OpenCV 之ios直方图计算
目标
本文档尝试解答如下问题:
什么是直方图?
- 直方图是对数据的集合 统计 ，并将统计结果分布于一系列预定义的 bins 中。
- 这里的 数据 不仅仅指的是灰度值 (如上一篇您所看到的)， 统计数据可能是任何能有效描述图像的特征。
- 先看一个例子吧。 假设有一个矩阵包含一张图像的信息 (灰度值0-255 ):
- 如果我们按照某种方式去 统计 这些数字，会发生什么情况呢? 既然已知数字的 范围 包含 256 个值, 我们可以将这个范围分割成子区域(称作 bins)， 如:
然后再统计掉入每一个bini的像素数目。采用这一方法来统计上面的数字矩阵，我们可以得到下图( x轴表示 bin， y轴表示各个bin中的像素个数)。
-
以上只是一个说明直方图如何工作以及它的用处的简单示例。直方图可以统计的不仅仅是颜色灰度， 它可以统计任何图像特征 (如 梯度, 方向等等)。
-
让我们再来搞清楚直方图的一些具体细节:
- dims: 需要统计的特征的数目， 在上例中， dims = 1 因为我们仅仅统计了灰度值(灰度图像)。
- bins: 每个特征空间 子区段 的数目，在上例中, bins = 16
- range: 每个特征空间的取值范围，在上例中， range = [0,255]
-
怎样去统计两个特征呢? 在这种情况下， 直方图就是3维的了，x轴和y轴分别代表一个特征， z轴是掉入(binx,biny)组合中的样本数目。 同样的方法适用于更高维的情形 (当然会变得很复杂)。
OpenCV的直方图计算
OpenCV提供了一个简单的计算数组集(通常是图像或分割后的通道)的直方图函数 calcHist 。 支持高达 32 维的直方图。下面的代码演示了如何使用该函数计算直方图!
源码
#ifdef __cplusplus
#import <opencv2/opencv.hpp>
#import <opencv2/imgcodecs/ios.h>
#import <opencv2/imgproc.hpp>
#import <opencv2/highgui.hpp>
#import <opencv2/core/operations.hpp>
#import <opencv2/core/core_c.h>
using namespace cv;
using namespace std;
#endif
#import "ZFTCalculationViewController.h"
@interface ZFTCalculationViewController ()
@end
@implementation ZFTCalculationViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
Mat src, dst;
UIImage * src1Image = [UIImage imageNamed:@"env.jpg"];
src = [self cvMatFromUIImage:src1Image];
UIImageView *imageView;
imageView = [self createImageViewInRect:CGRectMake(0, 100, 150, 150)];
[self.view addSubview:imageView];
imageView.image = [self UIImageFromCVMat:src];
/// 转为灰度图
vector<Mat> rgb_planes;
split( src, rgb_planes );
/// 设定bin数目
int histSize = 255;
/// 设定取值范围 ( R,G,B) )
float range[] = { 0, 255 } ;
const float* histRange = { range };
bool uniform = true; bool accumulate = false;
Mat r_hist, g_hist, b_hist;
/// 计算直方图:
calcHist( &rgb_planes[0], 1, 0, Mat(), r_hist, 1, &histSize, &histRange, uniform, accumulate );
calcHist( &rgb_planes[1], 1, 0, Mat(), g_hist, 1, &histSize, &histRange, uniform, accumulate );
calcHist( &rgb_planes[2], 1, 0, Mat(), b_hist, 1, &histSize, &histRange, uniform, accumulate );
int hist_w = 400; int hist_h = 400;
int bin_w = cvRound( (double) hist_w/histSize );
Mat histImage( hist_w, hist_h, CV_8UC3, Scalar( 0,0,0) );
/// 将直方图归一化到范围 [ 0, histImage.rows ]
normalize(r_hist, r_hist, 0, histImage.rows, NORM_MINMAX, -1, Mat() );
normalize(g_hist, g_hist, 0, histImage.rows, NORM_MINMAX, -1, Mat() );
normalize(b_hist, b_hist, 0, histImage.rows, NORM_MINMAX, -1, Mat() );
/// 在直方图画布上画出直方图
for( int i = 1; i < histSize; i++ )
{
line( histImage, cv::Point( bin_w*(i-1), hist_h - cvRound(r_hist.at<float>(i-1)) ) ,
cv::Point( bin_w*(i), hist_h - cvRound(r_hist.at<float>(i)) ),
Scalar( 0, 0, 255), 2, 8, 0 );
line( histImage, cv::Point( bin_w*(i-1), hist_h - cvRound(g_hist.at<float>(i-1)) ) ,
cv::Point( bin_w*(i), hist_h - cvRound(g_hist.at<float>(i)) ),
Scalar( 0, 255, 0), 2, 8, 0 );
line( histImage, cv::Point( bin_w*(i-1), hist_h - cvRound(b_hist.at<float>(i-1)) ) ,
cv::Point( bin_w*(i), hist_h - cvRound(b_hist.at<float>(i)) ),
Scalar( 255, 0, 0), 2, 8, 0 );
}
imageView = [self createImageViewInRect:CGRectMake(0, 250, 150, 150)];
[self.view addSubview:imageView];
imageView.image = [self UIImageFromCVMat:histImage];
}
#pragma mark - private
//brg
- (cv::Mat)cvMatFromUIImage:(UIImage *)image
{
CGColorSpaceRef colorSpace =CGColorSpaceCreateDeviceRGB();
CGFloat cols = image.size.width;
CGFloat rows = image.size.height;
Mat cvMat(rows, cols, CV_8UC4); // 8 bits per component, 4 channels (color channels + alpha)
CGContextRef contextRef = CGBitmapContextCreate(cvMat.data, // Pointer to data
cols, // Width of bitmap
rows, // Height of bitmap
8, // Bits per component
cvMat.step[0], // Bytes per row
colorSpace, // Colorspace
kCGImageAlphaNoneSkipLast |
kCGBitmapByteOrderDefault); // Bitmap info flags
CGContextDrawImage(contextRef, CGRectMake(0, 0, cols, rows), image.CGImage);
CGContextRelease(contextRef);
Mat dst;
Mat src;
cvtColor(cvMat, dst, COLOR_RGBA2BGRA);
cvtColor(dst, src, COLOR_BGRA2BGR);
return src;
}
-(UIImage *)UIImageFromCVMat:(cv::Mat)cvMat
{
// mat 是brg 而 rgb
Mat src;
NSData *data=nil;
CGBitmapInfo info =kCGImageAlphaNone|kCGBitmapByteOrderDefault;
CGColorSpaceRef colorSpace;
if (cvMat.depth()!=CV_8U) {
Mat result;
cvMat.convertTo(result, CV_8U,255.0);
cvMat = result;
}
if (cvMat.elemSize() == 1) {
colorSpace = CGColorSpaceCreateDeviceGray();
data= [NSData dataWithBytes:cvMat.data length:cvMat.elemSize()*cvMat.total()];
} else if(cvMat.elemSize() == 3){
cvtColor(cvMat, src, COLOR_BGR2RGB);
data= [NSData dataWithBytes:src.data length:src.elemSize()*src.total()];
colorSpace = CGColorSpaceCreateDeviceRGB();
}else if(cvMat.elemSize() == 4){
colorSpace = CGColorSpaceCreateDeviceRGB();
cvtColor(cvMat, src, COLOR_BGRA2RGBA);
data= [NSData dataWithBytes:src.data length:src.elemSize()*src.total()];
info =kCGImageAlphaNoneSkipLast | kCGBitmapByteOrderDefault;
}else{
NSLog(@"[error:] 错误的颜色通道");
return nil;
}
CGDataProviderRef provider = CGDataProviderCreateWithCFData((__bridge CFDataRef)data);
// Creating CGImage from cv::Mat
CGImageRef imageRef = CGImageCreate(cvMat.cols, //width
cvMat.rows, //height
8, //bits per component
8 * cvMat.elemSize(), //bits per pixel
cvMat.step[0], //bytesPerRow
colorSpace, //colorspace
kCGImageAlphaNone|kCGBitmapByteOrderDefault,// bitmap info
provider, //CGDataProviderRef
NULL, //decode
false, //should interpolate
kCGRenderingIntentAbsoluteColorimetric //intent
);
// Getting UIImage from CGImage
UIImage *finalImage = [UIImage imageWithCGImage:imageRef];
CGImageRelease(imageRef);
CGDataProviderRelease(provider);
CGColorSpaceRelease(colorSpace);
return finalImage;
}
@end
解释
- 创建一些矩阵:
Mat src, dst;
- 装载原图像
UIImage * src1Image = [UIImage imageNamed:@"env.jpg"];
src = [self cvMatFromUIImage:src1Image];
- 使用OpenCV函数 split 将图像分割成3个单通道图像:
vector<Mat> rgb_planes;
split( src, rgb_planes );
输入的是要被分割的图像 (这里包含3个通道)， 输出的则是Mat类型的的向量。
- 现在对每个通道配置 直方图 设置， 既然我们用到了 R, G 和 B 通道， 我们知道像素值的范围是[0,255]
- a.设定bins数目 (5, 10...):
int histSize = 255;
- b.设定像素值范围 (前面已经提到,在 0 到 255之间 )
/// 设定取值范围 ( R,G,B) )
float range[] = { 0, 255 } ;
const float* histRange = { range };
- c.我们要把bin范围设定成同样大小(均一)以及开始统计前先清除直方图中的痕迹:(我也不知道为啥)
bool uniform = true; bool accumulate = false;
- d.最后创建储存直方图的矩阵:
Mat r_hist, g_hist, b_hist;
- e.下面使用OpenCV函数 calcHist 计算直方图:
// 计算直方图:
calcHist( &rgb_planes[0], 1, 0, Mat(), r_hist, 1, &histSize, &histRange, uniform, accumulate );
calcHist( &rgb_planes[1], 1, 0, Mat(), g_hist, 1, &histSize, &histRange, uniform, accumulate );
calcHist( &rgb_planes[2], 1, 0, Mat(), b_hist, 1, &histSize, &histRange, uniform, accumulate );
参数说明如下:
&rgb_planes[0]: 输入数组(或数组集)
1: 输入数组的个数 (这里我们使用了一个单通道图像，我们也可以输入数组集 )
0: 需要统计的通道 (dim)索引 ，这里我们只是统计了灰度 (且每个数组都是单通道)所以只要写 0 就行了。
Mat(): 掩码( 0 表示忽略该像素)， 如果未定义，则不使用掩码
r_hist: 储存直方图的矩阵
1: 直方图维数
histSize: 每个维度的bin数目
histRange: 每个维度的取值范围
uniform 和 accumulate: bin大小相同，清楚直方图痕迹
- 创建显示直方图的画布:
// 创建直方图画布
int hist_w = 400; int hist_h = 400;
int bin_w = cvRound( (double) hist_w/histSize );
Mat histImage( hist_w, hist_h, CV_8UC3, Scalar( 0,0,0) );
- 在画直方图之前，先使用 normalize 归一化直方图，这样直方图bin中的值就被缩放到指定范围:
/// 将直方图归一化到范围 [ 0, histImage.rows ]
normalize(r_hist, r_hist, 0, histImage.rows, NORM_MINMAX, -1, Mat() );
normalize(g_hist, g_hist, 0, histImage.rows, NORM_MINMAX, -1, Mat() );
normalize(b_hist, b_hist, 0, histImage.rows, NORM_MINMAX, -1, Mat() );
该函数接受下列参数:
r_hist: 输入数组
r_hist: 归一化后的输出数组(支持原地计算)
0 及 histImage.rows: 这里，它们是归一化 r_hist 之后的取值极限
NORM_MINMAX: 归一化方法 (例中指定的方法将数值缩放到以上指定范围)
-1: 指示归一化后的输出数组与输入数组同类型
Mat(): 可选的掩码
- 请注意这里如何读取直方图bin中的数据 (此处是一个1维直方图):
{
line( histImage, cv::Point( bin_w*(i-1), hist_h - cvRound(r_hist.at<float>(i-1)) ) ,
cv::Point( bin_w*(i), hist_h - cvRound(r_hist.at<float>(i)) ),
Scalar( 0, 0, 255), 2, 8, 0 );
line( histImage, cv::Point( bin_w*(i-1), hist_h - cvRound(g_hist.at<float>(i-1)) ) ,
cv::Point( bin_w*(i), hist_h - cvRound(g_hist.at<float>(i)) ),
Scalar( 0, 255, 0), 2, 8, 0 );
line( histImage, cv::Point( bin_w*(i-1), hist_h - cvRound(b_hist.at<float>(i-1)) ) ,
cv::Point( bin_w*(i), hist_h - cvRound(b_hist.at<float>(i)) ),
Scalar( 255, 0, 0), 2, 8, 0 );
}
结果
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