【OpenCV矩阵结构体】CvMat的操作

• 综述:
  • OpenCV有针对矩阵操作的C语言函数. 许多其他方法提供了更加方便的C++接口，其效率与OpenCV一样.
  • OpenCV将向量作为1维矩阵处理.
  • 矩阵按行存储，每行有4字节的校整.

• 分配矩阵空间:

  CvMat* cvCreateMat(int rows, int cols, int type);
  
      type: 矩阵元素类型. 格式为CV_<bit_depth>(S|U|F)C<number_of_channels>.  
      例如: CV_8UC1 表示8位无符号单通道矩阵, CV_32SC2表示32位有符号双通道矩阵.
  
      例程:
      CvMat* M = cvCreateMat(4,4,CV_32FC1);

• 释放矩阵空间:

  CvMat* M = cvCreateMat(4,4,CV_32FC1);
  cvReleaseMat(&M);

• 复制矩阵:

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

• 初始化矩阵:

  double a[] = { 1,    2,    3,    4,
                   5,    6,    7,    8,
                   9, 10, 11, 12 };
  
  CvMat Ma=cvMat(3, 4, CV_64FC1, a);

  另一种方法:

  CvMat Ma;
  cvInitMatHeader(&Ma, 3, 4, CV_64FC1, a);

• 初始化矩阵为单位阵:

  CvMat* M = cvCreateMat(4,4,CV_32FC1);
  cvSetIdentity(M); // 这里似乎有问题，不成功

存取矩阵元素

• 假设需要存取一个2维浮点矩阵的第(i,j)个元素.

• 间接存取矩阵元素:

  cvmSet(M,i,j,2.0); // Set M(i,j)
  t = cvmGet(M,i,j); // Get M(i,j)

• 直接存取，假设使用4-字节校正:

  CvMat* M      = cvCreateMat(4,4,CV_32FC1);
  int n         = M->cols;
  float *data = M->data.fl;
  
  data[i*n+j] = 3.0;

• 直接存取，校正字节任意:

  CvMat* M      = cvCreateMat(4,4,CV_32FC1);
  int     step    = M->step/sizeof(float);
  float *data = M->data.fl;
  
  (data+i*step)[j] = 3.0;

• 直接存取一个初始化的矩阵元素:

  double a[16];
  CvMat Ma = cvMat(3, 4, CV_64FC1, a);
  a[i*4+j] = 2.0; // Ma(i,j)=2.0;

矩阵/向量操作

• 矩阵-矩阵操作:

  CvMat *Ma, *Mb, *Mc;
  cvAdd(Ma, Mb, Mc);        // Ma+Mb     -> Mc
  cvSub(Ma, Mb, Mc);        // Ma-Mb     -> Mc
  cvMatMul(Ma, Mb, Mc);     // Ma*Mb     -> Mc

• 按元素的矩阵操作:

  CvMat *Ma, *Mb, *Mc;
  cvMul(Ma, Mb, Mc);        // Ma.*Mb    -> Mc
  cvDiv(Ma, Mb, Mc);        // Ma./Mb    -> Mc
  cvAddS(Ma, cvScalar(-10.0), Mc); // Ma.-10 -> Mc

• 向量乘积:

  double va[] = {1, 2, 3};
  double vb[] = {0, 0, 1};
  double vc[3];
  
  CvMat Va=cvMat(3, 1, CV_64FC1, va);
  CvMat Vb=cvMat(3, 1, CV_64FC1, vb);
  CvMat Vc=cvMat(3, 1, CV_64FC1, vc);
  
  double res=cvDotProduct(&Va,&Vb); // 点乘:     Va . Vb -> res
  cvCrossProduct(&Va, &Vb, &Vc);      // 向量积: Va x Vb -> Vc
  end{verbatim}

  注意 Va, Vb, Vc 在向量积中向量元素个数须相同.

• 单矩阵操作:

  CvMat *Ma, *Mb;
  cvTranspose(Ma, Mb);        // transpose(Ma) -> Mb (不能对自身进行转置)
  CvScalar t = cvTrace(Ma); // trace(Ma) -> t.val[0] 
  double d = cvDet(Ma);       // det(Ma) -> d
  cvInvert(Ma, Mb);           // inv(Ma) -> Mb

• 非齐次线性系统求解:

  CvMat* A    = cvCreateMat(3,3,CV_32FC1);
  CvMat* x    = cvCreateMat(3,1,CV_32FC1);
  CvMat* b    = cvCreateMat(3,1,CV_32FC1);
  cvSolve(&A, &b, &x);      // solve (Ax=b) for x

• 特征值分析(针对对称矩阵):

  CvMat* A    = cvCreateMat(3,3,CV_32FC1);
  CvMat* E    = cvCreateMat(3,3,CV_32FC1);
  CvMat* l    = cvCreateMat(3,1,CV_32FC1);
  cvEigenVV(&A, &E, &l);    // l = A的特征值 (降序排列)
                            // E = 对应的特征向量 (每行)

• 奇异值分解SVD:

  CvMat* A    = cvCreateMat(3,3,CV_32FC1);
  CvMat* U    = cvCreateMat(3,3,CV_32FC1);
  CvMat* D    = cvCreateMat(3,3,CV_32FC1);
  CvMat* V    = cvCreateMat(3,3,CV_32FC1);
  cvSVD(A, D, U, V, CV_SVD_U_T|CV_SVD_V_T); // A = U D V^T

  标号使得 U 和 V 返回时被转置(若没有转置标号，则有问题不成功!!!).

视频序列操作

从视频序列中抓取一帧

• OpenCV支持从摄像头或视频文件(AVI)中抓取图像.

• 从摄像头获取初始化:

  CvCapture* capture = cvCaptureFromCAM(0); // capture from video device #0

• 从视频文件获取初始化:

  CvCapture* capture = cvCaptureFromAVI("infile.avi");

• 抓取帧:

  IplImage* img = 0; 
  if(!cvGrabFrame(capture)){                // 抓取一帧 
      printf("Could not grab a frame\n\7");
      exit(0);
  }
  img=cvRetrieveFrame(capture);             // 恢复获取的帧图像

  要从多个摄像头同时获取图像, 首先从每个摄像头抓取一帧. 在抓取动作都结束后再恢复帧图像.  

• 释放抓取源:

  cvReleaseCapture(&capture);

  注意由设备抓取的图像是由capture函数自动分配和释放的. 不要试图自己释放它.

获取/设定帧信息

• 获取设备特性:

  cvQueryFrame(capture); // this call is necessary to get correct 
                           // capture properties
  int frameH      = (int) cvGetCaptureProperty(capture, CV_CAP_PROP_FRAME_HEIGHT);
  int frameW      = (int) cvGetCaptureProperty(capture, CV_CAP_PROP_FRAME_WIDTH);
  int fps         = (int) cvGetCaptureProperty(capture, CV_CAP_PROP_FPS);
  int numFrames = (int) cvGetCaptureProperty(capture,    CV_CAP_PROP_FRAME_COUNT);

  所有帧数似乎只与视频文件有关. 用摄像头时不对，奇怪!!!.

• 获取帧信息:

  float posMsec     =         cvGetCaptureProperty(capture, CV_CAP_PROP_POS_MSEC);
  int posFrames     = (int) cvGetCaptureProperty(capture, CV_CAP_PROP_POS_FRAMES);
  float posRatio    =         cvGetCaptureProperty(capture, CV_CAP_PROP_POS_AVI_RATIO);

  获取所抓取帧在视频序列中的位置, 从首帧开始按[毫秒]算. 或者从首帧开始从0标号, 获取所抓取帧的标号. 或者取相对位置，首帧为0，末帧为1, 只对视频文件有效.

• 设定所抓取的第一帧标号:

  // 从视频文件相对位置0.9处开始抓取
  cvSetCaptureProperty(capture, CV_CAP_PROP_POS_AVI_RATIO, (double)0.9);

  只对从视频文件抓取有效. 不过似乎也不成功!!!

存储视频文件

• 初始化视频存储器:

  CvVideoWriter *writer = 0;
  int isColor = 1;
  int fps       = 25;    // or 30
  int frameW    = 640; // 744 for firewire cameras
  int frameH    = 480; // 480 for firewire cameras
  writer=cvCreateVideoWriter("out.avi",CV_FOURCC('P','I','M','1'),
                               fps,cvSize(frameW,frameH),isColor);

  其他有效编码:

  CV_FOURCC('P','I','M','1')      = MPEG-1 codec
  CV_FOURCC('M','J','P','G')      = motion-jpeg codec (does not work well)
  CV_FOURCC('M', 'P', '4', '2') = MPEG-4.2 codec
  CV_FOURCC('D', 'I', 'V', '3') = MPEG-4.3 codec
  CV_FOURCC('D', 'I', 'V', 'X') = MPEG-4 codec
  CV_FOURCC('U', '2', '6', '3') = H263 codec
  CV_FOURCC('I', '2', '6', '3') = H263I codec
  CV_FOURCC('F', 'L', 'V', '1') = FLV1 codec

  若把视频编码设为-1则将打开一个编码选择窗口(windows系统下).

• 存储视频文件:

  IplImage* img = 0; 
  int nFrames = 50;
  for(i=0;i<nFrames;i++){
      cvGrabFrame(capture);            // 抓取帧
      img=cvRetrieveFrame(capture);    // 恢复图像
      cvWriteFrame(writer,img);        // 将帧添加入视频文件
  }

  若想在抓取中查看抓取图像, 可在循环中加入下列代码:

  cvShowImage("mainWin", img); 
  key=cvWaitKey(20);             // wait 20 ms

  若没有20[毫秒]延迟，将无法正确显示视频序列.

• 释放视频存储器:

  cvReleaseVideoWriter(&writer);