uchar>(j    );
        const uchar* next     = myImage.ptr<uchar>(j + 1);
        uchar* output = Result.ptr<uchar>(j);
        for(int i= nChannels;i < nChannels*(myImage.cols-1); ++i)
        {
    
            *output++ = saturate_cast<uchar>(5*current[i]
                         -current[i-nChannels] - current[i+nChannels] - previous[i] - next[i]);
        }
    }
    Result.row(0).setTo(Scalar(0));
    Result.row(Result.rows-1).setTo(Scalar(0));
    Result.col(0).setTo(Scalar(0));
    Result.col(Result.cols-1).setTo(Scalar(0));
}

首先,我们确保输入的图像的数据是unsigined char格式的.为此,我们使用cv::CV_Assert函数,当它内部的表达式为false的时候抛出错误.

CV_Assert(myImage.depth() == CV_8U);  // accept only uchar images

我们创建一个和输入相同大小和类型的输出图像.正如你再存储部分看到的那样,根据通道的数量,我们可能有一个子列或者多个子列.

我们将通过真真迭代他们,所以元素的总数取决于这个数字.

  const int nChannels = myImage.channels();
  Result.create(myImage.size(),myImage.type());

我们将使用普通的C[]操作符来访问像素.因为我们需要同时访问多行,所以我们将获取每一行的指针(前一行,当前行和下一行).我们需要另一个指针指向我们需要保存计算的地方.然后只需要使用[]操作符访问正确的项.为了向前移动输出指针,我们只需要再每次操作后增加这个(一个字节):

 for(int j = 1 ; j < myImage.rows-1; ++j)
    {
    
        const uchar* previous = myImage.ptr<uchar>(j - 1);
        const uchar* current  = myImage.ptr<uchar>(j    );
        const uchar* next     = myImage.ptr<uchar>(j + 1);
        uchar* output = Result.ptr<uchar>(j);
        for(int i= nChannels;i < nChannels*(myImage.cols-1); ++i)
        {
    
            *output++ = saturate_cast<uchar>(5*current[i]
                         -current[i-nChannels] - current[i+nChannels] - previous[i] - next[i]);
        }
    }

在图形的边界上,上面的符号导致不存在的像素位置(如-1----1).这这些点上,公式没有定义.一个简单的解决方案是在这些点上不应用内核,例如,将边界上的像素设置为零:

  Result.row(0).setTo(Scalar(0));
  Result.row(Result.rows-1).setTo(Scalar(0));
  Result.col(0).setTo(Scalar(0));
  Result.col(Result.cols-1).setTo(Scalar(0));

应用这样的过滤器在图像处理中是很常见的,在Opencv中有一个函数负责应用掩码(在某些地方也称为内核).为此,你首先需要定义一个保存掩码的对象:

 Mat kernel = (Mat_<char>(3,3) <<  0, -1,  0,
                                   -1,  5, -1,
                                    0, -1,  0);

然后调用filter2D()函数,指定输入,输出图像和使用的内核:

filter2D( src, dst1, src.depth(), kernel );

该函数甚至还有第五个可选参数来指定内核的中心,第六个参数用来为结果额外的增加一个值,以及第七个参数来确定操作未定义的区域(边界)中该怎么填充.

这个函数更短,更简洁,而且由于进行了一些优化,它通常比手工的编码的方法更快.例如,在我的测试中,第二个只花了13毫秒,而第一个花了31毫秒.很大的区别.