OPenCV高级编程——OpenCV常见的API及绘图知识详解

Mat类是OpenCV中C++版本的矩阵类，它替代了原来C版本的矩阵结构体CvMat和图像结构体IplImage。Mat类具有许多优势，特别是与STL（Standard Template Library）的兼容性很好，提供了许多类似于STL的操作，并且是一种高效的数据类型，对内存进行动态管理，无需用户手动管理内存。

1. Mat类的基本结构

Mat类定义于OpenCV的core.hpp中，主要包含两部分数据：

矩阵头（matrix header）：这部分的大小是固定的，包含了矩阵的大小（行数和列数）、存储方式、矩阵存储的地址等信息。
数据指针（data pointer）：一个指向矩阵包含像素值的指针，用于访问矩阵的实际数据。

Mat类的定义大致如下（简化版）：

class CV_EXPORTS Mat {  
public:  
    int flags; // 包含矩阵的多个标志位，如深度、通道数等  
    int dims;   // 数组的维度，>= 2  
    int rows, cols; // 矩阵的行数和列数  
    uchar* data; // 指向数据的指针  
    int* refcount; // 指向引用计数器的指针  
    // 其他成员...  
};

2. Mat类的数据类型

Mat类支持多种数据类型，这些数据类型决定了矩阵中元素的存储方式。常见的数据类型包括：

CV_8U：8位无符号整数（0~255）
CV_8S：8位有符号整数（-128~127）
CV_16U：16位无符号整数（0~65535）
CV_16S：16位有符号整数（-32768~32767）
CV_32S：32位有符号整数
CV_32F：32位浮点数
CV_64F：64位浮点数

在OpenCV中，可以通过特定的模板类（如Mat_<uchar>、Mat_<int>等）或类型标识符（如CV_8UC1、CV_32FC3等）来指定Mat的数据类型。

3. Mat类的创建与初始化

Mat类可以通过多种方式创建和初始化：

使用构造函数：
- Mat::Mat()：默认构造函数，创建一个空的Mat对象。
- Mat::Mat(int rows, int cols, int type)：指定行数、列数和类型创建Mat对象。
- Mat::Mat(Size size, int type)：使用Size结构体指定尺寸和类型创建Mat对象。
- Mat::Mat(const Mat& m)：拷贝构造函数，创建一个与已有Mat对象相同的Mat对象（但注意，这种方式只是复制了矩阵头，数据是共享的）（浅拷贝）。
使用create函数：可以在不重新创建Mat对象的情况下改变其大小和类型。
使用其他函数：如zeros、ones、eye等，用于创建全零、全一或单位矩阵。

4. Mat类的使用技巧

元素访问：
- 使用at函数：M.at<type>(i, j)，其中type是元素的数据类型，i和j是行和列的索引。
- 使用迭代器：通过MatIterator_迭代器遍历矩阵元素。
- 使用指针：直接操作data指针访问矩阵数据（注意边界和步长）。
矩阵操作：
- 支持多种数学运算，如加法、减法、乘法等。
- 支持矩阵变换，如转置、缩放、旋转等。
内存管理：
- Mat类自动管理内存，无需用户手动释放。
- 使用clone函数可以复制整个Mat对象（包括数据），避免数据共享问题。（深拷贝）

二、OpenCV核心功能模块

1. 基本的图像读取与显示

cv::imread：用于读取图像文件。其原型为cv::Mat cv::imread(const String& filename, int flags = IMREAD_COLOR)。其中，filename是图像文件的路径，flags是读取图像的方式，例如IMREAD_COLOR表示以彩色模式读取图像，IMREAD_GRAYSCALE表示以灰度模式读取图像。
cv::imshow：用于在窗口中显示图像。其原型为void cv::imshow(const String& winname, InputArray mat)。其中，winname是窗口的名称，mat是要显示的图像数据。

2. 图像的保存

cv::imwrite：用于将图像写入文件。其原型为bool cv::imwrite(const String& filename, InputArray img, const std::vector<int>& params = std::vector<int>())。其中，filename是保存图像的路径，img是要保存的图像数据，params是保存图像时的一些可选参数。

3. 矩阵操作

cv::Mat：是OpenCV中用于存储图像数据和其他多维数组的数据结构。提供了丰富的矩阵操作函数，如加法、减法、乘法、除法、归一化等。

4. 等待键盘输入与销毁窗口

cv::waitKey：等待键盘输入。函数原型为int cv::waitKey(int delay = 0)。delay参数表示等待时间（毫秒），如果设置为0，则表示无限等待。常用于在显示图像时等待用户按键。
cv::destroyAllWindows：销毁所有由OpenCV创建的窗口。

5. 命名窗口

cv::namedWindow：用于创建窗口并指定窗口类型。函数原型为void cv::namedWindow(const String& winname, int flags = WINDOW_AUTOSIZE)。winname是窗口名称，flags用于指定窗口类型，如WINDOW_AUTOSIZE表示窗口大小自动调整。

三、图像处理模块

1. 色彩空间转换

cv::cvtColor：用于图像的色彩空间转换。其原型为void cv::cvtColor(InputArray src, OutputArray dst, int code, int dstCn = 0)。其中，src是输入图像，dst是输出图像，code是转换代码，如COLOR_BGR2GRAY表示将BGR图像转换为灰度图像。

2. 图像写入

cv::imwrite：用于将图像写入文件。函数原型为bool cv::imwrite(const String& filename, InputArray img, const std::vector<int>& params = std::vector<int>())。filename是输出文件的路径，img是要写入的图像数据。

3. 图像变换

cv::resize：用于改变图像的大小。支持多种插值方法，如线性插值、立方插值等。
cv::warpAffine和cv::warpPerspective：分别用于图像的仿射变换和透视变换。

4. 图像滤波

cv::blur和cv::GaussianBlur：分别用于图像的均值模糊和高斯模糊。

四、绘图与交互

1. 绘制基本图形

cv::line：用于绘制直线。其原型为void cv::line(InputOutputArray img, Point pt1, Point pt2, const Scalar& color, int thickness = 1, int lineType = LINE_8, int shift = 0)。其中，img是绘制图形的载体，pt1和pt2是线段的起点和终点，color是线条的颜色，thickness是线条的粗细。
cv::rectangle：用于绘制矩形。其原型为void cv::rectangle(InputOutputArray img, Point pt1, Point pt2, const Scalar& color, int thickness = 1, int lineType = LINE_8, int shift = 0)。其中，pt1和pt2分别是矩形的左上顶点和右下顶点。
cv::circle：用于绘制圆形。其原型为void cv::circle(InputOutputArray img, Point center, int radius, const Scalar& color, int thickness = 1, int lineType = LINE_8, int shift = 0)。其中，center是圆心的坐标，radius是圆的半径。
cv::ellipse：用于绘制椭圆。其原型为void cv::ellipse(InputOutputArray img, Point center, Size axes, double angle, double startAngle, double endAngle, const Scalar& color, int thickness = 1, int lineType = LINE_8, int shift = 0)。其中，center是椭圆的圆心坐标，axes是椭圆的长轴和短轴的长度，angle是椭圆的旋转角度。
cv::polylines：用于绘制多边形。其原型为void cv::polylines(InputOutputArray img, InputArrayOfArrays pts, bool isClosed, const Scalar& color, int thickness = 1, int lineType = LINE_8, int shift = 0)。其中，pts是多边形的顶点坐标，isClosed表示多边形是否闭合。

2. 文本绘制

cv::putText：用于在图像上绘制文本。其原型为void cv::putText(InputOutputArray img, const String& text, Point org, int fontFace, double fontScale, const Scalar& color, int thickness = 1, int lineType = LINE_8, bool bottomLeftOrigin = false)。其中，img是绘制文本的图像，text是要绘制的文本字符串，org是文本左下角的坐标（如果bottomLeftOrigin为false，则为左下角的坐标，否则为基线的起点），fontFace是字体的类型，fontScale是字体大小的缩放比例，color是文本的颜色，thickness是文本的线条粗细。

3. 鼠标与键盘事件

OpenCV提供了创建窗口并响应鼠标和键盘事件的功能，这在交互式应用中非常有用。你可以使用cv::namedWindow来创建一个窗口，然后使用cv::setMouseCallback和cv::setKeyboardCallback来分别设置鼠标和键盘的回调函数。

cv::namedWindow：创建一个窗口。
cv::setMouseCallback：为指定的窗口设置鼠标回调函数。
cv::setKeyboardCallback：为指定的窗口设置键盘回调函数。

4. 示例：在图像上绘制并响应鼠标事件

#include <opencv2/opencv.hpp>  
  
void onm ouse(int event, int x, int y, int flags, void* param) {  
    cv::Mat* image = (cv::Mat*)param;  
    if (event == cv::EVENT_LBUTTONDOWN) {  
        cv::circle(*image, cv::Point(x, y), 5, cv::Scalar(0, 255, 0), -1);  
    }  
}  
  
int main() {  
    cv::Mat image = cv::imread("path_to_image.jpg");  
    if (image.empty()) {  
        std::cerr << "Could not read the image" << std::endl;  
        return 1;  
    }  
  
    cv::namedWindow("Image Window", cv::WINDOW_AUTOSIZE);  
    cv::setMouseCallback("Image Window", onm ouse, &image);  
  
    while (true) {  
        cv::imshow("Image Window", image);  
        if (cv::waitKey(20) >= 0) break;  
    }  
  
    return 0;  
}

在这个示例中，我们创建了一个窗口并在其中显示一张图像。通过cv::setMouseCallback设置了一个鼠标回调函数onMouse，该函数会在鼠标左键点击时在图像上绘制一个绿色的圆点。

五、结论

OpenCV提供了丰富的API用于图像处理、图像分析以及绘图等任务。通过本文的介绍，你应该对OpenCV中常见的API以及绘图相关的知识有了更深入的了解。希望这些信息能够帮助你在实际的项目中更加高效地利用OpenCV。

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