OpenCV图像像素操作及效率分析

        学习OpenCV也几个月了，虽然对OpenCV有些了解，但是感觉基础还是没打实，在这在介绍一下OpenCV的像素操作，以及OpenCV读取图像的格式和读取图像的效率分析。当然文章也有很多没有介绍到的地方，希望大家多多指教，相互交流。

        在计算机视觉应用中，对于图像内容的读取分析是第一步，所以学习高效的处理图像是很有用的。一个图像有可能包含数以万计的像素，从根本上说图像就是一系列像素值，所以OpenCV使用数据结构cv::Mat来表示图像。矩阵中每一个元素都代表一个像素，对于灰度图像，像素用8位无符号数，0表示黑色，255表示白色。对于彩色像素而言，每个像素需要三位这样的8位无符号数来表示，即三个通道（R,G,B），矩阵则依次存储一个像素的三个通道的值，然后再存储下一个像素点。

       cv::Mat中，成员变量cols代表图像的宽度（图像的列数），成员变量rows代表图像的高度（图像的行数），step代表以字节为单位的图像的有效宽度，elemSize返回像素的大小，像素的大小 = 颜色大小（字节）*通道数，比如三通道short型矩阵（CV_16SC3）的大小为2*3 = 6，像素的channels方法返回图像的通道数，total函数返回图像的像素数。

       闲话少说直接介绍几种读取方式：

       RGB图像的颜色数目是256*256*256，本文对图像进行量化，缩减颜色数目到256的1/8（即32*32*32）为目标，分别利用一下几种方法实现，比较几种方法的安全和效率。

       1.ptr遍历图像

       cv::Mat中提供ptr函数访问任意一行像素的首地址，特别方便图像的一行一行的横向访问，如果需要一列一列的纵向访问图像，就稍微麻烦一点。但是ptr访问效率比较高，程序也比较安全，有越界判断。

      int nl= image.rows; //行数      int nc= image.cols * image.channels(); // 每行的元素个数，每行的像素数*颜色通道数（RGB = 3）                    for (int j=0; j<nl; j++) {          uchar* data= image.ptr<uchar>(j);          for (int i=0; i<nc; i++) {             // process each pixel ---------------------                             data[i]= data[i]/div*div + div/2;            // end of pixel processing ----------------          } // end of line                         }

    也可以使用：

      for (int j=0; j<nl; j++) {  uchar* data= image.ptr<uchar>(j);          for (int i=0; i<nc; i++) {            // process each pixel ---------------------               *data++= *data/div*div + div/2;            // end of pixel processing ----------------            } // end of line                         }

   

2.使用迭代器遍历图像

     cv::Mat 同样有标准模板库（STL），可以使用迭代器访问数据。

     用迭代器来遍历图像像素，可简化过程降低出错的机会，比较安全，不过效率较低；如果想避免修改输入图像实例cv::Mat，可采用const_iterator。iterator有两种调用方法，cv::MatIterator_<cv::Vec3b> it;cv::Mat_<cv::Vec3b>::iterator it;中间cv::Vec3b是因为图像是彩色图像，3通道，cv::Vec3b可以代表一个像素。

// get iterators  cv::Mat_<cv::Vec3b>::iterator it= image.begin<cv::Vec3b>();  cv::Mat_<cv::Vec3b>::iterator itend= image.end<cv::Vec3b>();  for ( ; it!= itend; ++it) {        // process each pixel ---------------------        (*it)[0]= (*it)[0]/div*div + div/2;        (*it)[1]= (*it)[1]/div*div + div/2;        (*it)[2]= (*it)[2]/div*div + div/2;        // end of pixel processing ----------------  }

 3.at方法遍历

      cv::Mat也是向量，可以使at方法取值，使用调用方法image.at<cv::Vec3b>(j,i)，at方法方便，直接给i，j赋值就可以随意访问图像中任何一个像素，其中j表示第j行，i表示该行第i个像素。但是at方法效率是这3中访问方法中最慢的一个，所以如果遍历图像或者访问像素比较多时，建议不要使用这个方法，毕竟程序的效率还是比程序的可读性要重要的。下面是完整的调用方法，其运行时间在下面会介绍。

  int nl= image.rows; // number of lines  int nc= image.cols; // number of columns                    for (int j=0; j<nl; j++) {          for (int i=0; i<nc; i++) {             // process each pixel ---------------------                                   image.at<cv::Vec3b>(j,i)[0]= image.at<cv::Vec3b>(j,i)[0]/div*div + div/2;                  image.at<cv::Vec3b>(j,i)[1]= image.at<cv::Vec3b>(j,i)[1]/div*div + div/2;                  image.at<cv::Vec3b>(j,i)[2]= image.at<cv::Vec3b>(j,i)[2]/div*div + div/2;             // end of pixel processing ----------------             } // end of line                         }

  4.row（i），col(i)

       cv::Mat提供image.row(i)，和image.col(j)对图像整行和整列进行处理，处理比较方便，因为很少遇到，所以就没有进行效率比较

  程序代码如下（三通道）：

result.row(0).setTo(cv::Scalar(0,0,0));//将第一行数据设为零result.row(result.rows-1).setTo(cv::Scalar(0,0,0));//将最后一行数据设置为零result.col(0).setTo(cv::Scalar(0,0,0));//将第一列数据设为零result.col(result.cols-1).setTo(cv::Scalar(0,0,0));//将最后一列数据设为零

5.高效率图像遍历循环

       对于迭代的for循环，外面一层的循环次数越少速度越快，同样是cols*rows*channels()次循环，使用nc = cols，nl = rows*channels()，与使用nc = cols*rows*channels，nl = 1，以及nc = cols，nl = rows，for函数最里层运行三次颜色的处理。这三种方法最快的是第二种，第三种其次，最慢的是第一种. 

  int nl= image.rows; // number of lines  int nc= image.cols * image.channels(); // total number of elements per line  if (image.isContinuous())  {  // then no padded pixels  nc= nc*nl;   nl= 1;  // it is now a 1D array   }  int n= static_cast<int>(log(static_cast<double>(div))/log(2.0));  // mask used to round the pixel value  uchar mask= 0xFF<<n; // e.g. for div=16, mask= 0xF0                    for (int j=0; j<nl; j++) {  uchar* data= image.ptr<uchar>(j);          for (int i=0; i<nc; i++) {             // process each pixel ---------------------                             *data++= *data&mask + div/2;             // end of pixel processing ----------------             } // end of line                         }

   6.位运算代替乘法和除法

          int nl= image.rows; // number of lines  int nc= image.cols * image.channels(); // total number of elements per line  int n= static_cast<int>(log(static_cast<double>(div))/log(2.0));  // mask used to round the pixel value  uchar mask= 0xFF<<n; // e.g. for div=16, mask= 0xF0                    for (int j=0; j<nl; j++) {  uchar* data= image.ptr<uchar>(j);          for (int i=0; i<nc; i++) {             // process each pixel ---------------------                             *data++= *data&mask + div/2;             // end of pixel processing ----------------             } // end of line                         }

运行时间比较，以测试图片为例，（Debug模式下的时间）

   ptr函数的两种方法的时间：
                using .ptr and [] =3.50202ms
                using .ptr and * ++ =3.26124ms
   迭代器方法：
              using Mat_ iterator =143.06ms
   at方法的运行时间：
             using at =252.779ms
   高效率迭代方法:
            using .ptr and * ++ and bitwise (continuous) =2.68335ms
   位运算方法：

            using .ptr and * ++ and bitwise =2.59823ms

还有一些比较的函数方法，现在只给出运行时间：
         using .ptr and * ++ and modulo =3.78029ms
         using .ptr and * ++ and bitwise =2.59823ms
         using direct pointer arithmetic =2.57317ms
         using .ptr and * ++ and bitwise with image.cols * image.channels() =22.864ms
         using Mat_ iterator and bitwise =139.92ms
         using MatIterator_ =185.996ms
        using .ptr and * ++ and bitwise (continuous+channels) =2.11271ms
         using input/output images =2.97717ms
         using overloaded operators =2.7237ms

源图像：

量化处理结果 image1：

量化处理后的结果 image2：