Мультимедийное Программирование OpenCV

Программа стипендий для профессоров

Проект по наращиванию потенциала профессионально-технического училища Марыйского велаята Туркменистана

Мультимедийное программирование

2019.07.15 – 07.29

Профессор. Ким, Ын Сон

Внедрение цифровой обработки изображений / Introduction of Digital Image Processing

Выборка и квантование / Sampling and Quantization

Continuous Tone Image – Непрерывное тональное изображение

Sampled Image – Пример изображения

Sampled and Quandtized Image – Выборочное и квантованное изображение

Sampler – образец

Quantizer – Квантизатор

Аналого-цифровое преобразование / Analog to Digital Conversion

(a) 

Analog Signal –

Аналоговый сигнал

(b) 

Sampling –

Выборка

(c) 

Quantization –

Квантование

(d) 

Coding –

Кодирование

TS: Sampling Period – Период выборки

Происхождение изображения / Image Origin

Upper-left corner of i – Левый верхний угол изображения

Pixels – Пиксели

Lines – Линии

Изменение яркости изображения / Image Brightness Variation

Brightness – Яркость

Distance – Расстояние

Шаги яркости изображения / Image Brightness Steps

(a) 8 Steps : 3 bits (b) 16 Steps : 4 bits

(а) 8 шагов: 3 бита (б) 16 шагов: 4 бита

(c) 32 Steps : 5 bits (d) 64 Steps : 6 bits

(c) 32 шагов: 5 бит (d) 64 шагов: 6 бит

(e) 128 Steps : 7 bits (f) 256 Steps : 8 bits

(e) 128 шагов: 7 бит (f) 256 шагов: 8 бит

Яркость изображения Разрешение / Image Brightness Resolution

Световой спектр / Light Spectrum

WHITE LIGHT / БЕЛЫЙ СВЕТ

INFRARED / ИНФРАКРАСНЫЙ

ULTRAVIOLET / УЛЬТРАФИОЛЕТ

OPTICAL PRISM / ОПТИЧЕСКАЯ ПРИЗМА

Табличка I. Цветовой спектр, видимый при прохождении белого света через призму. (С разрешения General Electric Co., подразделения по производству ламп.) / Plate I. Color spectrum seen by passing white light a prism. (Courtesy of General Electric Co., Lamp Business Division.)

COSMIC RAYS / КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

GAMMA RAYS / ГАММА ИЗЛУЧЕНИЕ

X-RAYS / X-ЛУЧИ

INFRARED / ИНФРАКРАСНЫЙ

MICRO-WAVES / МИКРОВОЛНЫ

RADIO / РАДИО

ELECTRIC POWER / ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ

ULTRAVIOLET / УЛЬТРАФИОЛЕТ

VISIBLE SPECTRUM / ВИДИМЫЙ СПЕКТР

INFRARED / ИНФРАКРАСНЫЙ

Смеси света и пигментов / Mixtures of Light and Pigments

RGB Color – Цвет RGB

MIXTURES OF LIGHT (Additive primaries)

СМЕСИ СВЕТА (Аддитивные праймериз)

RED – КРАСНЫЙ

YELLOW – ЖЕЛТЫЙ

GREEN – ЗЕЛЕНЫЙ

CYAN – ГОЛУБОЙ

WHITE – БЕЛЫЙ

BLUE – СИНИЙ

MAGENTA – ПУРПУРНЫЙ

MIXTURES OF PIGMENTS СМЕСИ ПИГМЕНТОВ

(Subtractive primaries) (Субтрактивные праймериз)

CMY(K) Color / (CMYK) Цвет

RED – КРАСНЫЙ

YELLOW – ЖЕЛТЫЙ

GREEN – ЗЕЛЕНЫЙ

CYAN – ГОЛУБОЙ

BLACK – ЧЕРНЫЙ

BLUE – СИНИЙ

MAGENTA – ПУРПУРНЫЙ

Изображение R, G, B / R, G, B Image

Исходное изображение (Original Image) Красный компонент (Red Component)

Зеленый компонент (Green Component) Синий компонент (Blue Component)

Тип цифрового изображения / A Type of Digital Image

(а) Цветное изображение (Color Image)

(b) Изображение с уровнем серого (Gray Level Image)

(c) Двоичное изображение (Binary Image)

Тип цифрового изображения / A Type of Digital Image

(a) Двоичное изображение / Binary Image

(b) Изображение с уровнем серого / Gray Level Image

Тип цифрового изображения / A Type of Digital Image

Цветное изображение (Color Image)

2. Введение OpenCV (Introduction of OpenCV)

OpenCV?

OpenCV – библиотека компьютерного зрения с открытым исходным кодом

– Библиотека с открытым исходным кодом для обработки изображений

и компьютерного зрения

– Состоит из более чем 2500 алгоритмов

– Поддержка интерфейсов C, C++, Python, Matlab.

– Поддержка операционных систем для Windows, Linux, Android, Mac

OS и т. д.

– Быстрая реализация алгоритма с использованием инструкций MX

(MultiMedia eXtension) и SSE (потоковые расширения SIMD).

– Разработка интерфейса CUDA и OpenCL

Установка OpenCV / OpenCV Install

• 

Условия для программирования OpenCV с использованием C ++ (для ОС Windows)

– 

На вашем компьютере должна быть установлена 64-битная ОС Windows. (OpenCV поддерживает только 64-битные ОС)

– 

Visual Studio 2017 должен быть установлен как инструмент редактора программ для программирования на C ++. (Последняя версия Visual Studio – 2019, но в настоящее время поддерживает только OpenCV для Visual Studio 2017.)

① Установка сообщества Visual Studio 2017.

(① Visual Studio Community 2017 Install)

https://visualstudio.microsoft.com/ru/free-developer-offers/

• 

На официальном сайте выше можно загрузить только последнюю версию 2019 года, поэтому вы можете найти версию 2017 года с помощью веб-поиска и загрузки.

• 

30-дневная ознакомительная версия, затем зарегистрируйтесь в Microsoft, войдите в Visual Studio и продолжайте использовать ее бесплатно

② Загрузка OpenCV (OpenCV Download)

• 

http://opencv.org

> Releases

• 

После загрузки установочного файла, дважды щелкните файл exe для установки

③ Add to “System Environment Path” of Windows

• 

Зарегистрируйте место установки OpenCV в «Путь к системной среде» Windows

• 

Если вы установили диск C следующим образом, добавьте следующее в Path

• 

C:\OpenCV\build\x64\vc15\bin

Настройка OpenCV для Visual Studio 2017

(OpenCV Setup of Visual Studio 2017)

Проверьте, что Debug mode(режим отладки) в настоящее время включен !!!

Режим отладки → opencv_worldxxxd.lib

(Режим выпуска → opencv_worldxxx.lib)

Debug mode → opencv_worldxxxd.lib

(Release mode → opencv_worldxxx.lib)

Имя → OpenCV410_x64_v15_ отлаживать

Name → OpenCV410_x64_v15_debug

Местоположение → Папка сохранения программы OpenCV (помните!!!)

Location → OpenCV program saving folder (remember!!!)

• 

При использовании Visual Studio в Release mode(режиме выпуска)

– 

Запустите проект> Свойства в Main Menu

– 

Выполните то же самое содержание на страницах с 24 по 30

Release mode → opencv_worldxxx.lib

(Режим выпуска → opencv_worldxxx.lib)

• 

Имя

→ OpenCV410_x64_v15_release

Name → OpenCV410_x64_v15_release

• 

Местоположение → Папка сохранения программы OpenCV (помните!!!)

Location → OpenCV program saving folder (remember!!!)

Пример программы OpenCV / OpenCV Sample Program

• 

запись OpenCV Sample Program

• 

Ввод имени программы C++… → ???.cpp

C++ program name typing… → ???.cpp

#include <opencv2/highgui.hpp>

пустая функция()

{

cv::Mat i(300, 400, CV_8UC1, cv::Scalar(200));

cv::imshow("Просмотр изображений", i);

резюме::waitKey (0);

}

#include <opencv2/highgui.hpp>

void main()

{

cv::Mat i(300, 400, CV_8UC1, cv::Scalar(200));

cv::imshow("Image Viewer", i);

cv::waitKey(0);

}

• 

Ошибка

→

установка

x64!!

/

Error → x64 setting!!

• 

Ctrl+F5:

запустить

без

отладки

.

/

Ctrl+F5 : Start without Debugging

Выход (Результат) / Output (Result)

3. OpenCV Classes

Точка_Класс / Point_ Class

• 

Шаблонный

класс

(template class)

для

представления

позиций

width

(

ширины

)

и

height

(

высоты

)

в

двухмерных

координатах

(2 Dimension coordinate).

• 

(

Объявление

класса

Point_( Declaration of Point_ Class

)

Point_<int> <==> Point2i <==> Point;

Point_<float> <==> Point2f;

Point_<double> <==> Point2d;

• 

Бывший

)

Ex)

Point_<int> pt1(100, 200);

Point_<float> pt2(92.3f, 125.23f);

Point_<double> pt3(100.2, 300.9);

Point pt4(120, 69);

Point2f pt5(0.3f, 0.f), pt6(0.f, 0.4f);

Point2d pt7(0.25, 0.6);

Размер_Класс / Size_ Class

• 

Шаблонный класс(template class), который определяет размер изображения(i) или прямоугольника(rectangle).

• 

Объявление

класса

Size_ (Declaration of Size_ Class)

Size_<int> <==> Size2i <==> Size;

Size_<float> <==> Size2f;

Size_<double> <==> Size2d;

• 

Бывший

)

• 

Ex)

Size_<int> sz1(100, 200);

Size_<float> sz2(192.3f, 25.3f);

Size_<double> sz3(100.2, 30.9);

Size sz4(120, 69);

Size2f sz5(0.3f, 0.f);

Size2d sz6(0.25, 0.6);

Прямой_класс / Rect_ Class

• 

класс шаблона

для представления rectangle(прямоугольников)

• 

((Начальная точка_x, Начальная точка_y), (Конечная точка_x, Конечная точка_y))

• 

((Начальная точка_x, Начальная точка_y), Ширина, Высота)

• 

Объявление

класса

Rect_ (Declaration of Rect_ Class)

Rect_<int> <==> Rect2i <==> Rect;

Rect_<float> <==> Rect2f;

Rect_<double> <==> Rect2d;

• 

Бывший

)

• 

Ex)

Size2d sz(100.5, 60.6);

Point2f pt1(20.f, 30.f), pt2(100.f, 200.f);

Rect_<int> rect1(10, 10, 30, 50);

// column, row, width, height

Rect_<float> rect2(pt1, pt2);

Rect_<double> rect3(Point2d(20.5, 10), sz);

Век-класс / Vec Class

• 

Шаблонный класс(template class) для вектора(Vector) чисел с небольшим количеством элементов.

• 

Укажите data type(тип данных) и количество element(элементов) между < и >.

Vec<uchar, 2> <==> Vec2b

Vec<int, 3> <==> Vec3i

Vec<float, 4> <==> Vec4f

Vec<double, 5> <==> Vec5d

• 

Ex)

Vec<int, 2> v1(5, 12);

Vec<double, 3> v2(40, 130.7, 125.6);

Vec2b v3(10, 10);

Vec6f v4(40.f, 230.25f, 525.6f);

Vec3i v5(200, 230, 250);

Скаляр_класс / Scalar_ Class

• 

Укажите четыре значения в качеств data type(типа данных), чтобы указать значение яркости pixel(пикселя)

• 

Сохраните

четыре

значения

Blue, Green, Red, Alpha(transparency).

• 

Установите в 0, если при инициализации

(Initialization) не указано значение

• 

Scalar_<double> <==> Scalar

• 

Ex)

Scalar_<uchar> red(0, 0, 255);

Scalar_<int> blue(255, 0, 0);

Scalar_<double> color1(500);

Scalar_<float> color2(100.f, 200.f, 125.9f);

Мат Класс / Mat Class

• 

Класс(class), используемый для представления i(изображения).

• 

Mat

(строки, столбцы, тип, скаляр (

rows

,

cols

,

type

,

Scalar

))

строки: размер строки (rows: row size)

столбцы: размер столбца (cols : column size)

тип: тип данных (type : data type)

Скаляр: матричное значение (Scalar : matrix value)

#include <opencv2/opencv.hpp>

using namespace cv;

using namespace std;

int main()

{

float data[] = {

      1.2f, 2.3f, 3.2f,

      4.5f, 5.f, 6.5f,

};

Mat m1(2, 3, CV_8U);

Mat m2(2, 3, CV_8U, Scalar(300));

Mat m3(2, 3, CV_32F, data);

Size sz(2, 3);

Mat m4(Size(2, 3), CV_64F);

Mat m5(sz, CV_32F, data);

cout << "[m1] =" << endl << m1 << endl;

cout << "[m2] =" << endl << m2 << endl;

cout << "[m3] =" << endl << m3 << endl << endl;

cout << "[m4] =" << endl << m4 << endl;

cout << "[m5] =" << endl << m5 << endl;

return 0;

}

#include <opencv2/opencv.hpp>

using namespace cv;

using namespace std;

int main()

{

Mat m1(4, 3, CV_32FC3);

cout << “Dimension = " << m1.dims << endl;

cout << “Rows = " << m1.rows << endl;

cout << “Columns = " << m1.cols << endl << endl;

cout << “Channels = " << m1.channels() << endl;

cout << “Data Type = " << m1.depth() << endl;

cout << “Matrix Size = " << m1.size() << endl << endl;

cout << “Total Data Number = " << m1.total() << endl;

return 0;

}

#include <opencv2/opencv.hpp>

using namespace cv;

using namespace std;

int main()

{

Mat m1(2, 3, CV_8U, 2);

Mat m2(2, 3, CV_8U, Scalar(10));

Mat m3 = m1 + m2;

Mat m4 = m2 – 6;

Mat m5 = m1;

cout << "[m2] =" << endl << m2 << endl;

cout << "[m3] =" << endl << m3 << endl;

cout << "[m4] =" << endl << m4 << endl << endl;

cout << "[m1] =" << endl << m1 << endl;

cout << "[m5] =" << endl << m5 << endl << endl;

m5 = 100;

cout << "[m1] =" << endl << m1 << endl;

cout << "[m5] =" << endl << m5 << endl;

return 0;

}

• Копирование исходной матрицы в другую матрицу / Copy original matrix to another matrix

• Матовый клон () / Mat clone ()

• void copy To (матрица целей, матрица маски) / void copy To

(objective matrix, mask matrix)

– 

mask matrix : Копирование только ненулевых элементов (elemen)

• 

void convertTo

(objective matrix, data type)

– 

data type : data type, которые вы хотите изменить

#include <opencv2/opencv.hpp>

using namespace cv;

using namespace std;

int main()

{

double data[] = {

      1.1, 2.2, 3.3, 4.4,

      5.5, 6.6, 7.7, 8.9,

      9.9, 10, 11, 12

};

Mat m1(3, 4, CV_64F, data);

Mat m2 = m1.clone(); // copy m1 to m2

Mat m3, m4;

m1.copyTo(m3); // copy m1 to m3

m1.convertTo(m4, CV_8U); // copy m1 to m4 converting to uchar

cout << "[m1] =\n" << m1 << endl;

cout << "[m2] =\n" << m2 << endl;

cout << "[m3] =\n" << m3 << endl;

cout << "[m4] =\n" << m4 << endl;

return 0;

}

векторный класс / vector Class

• 

Контейнер

последовательностей

(Sequence Container) C++ STL(Standard Template Library)

• 

доступ

к

элементу

(element access)

вектора

(vector) :

используйте

оператор

индекса

(subscript operator), [],

как

массив

(array)

• 

vector() : конструктор(constructor)

• 

void push_back() : добавляет элемент в конец vector

• 

void pop_back() : удалить последний элемент

#include <opencv2/opencv.hpp>

using namespace cv;

using namespace std;

int main()

{

vector<Point> v1;

v1.push_back(Point(10, 20));

v1.push_back(Point(20, 30));

v1.push_back(Point(50, 60));

vector<float> v2(3, 9.25);

Size arr_size[] = { Size(2, 2), Size(3, 3), Size(4, 4) };

int arr_int[] = { 10, 20, 30, 40, 50 };

vector<Size> v3(arr_size, arr_size + sizeof(arr_size) / sizeof(Size));

vector<int> v4(arr_int + 2, arr_int + sizeof(arr_int) / sizeof(int));

cout << "[v1] " << ((Mat)v1) << endl << endl;

cout << "[v2] " << ((Mat)v2) << endl << endl;

cout << "[v2] " << ((Mat)v2).reshape(1, 1) << endl;

cout << "[v3] " << ((Mat)v3).reshape(1, 1) << endl;

cout << "[v4] " << ((Mat)v4).reshape(1, 1) << endl;

return 0;

}

Класс диапазона / Range class

• 

Используется в основном для указания диапазона row(строк) и column(столбцов) в классе Mat.

• 

Range(int start, int end)

• 

start(начало) в диапазоне, end(конец) не в диапазоне

Функция операции с матрицей / Matrix Operation Function

• 

Matexp

inv

(метод): расчет обратной матрицы

– метод

• 

Matexp inv(method) : inverse matrix calculation

– method

• 

Matexp mul

(input matrix):

Выполнить

поэлементное

(element-wise)

умножение

двух

матриц

• 

Matexp t

() : вычислить транспонированную матрицу(transposed matrix)

• 

Одновременные уравнения

(simultaneous equation)

#include <opencv2/opencv.hpp>

using namespace cv;

using namespace std;

int main()

{

float data[] = {

      1, 0, 2,

      -3, 2, 6,

      -1, -2, 3

};

float ans[] = {6, 30, 8};

Mat m1(3, 3, CV_32F, data);

Mat m2(1, 3, CV_32F, ans);

Mat m2_t = m2.t();

Mat m1_inv = m1.inv(DECOMP_LU);

Mat x = m1_inv * m2_t;

cout << "[m1] = " << endl << m1 << endl;

cout << "[m1_inv] = " << endl << m1_inv << endl << endl;

cout << "[m2(transposed)] = " << endl << m2_t << endl << endl;

cout << “solution x1, x2, x3 = " << x.t() << endl;

}

насыщенный_ бросок < > / saturate_cast < >

• 

i data는

основном

представляют собой кодированные(encoding) данные с 8 битами на канал.

• 

Поскольку он использует только 8bit, он имеет ограниченный диапазон значений пикселей (0 ~ 255).

• 

saturate_cast() template method : Когда значение сохраняется в 8-битном, если оно превышает 8-битный диапазон, оно сохраняется как 0 или 255

• 

Ex)

Mat m1(2, 2, CV_8U);

m1(0, 0) = -50; // -> 206

m1(0, 1) = 300; // -> 44

m1(1, 0) = saturate_cast<uchar>(-50);

m1(1, 1) = saturate_cast<uchar>(300);

4. Пользовательские интерфейсы OpenCV

(OpenCV User Interfaces)

Контрольние виндов / Window Control

• 

Named Window (winname, flags) : Устанавливает имя window и создает window с этим именем

– 

flags : Изменение размера window

• 

imshow (): отображает матрицу "mat" как окно в окне winname

• 

destroyWindow (): удаляет указанное окно с экрана

• 

destroyAllWindows (): удалить все видимые окна

• 

moveWindow (x, y): переместить окно winname в указанную позицию (x (столбец, y (строка))

#include <opencv2/opencv.hpp>

using namespace cv;

using namespace std;

int main()

{

Mat i1(300, 400, CV_8U, Scalar(255));

Mat i2(300, 400, CV_8U, Scalar(100));

string h21 = "white window control";

string h22 = "gray window control";

namedWindow(h21, WINDOW_AUTOSIZE);

namedWindow(h22, WINDOW_NORMAL);

moveWindow(h21, 100, 200);

moveWindow(h22, 300, 200);

imshow(h21, i1);

imshow(h22, i2);

waitKey();

destroyAllWindows();

return 0;

}

Контрольние событиями клавиатуры / Keyboard Event Control

• 

waitKey (delay, задержка): ожидает ввода ключа в течение времени задержки(delay), возвращает(return) значение клавиши, когда происходит событие клавиши,

– 

delay : время задержки. ms.

– 

delay <= 0 : Бесконечное ожидание, пока не произойдет ключевое событие

– 

delay > 0 : дождитесь ввода ключа в течение времени задержки. return (Возвращает) -1, если в течение времени задержки нет клавишного ввода

• 

Используйте waitKeyEx () для ввода клавиши со стрелкой (arrow key)

• 

Event (Событие) происходит только когда window active (активно).

Контрольние событиями мыши / Mouse Event Control

• 

Создать callback function (функцию обратного вызова) (event handler) (обработчик событий) для обработки событий мыши и зарегистрировать эту функцию в системе через setMouseCallback ()