【OpenCV】OpenCV图像/视频的读取与写入（C++版）

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2023-06-27 12:45 38阅读 0赞

使用C++开发图像处理算法时，最基础的就是利用OpenCV完成图像文件的输入、输出以及自动内存管理(重点)。所以，只要需要掌握一些简单的OpenCV的操作即可。本博文就对这些基础内容进行讲解。

**本文实例源码github地址**：[https://github.com/yngzMiao/yngzmiao-blogs/tree/master/2020Q1/20200317][https_github.com_yngzMiao_yngzmiao-blogs_tree_master_2020Q1_20200317]。

## 图像操作 ##

### 图像读取 ###

OpenCV支持**bmp、jpg、png、tiff**等常用图像格式的解析，所用函数为`imread`。imread函数原型如下：

Mat imread( const String& filename, int flags = IMREAD_COLOR );

其中，filename参数为图像文件的路径，可以是相对路径，也可以是绝对路径；flags参数为图像文件解析的方式，支持的方式有如下：

*  **IMREAD\_UNCHANGED**：不对图像文件进行任何转换，直接读取；
 *  **IMREAD\_GRAYSCALE**：将任何图像均转换为灰度图像(单通道)进行读取；
 *  **IMREAD\_COLOR**：将任何图像均转为RGB彩色图像(三通道)进行读取；
 *  IMREAD\_ANYDEPTH：如果不设置这个参数，16/32位图像将会自动转为8位图像；
 *  IMREAD\_ANYCOLOR：将按照图像文件设定的颜色格式进行图像读取；
 *  IMREAD\_LOAD\_GDAL：调用gdal库进行图像文件读取(可以简单地理解为读取TIFF图像文件)。

例如：

#include <opencv2/opencv.hpp>
    #include <iostream>
    
    int main(int argc, char const *argv[])
    { 
        cv::Mat img = cv::imread("test.png", cv::IMREAD_GRAYSCALE);
    
        //宽度
        std::cout << "宽度： "<< img.cols << std::endl;
        //高度
        std::cout << "高度： " << img.rows << std::endl;
        //通道数
        std::cout << "通道数： " << img.channels() << std::endl;
        //深度
        //elemSize函数返回的是一个像素占用的字节数
        std::cout << "深度： " << img.elemSize() / img.channels() * 8 << std::endl;
    
        return 0;
    }

### 图像显示 ###

OpenCV的图像显示函数为`imshow`，函数原型如下：

void imshow(const String& winname, InputArray mat);

其中，winname参数表示显示图像窗口的名称(任意字符)，mat参数表示需要显示的图像。对于这个函数，需要注意的是(特别是新手)，imshow函数**只支持8位灰度图像、8位彩色图像和32位灰度图像(像素值范围0-1)**，具体原因大家可以自行百度`显示器灰度等级`。

同时还有，除了使用该函数之外，还需要使用`waitKey`函数使图像界面一直显示。例如：

#include <opencv2/opencv.hpp>
    #include <iostream>
    
    int main(int argc, char const *argv[])
    { 
        cv::Mat img = cv::imread("test.png", cv::IMREAD_GRAYSCALE);
        cv::imshow("hello", img);
        cv::waitKey();
    
        return 0;
    }

### 图像保存 ###

`imwrite`函数用来保存图片，函数原型如下：

bool imwrite( const String& filename, InputArray img,
                  const std::vector<int>& params = std::vector<int>());

其中，filename参数表示需要写入的文件名，必须要加上后缀，比如“123.png”；img参数表示Mat类型的图像数据；params参数表示为特定格式保存的参数编码，它有一个默认值std::vector()，所以一般情况下不用写。

同时还需要注意的是，并不是所有格式的Mat型数据都能被保存为图片，目前OpenCV主要**只支持单通道和3通道的图像，并且此时要求其深度为8bit和16bit无符号**。所以，其他一些数据类型是不支持的，比如说float型等。如果Mat类型数据的深度和通道数不满足上面的要求，则需要使用`convertTo()`函数和`cvtColor()`函数来进行转换。

例如：

#include <opencv2/opencv.hpp>
    #include <iostream>
    
    int main(int argc, char const *argv[])
    { 
        cv::Mat img = cv::imread("test.png", cv::IMREAD_GRAYSCALE);
        cv::imwrite("test_copy.png", img);
    
        return 0;
    }

### 图像遍历的几种方式 ###

#### OpenCV的at成员函数 ####

OpenCV提供了便利的访问图像数据的接口，`at`函数原型：

template<typename _Tp> _Tp& at(int row, int col);

其中，参数row为行号，参数col为列号；模板参数\_Tp常用类型如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">图像类型</th> 
   <th align="center">_Tp参数</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">单通道灰度</td> 
   <td align="center">unsigned char</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">三通道彩色(8位)</td> 
   <td align="center">cv::Vec3b</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">16位灰度</td> 
   <td align="center">unsigned short</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">32位浮点型</td> 
   <td align="center">float</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">双通道32位</td> 
   <td align="center">cv::Vec2f</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

例如：

#include <opencv2/opencv.hpp>
    #include <iostream>
    
    int main(int argc, char const *argv[])
    { 
        cv::Mat img = cv::imread("test.png", cv::IMREAD_GRAYSCALE);
    
        for (int r = 0; r < img.rows; ++r) { 
            for (int c = 0; c < img.cols; ++c) { 
                int data = img.at<unsigned char>(r, c);
                std::cout << data << std::endl;
            }
        }
    
      return 0;
    }

#### 数据缓存区指针 ####

使用`data`属性获取数据缓存区指针，利用指针直接读取数据缓存区的内容。例如：

#include <opencv2/opencv.hpp>
    #include <iostream>
    
    int main(int argc, char const *argv[])
    { 
        cv::Mat img = cv::imread("test.png", cv::IMREAD_GRAYSCALE);
    
        unsigned char * img_data = reinterpret_cast<unsigned char *>(img.data);
        for(int r = 0; r < img.rows; ++r) { 
            for(int c = 0; c < img.cols; ++c) { 
                std::cout << static_cast<float>(*img_data) << std::endl;
                ++img_data;
            }
        }
    
        return 0;
    }

### 行首指针 ###

除了data属性可以获取数据缓存区的指针，OpenCV还提供了`ptr`接口来直接获取每一行的行首指针。例如：

#include <opencv2/opencv.hpp>
    #include <iostream>
    
    int main(int argc, char const *argv[])
    { 
        cv::Mat img = cv::imread("test.png", cv::IMREAD_GRAYSCALE);
    
        for(int r = 0; r < img.rows; ++r) { 
            unsigned char * rdata = img.ptr<unsigned char>(r);
            for(int c = 0; c < img.cols; ++c) { 
                std::cout << static_cast<float>(*rdata) << std::endl;
                ++rdata;
            }
        }
    
        return 0;
    }

## 视频操作 ##

### 视频读取 ###

OpenCV中通过`VideoCaptrue`类对视频进行读取操作以及调用摄像头，该类的API如下：

//功能：创建一个VideoCapture类的实例，如果传入对应的参数，可以直接打开视频文件或者要调用的摄像头。
    //参数: filename – 打开的视频文件名。
    //device – 打开的视频捕获设备id ，如果只有一个摄像头可以填0，表示打开默认的摄像头。
    VideoCapture::VideoCapture();  
    VideoCapture::VideoCapture(const string& filename);  
    VideoCapture::VideoCapture(int device);  
    
    //功能：打开一个视频文件或者打开一个捕获视频的设备(也就是摄像头)
    bool VideoCapture::open(const string& filename);  
    bool VideoCapture::open(int device);
    
    //功能：判断视频读取或者摄像头调用是否成功，成功则返回true
    bool VideoCapture::isOpened();
    
    //功能：关闭视频文件或者摄像头
    void VideoCapture::release();
    
    //功能：读取视频内容
    bool VideoCapture::grab();  //若没有视频帧被捕获，返回false
    bool VideoCapture::retrieve(Mat& image, int channel=0);  //若没有视频帧被捕获，返回false
    VideoCapture& VideoCapture::operator>>(Mat& image);  //若没有视频帧被捕获，返回空，即cv::Mat.empty()返回true
    bool VideoCapture::read(Mat& image);  //若没有视频帧被捕获，返回false
    
    //功能：获得视频有诸多属性，比如：帧率、总帧数、尺寸、格式等
    //如果查询的视频属性是VideoCapture类不支持的，将会返回0
    double VideoCapture::get(int propId);  
    
    //功能：设置VideoCapture类的属性，设置成功返回ture,失败返回false
    //参数：第一个是属性ID，第二个是该属性要设置的值
    bool VideoCapture::set(int propertyId, double value);

其中，视频的属性主要包括：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">属性值</th> 
   <th align="center">属性含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_CAP_PROP_POS_MSEC</td> 
   <td align="center">以毫秒计算的当前的位置</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"><strong>CV_CAP_PROP_POS_FRAMES</strong></td> 
   <td align="center">以帧计算当前的位置</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_CAP_PROP_POS_AVI_RATIO</td> 
   <td align="center">视频的相对位置，0表示视频开始，1表示视频结束</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"><strong>CV_CAP_PROP_FRAME_WIDTH</strong></td> 
   <td align="center">帧宽度</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"><strong>CV_CAP_PROP_FRAME_HEIGHT</strong></td> 
   <td align="center">帧高度</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"><strong>CV_CAP_PROP_FPS</strong></td> 
   <td align="center">帧率</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_CAP_PROP_FOURCC</td> 
   <td align="center">4字符编码方式</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center"><strong>CV_CAP_PROP_FRAME_COUNT</strong></td> 
   <td align="center">视频帧数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_CAP_PROP_FORMAT</td> 
   <td align="center">视频格式</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_CAP_PROP_MODE</td> 
   <td align="center"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_CAP_PROP_BRIGHTNESS</td> 
   <td align="center">亮度</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_CAP_PROP_CONTRAST</td> 
   <td align="center">对比度</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_CAP_PROP_SATURATION</td> 
   <td align="center">饱和度</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_CAP_PROP_HUE</td> 
   <td align="center">色调</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_CAP_PROP_GAIN</td> 
   <td align="center">增益</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_CAP_PROP_EXPOSURE</td> 
   <td align="center">曝光</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_CAP_PROP_CONVERT_RGB</td> 
   <td align="center">图像是否应转换为RGB的标志</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_CAP_PROP_WHITE_BALANCE</td> 
   <td align="center">白平衡</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_CAP_PROP_RECTIFICATION</td> 
   <td align="center"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

例如：

#include <opencv2/opencv.hpp>
    #include<iostream>
    
    int main(int argc, char const *argv[])
    { 
        cv::VideoCapture cap;
        cap.open("test.mp4");
    
        if (!cap.isOpened())
            return 0;
    
        int width = cap.get(CV_CAP_PROP_FRAME_WIDTH);             //帧宽度
        int height = cap.get(CV_CAP_PROP_FRAME_HEIGHT);           //帧高度
        int totalFrames = cap.get(CV_CAP_PROP_FRAME_COUNT);       //总帧数
        int frameRate = cap.get(CV_CAP_PROP_FPS);                 //帧率 x frames/s
    
        std::cout << "视频宽度： " << width << std::endl;
        std::cout << "视频高度： " << height << std::endl;
        std::cout << "视频总帧数： " << totalFrames << std::endl;
        std::cout << "帧率： " << frameRate << std::endl;
    
        cv::Mat frame;
        while(1) { 
            cap >> frame;
            if (frame.empty())
                break;
            cv::imshow("hello", frame);
            cv::waitKey(50);
        }
        cap.release();
    
        return 0;
    }

在上面的API中还将到`set`方法，可以指定属性的值。比如，**想要跳转到视频的中间的某一帧，就可以通过设置CV\_CAP\_PROP\_POS\_FRAMES属性来实现**，即：

cap.set(CV_CAP_PROP_POS_FRAMES, 20);        //跳转到第20帧

### 视频保存 ###

OpenCV中通过`VideoWriter`类对视频进行读取操作以及调用摄像头，该类的API与VideoCapture类似，该类的主要API除了构造函数外，提供了open、IsOpen、release、write和重载操作符<<。

其主要的API如下：

VideoWriter::VideoWriter(const string& filename, int fourcc,
                             double fps, Size frameSize, bool isColor=true);
    bool VideoWriter::open(const string& filename, int fourcc,
                           double fps, Size frameSize, bool isColor=true);

其中，filename参数表示文件名，fourcc参数表示编码格式，fps参数表示视频帧率，frameSize表示视频的尺寸大小。

OpenCV支持的编码格式包括：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">编码格式</th> 
   <th align="center">编码格式含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_FOURCC(‘P’,‘I’,‘M’,‘1’)</td> 
   <td align="center">MPEG-1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_FOURCC(‘M’,‘J’,‘P’,‘G’)</td> 
   <td align="center">motion-jpeg</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_FOURCC(‘M’, ‘P’, ‘4’, ‘2’)</td> 
   <td align="center">MPEG-4.2</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_FOURCC(‘D’, ‘I’, ‘V’, ‘3’)</td> 
   <td align="center">MPEG-4.3</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_FOURCC(‘D’, ‘I’, ‘V’, ‘X’)</td> 
   <td align="center">MPEG-4</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_FOURCC(‘U’, ‘2’, ‘6’, ‘3’)</td> 
   <td align="center">H263</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_FOURCC(‘I’, ‘2’, ‘6’, ‘3’)</td> 
   <td align="center">H263I</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">CV_FOURCC(‘F’, ‘L’, ‘V’, ‘1’)</td> 
   <td align="center">FLV1</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

值得注意的是：**OpenCV里对视频的编码解码等支持并不是很良好，所以不要希望用这个类去实现摄像头图像的获取与转码**，有兴趣的可以参考FFmpeg库。

例如：

#include <opencv2/opencv.hpp>
    #include<iostream>
    
    int main(int argc, char const *argv[])
    { 
        cv::VideoCapture cap;
        cap.open("test.mp4");
    
        if (!cap.isOpened())
            return 0;
    
        int width = cap.get(CV_CAP_PROP_FRAME_WIDTH);             //帧宽度
        int height = cap.get(CV_CAP_PROP_FRAME_HEIGHT);           //帧高度
        int totalFrames = cap.get(CV_CAP_PROP_FRAME_COUNT);       //总帧数
        int frameRate = cap.get(CV_CAP_PROP_FPS);                 //帧率 x frames/s
    
        std::cout << "视频宽度： " << width << std::endl;
        std::cout << "视频高度： " << height << std::endl;
        std::cout << "视频总帧数： " << totalFrames << std::endl;
        std::cout << "帧率： " << frameRate << std::endl;
    
        cv::VideoWriter wri;
        wri.open("test_copy.avi", CV_FOURCC('M', 'P', '4', '2'), frameRate, cv::Size(width, height));
    
        cv::Mat frame;
        while(1) { 
            cap >> frame;
            if (frame.empty())
                break;
            wri << frame;
        }
        cap.release();
        wri.release();
    
        return 0;
    }

使用VideoWriter，建议生成`.avi`后缀的视频。

## 相关阅读 ##

*  [opencv 遍历mat的三种方法][opencv _mat]
 *  [VideoWriter生成视频流highgui][VideoWriter_highgui]

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[https_github.com_yngzMiao_yngzmiao-blogs_tree_master_2020Q1_20200317]: https://github.com/yngzMiao/yngzmiao-blogs/tree/master/2020Q1/20200317
[opencv _mat]: https://blog.csdn.net/koibiki/article/details/85954121
[VideoWriter_highgui]: https://blog.csdn.net/yang_xian521/article/details/7440190
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