CvMat、IplImage和Mat之间的相互转换

本文为转载，原文出处：[http://blog.sina.com.cn/s/blog_534497fd01015k7z.html]
opencv中常见的与图像操作有关的数据容器有Mat，cvMat和IplImage，这三种类型都可以代表和显示图像，但是，Mat类型侧重于计算，数学性较高，openCV对Mat类型的计算也进行了优化。而CvMat和IplImage类型更侧重于“图像”，opencv对其中的图像操作（缩放、单通道提取、图像阈值操作等）进行了优化。在opencv2.0之前，opencv是完全用C实现的，但是，IplImage类型与CvMat类型的关系类似于面向对象中的继承关系。实际上，CvMat之上还有一个更抽象的基类—-CvArr，这在源代码中会常见。
1. IplImage
opencv中的图像信息头，该结构体定义：

typedef struct _IplImage 
{ 
 int nSize; 
 int ID; 
 int nChannels; 
 int alphaChannel; 
 int depth; 

 char colorModel[4]; 
 char channelSeq[4]; 
 int dataOrder; 
 int origin; 
 int align; 

 int width; 
 int height; 

 struct _IplROI *roi; 
 struct _IplImage *maskROI; 
 void *imageId; 
 struct _IplTileInfo *tileInfo; 

 int imageSize; 
 char *imageData; 
 int widthStep; 
 int BorderMode[4]; 
 int BorderConst[4]; 

 char *imageDataOrigin;  
} IplImage;

dataOrder中的两个取值：交叉存取颜色通道是颜色数据排列将会是BGRBGR…的交错排列。分开的颜色通道是有几个颜色通道就分几个颜色平面存储。roi是IplROI结构体，该结构体包含了xOffset,yOffset,height,width,coi成员变量，其中xOffset,yOffset是x,y坐标，coi代表channel of interest(感兴趣的通道)，非0的时候才有效。访问图像中的数据元素，分间接存储和直接存储，当图像元素为浮点型时，(uchar ) 改为 (float )：

IplImage* img = cvLoadImage("lena.jpg", 1);
CvScalar s; 
s = cvGet2D(img,i,j); 
cvSet2D(img,i,j,s); 


IplImage* img; //malloc memory by cvLoadImage or cvCreateImage
for(int row = 0; row <　img->height; row++){
     for (int col = 0; col < img->width; col++){
        b = CV_IMAGE_ELEM(img, UCHAR, row, col * img->nChannels + 0); 
        g = CV_IMAGE_ELEM(img, UCHAR, row, col * img->nChannels + 1); 
        r = CV_IMAGE_ELEM(img, UCHAR, row, col * img->nChannels + 2);
    }
}


IplImage* img; //malloc memory by cvLoadImage or cvCreateImage
uchar b, g, r; // 3 channels
for(int row = 0; row <　img->height; row++){
    for (int col = 0; col < img->width; col++){
        b = ((uchar *)(img->imageData + row * img->widthStep))[col * img->nChannels + 0]; 
        g = ((uchar *)(img->imageData + row * img->widthStep))[col * img->nChannels + 1]; 
        r = ((uchar *)(img->imageData + row * img->widthStep))[col * img->nChannels + 2];
    }
}

初始化使用IplImage *，是一个指向结构体IplImage的指针：

IplImage * cvLoadImage(const char * filename, int iscolor CV_DEFAULT(CV_LOAD_IMAGE_COLOR)); //load images from specified image 
IplImage * cvCreateImage(CvSize size, int depth, int channels); //allocate memory

2.CvMat
首先，我们需要知道，第一，在OpenCV中没有向量(vector)结构。任何时候需要向量，都只需要一个列矩阵(如果需要一个转置或者共轭向量，则需要一个行矩阵)。第二，OpenCV矩阵的概念与我们在线性代数课上学习的概念相比，更抽象，尤其是矩阵的元素，并非只能取简单的数值类型，可以是多通道的值。CvMat 的结构：

typedef struct CvMat 
{ 
    int type; 
    int step; 
    int* refcount; 
    union {
        uchar* ptr;
        short* s;
        int* i;
        float* fl;
        double* db;
    } data; 
    union {
        int rows;
        int height;
    };
    union {
        int cols; 
        int width;
    };
} CvMat;  

创建CvMat数据：

CvMat * cvCreateMat(int rows, int cols, int type); 
CV_INLine CvMat cvMat((int rows, int cols, int type, void* data CV_DEFAULT); 
CvMat * cvInitMatHeader(CvMat * mat, int rows, int cols, int type, void * data CV_DEFAULT(NULL), int step CV_DEFAULT(CV_AUTOSTEP));  

对矩阵数据进行访问：

cvmSet( CvMat* mat, int row, int col, double value);
cvmGet( const CvMat* mat, int row, int col );


CvScalar cvGet2D(const CvArr * arr, int idx0, int idx1); //CvArr只作为函数的形参void cvSet2D(CvArr* arr, int idx0, int idx1, CvScalar value);



CvMat * cvmat = cvCreateMat(4, 4, CV_32FC1);
cvmat->data.fl[row * cvmat->cols + col] = (float)3.0;


CvMat * cvmat = cvCreateMat(4, 4, CV_64FC1);
cvmat->data.db[row * cvmat->cols + col] = 3.0;

CvMat * cvmat = cvCreateMat(4, 4, CV_64FC1);
CV_MAT_ELEM(*cvmat, double, row, col) = 3.0;  

if (CV_MAT_DEPTH(cvmat->type) == CV_32F)
    CV_MAT_ELEM_CN(*cvmat, float, row, col * CV_MAT_CN(cvmat->type) + ch) = (float)3.0; // ch为通道值
if (CV_MAT_DEPTH(cvmat->type) == CV_64F)
    CV_MAT_ELEM_CN(*cvmat, double, row, col * CV_MAT_CN(cvmat->type) + ch) = 3.0; // ch为通道值



for (int row = 0; row < cvmat->rows; row++){ 
    p = cvmat ->data.fl + row * (cvmat->step / 4);
    for (int col = 0; col < cvmat->cols; col++) { 
        *p = (float) row + col; 
        *(p+1) = (float)row + col + 1; 
        *(p+2) = (float)row + col + 2; 
        p += 3; 
    }
}

CvMat * vector = cvCreateMat(1,3,CV_32SC2);
CV_MAT_ELEM(*vector, CvPoint, 0, 0) = cvPoint(100,100);

CvMat * vector = cvCreateMat(1,3,CV_64FC4);
CV_MAT_ELEM(*vector, CvScalar, 0, 0) = CvScalar(0, 0, 0, 0);

复制矩阵操作：

CvMat* M1 = cvCreateMat(4,4,CV_32FC1); CvMat* M2; M2 = cvCloneMat(M1);

3.Mat
Mat是opencv2.0推出的处理图像的新的数据结构，现在越来越有趋势取代之前的cvMat和lplImage，相比之下Mat最大的好处就是能够更加方便的进行内存管理，不再需要程序员手动管理内存的释放。opencv2.3中提到Mat是一个多维的密集数据数组，可以用来处理向量和矩阵、图像、直方图等等常见的多维数据。

class CV_EXPORTS Mat
{
public：
    int flags;（Note ：目前还不知道flags做什么用的）
    int dims; 
    int rows,cols; 
    uchar *data; 
    int * refcount;  
    ...
};

从以上结构体可以看出Mat也是一个矩阵头，默认不分配内存，只是指向一块内存(注意读写保护)。初始化使用create函数或者Mat构造函数，以下整理自opencv2.3.1 Manual:

Mat(nrows, ncols, type, fillValue]); 
M.create(nrows, ncols, type);

例子：

Mat M(7,7,CV_32FC2,Scalar(1,3)); 
M.create(100, 60, CV_8UC(15));  

int sz[] = {100, 100, 100}; 
Mat bigCube(3, sz, CV_8U, Scalar:all(0));

double m[3][3] = {{a, b, c}, {d, e, f}, {g, h, i}};
Mat M = Mat(3, 3, CV_64F, m).inv();

Mat img(Size(320,240),CV_8UC3); 
Mat img(height, width, CV_8UC3, pixels, step);  

IplImage* img = cvLoadImage("greatwave.jpg", 1);
Mat mtx(img,0); // convert IplImage* -> Mat;  

访问Mat的数据元素：

Mat M;
M.row(3) = M.row(3) + M.row(5) * 3; 


Mat M1 = M.col(1);
M.col(7).copyTo(M1); 


Mat M;
M.at<double>(i,j); 
M.at(uchar)(i,j); 
Vec3i bgr1 = M.at(Vec3b)(i,j) 
Vec3s bgr2 = M.at(Vec3s)(i,j) 
Vec3w bgr3 = M.at(Vec3w)(i,j) 


double sum = 0.0f;
for(int row = 0; row < M.rows; row++){ 
    const double * Mi = M.ptr<double>(row); 
    for (int col = 0; col < M.cols; col++) 
        sum += std::max(Mi[j], 0.);
}
double sum=0;
MatConstIterator<double> it = M.begin<double>(), it_end = M.end<double>();
for(; it != it_end; ++it) 
    sum += std::max(*it, 0.);

Mat可进行Matlab风格的矩阵操作，如初始化的时候可以用initializers,zeros(), ones(), eye(). 除以上内容之外，Mat还有有3个重要的方法：

Mat mat = imread(const String* filename); // 读取图像
imshow(const string frameName, InputArray mat); // 显示图像
imwrite (const string& filename, InputArray img); //储存图像

4.CvMat, Mat, IplImage之间的互相转换
IpIImage -> CvMat:

CvMat matheader;
CvMat * mat = cvGetMat(img, &matheader);

CvMat * mat = cvCreateMat(img->height, img->width, CV_64FC3);
cvConvert(img, mat)

IplImage -> Mat
Mat::Mat(const IplImage* img, bool copyData=false);

例子：

IplImage* iplImg = cvLoadImage("greatwave.jpg", 1);
Mat mtx(iplImg);  

Mat -> IplImage:

Mat M; IplImage iplimage = M;

CvMat -> Mat:

Mat::Mat(const CvMat* m, bool copyData=false);

Mat -> CvMat
例子(假设Mat类型的imgMat图像数据存在)：

CvMat cvMat = imgMat;/*Mat -> CvMat, 类似转换到IplImage，不复制数据只创建矩阵头 

一、Mat类型：矩阵类型，Matrix。
在openCV中，Mat是一个多维的密集数据数组。可以用来处理向量和矩阵、图像、直方图等等常见的多维数据。
Mat有3个重要的方法：

Mat mat = imread(const String* filename);//读取图像
imshow(const string frameName, InputArray mat);//显示图像
imwrite (const string& filename, InputArray img); //储存图像

Mat类型较CvMat与IplImage类型来说，有更强的矩阵运算能力，支持常见的矩阵运算。在计算密集型的应用当中，将CvMat与IplImage类型转化为Mat类型将大大减少计算时间花费。
A.Mat -> IplImage
同样只是创建图像头，而没有复制数据。例：

// 假设Mat类型的imgMat图像数据存在 IplImage pImg= IplImage(imgMat); 

B.Mat -> CvMat
与IplImage的转换类似，不复制数据，只创建矩阵头。例：

CvMat cvMat = imgMat;

二、CvMat类型与IplImage类型：“图像”类型
在openCV中，Mat类型与CvMat和IplImage类型都可以代表和显示图像，但是，Mat类型侧重于计算，数学性较高，openCV对Mat类型的计算也进行了优化。而CvMat和IplImage类型更侧重于“图像”，openCV对其中的图像操作（缩放、单通道提取、图像阈值操作等）进行了优化。
补充：IplImage由CvMat派生，而CvMat由CvArr派生即CvArr -> CvMat -> IplImage
CvArr用作函数的参数，无论传入的是CvMat或IplImage，内部都是按CvMat处理。
1.CvMat
A.CvMat-> IplImage

IplImage* img = cvCreateImage(cvGetSize(mat),8,1);
cvGetImage(matI,img);
cvSaveImage("rice1.bmp",img);

B.CvMat->Mat
与IplImage的转换类似，可以选择是否复制数据。

Mat::Mat(const CvMat* m, bool copyData=false);

在openCV中，没有向量（vector）的数据结构。任何时候，但我们要表示向量时，用矩阵数据表示即可。
但是，CvMat类型与我们在线性代数课程上学的向量概念相比，更抽象，比如CvMat的元素数据类型并不仅限于基础数据类型，比如，下面创建一个二维数据矩阵：

CvMat* cvCreatMat(int rows ,int cols , int type);

这里的type可以是任意的预定义数据类型，比如RGB或者别的多通道数据。这样我们便可以在一个CvMat矩阵上表示丰富多彩的图像了。
2.IplImage
在类型关系上，我们可以说IplImage类型继承自CvMat类型，当然还包括其他的变量将之解析成图像数据。
IplImage类型较之CvMat多了很多参数，比如depth和nChannels。在普通的矩阵类型当中，通常深度和通道数被同时表示，如用32位表示RGB+Alpha.但是，在图像处理中，我们往往将深度与通道数分开处理，这样做是OpenCV对图像表示的一种优化方案。
IplImage的对图像的另一种优化是变量origin—-原点。在计算机视觉处理上，一个重要的不便是对原点的定义不清楚，图像来源，编码格式，甚至操作系统都会对原地的选取产生影响。为了弥补这一点，openCV允许用户定义自己的原点设置。取值0表示原点位于图片左上角，1表示左下角。
dataOrder参数定义数据的格式。有IPL_DATA_ORDER_PIXEL和IPL_DATA_ORDER_PLANE两种取值，前者便是对于像素，不同的通道的数据交叉排列，后者表示所有通道按顺序平行排列。
IplImage类型的所有额外变量都是对“图像”的表示与计算能力的优化。
A.IplImage -> Mat

IplImage* pImg = cvLoadImage("lena.jpg");
Mat img(pImg,0); 

B.IplImage -> CvMat

CvMat mathdr, *mat = cvGetMat( img, &mathdr );//方法一
CvMat *mat = cvCreateMat( img->height, img->width, CV_64FC3 );//方法二
cvConvert( img, mat );

C.IplImage*-> BYTE*

BYTE* data= img->imageData;

CvMat和IplImage创建时的一个小区别：
1、建立矩阵时，第一个参数为行数，第二个参数为列数。

CvMat* cvCreateMat( int rows, int cols, int type );

2、建立图像时，CvSize第一个参数为宽度，即列数；第二个参数为高度，即行数。这 个和CvMat矩阵正好相反。

IplImage* cvCreateImage(CvSize size, int depth, int channels );
CvSize cvSize( int width, int height );

IplImage内部buffer每行是按4字节对齐的，CvMat没有这个限制。
补充：A.BYTE*-> IplImage*

img= cvCreateImageHeader(cvSize(width,height),depth,channels);
cvSetData(img,data,step);

首先由cvCreateImageHeader()创建IplImage图像头，制定图像的尺寸，深度和通道数；然后由cvSetData()根据BYTE*图像数据指针设置IplImage图像头的数据数据，其中step指定该IplImage图像每行占的字节数，对于1通道的IPL_DEPTH_8U图像，step可以等于width。