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目标

通过本教程你将会学到:

  • 使用OpenCV函数 pyrUppyrDown 对图像进行向上和向下采样

原理

Note

以下内容来自于Bradski 和Kaehle的书籍:LerningOpencv.

  • 当我们需要将图像转换到另一个尺寸的时后:
    1. 放大图像 或者
    2. 缩小图像
  • 尽管OpenCV 几何变换部分提供了一个真正意义上的图像缩放函数(resize, 将会在之后的教程中进行介绍),不过在本篇中首先会学习下图像金字塔来做图像缩放,图像处理领域广泛应用的一项技术。
第 1 段(可获 2 积分)

图像金字塔

  • 一个图像金字塔是一系列图像的集合 - 所有图像来源于同一张原始图像 - 通过梯次向下采样获得,直到达到某个终止条件才停止采样。
  • 有两种类型的图像金字塔常常出现在文献和应用中:
    • 高斯金字塔(Gaussian pyramid): 用来向下采样
    • 拉普拉斯金字塔(Laplacian pyramid): 用来从金字塔低层图像重建上层未采样图像
  • 在这篇文档中我们将使用 高斯金字塔 。

高斯金字塔

  • 想想金字塔为一层一层的图像,层级越高,图像越小。

    Pyramid figure
  • 每一层都按从下到上的次序编号, 层级 (i+1) (表示为 G_{i+1} 尺寸小于层级 i (G_{i}))。

  • 为了获取层级为 (i+1) 的金字塔图像,我们采用如下方法:

    • 将 G_{i} 与高斯内核卷积:

      \frac{1}{16} \begin{bmatrix} 1 & 4 & 6 & 4 & 1 \\ 4 & 16 & 24 & 16 & 4 \\ 6 & 24 & 36 & 24 & 6 \\ 4 & 16 & 24 & 16 & 4 \\ 1 & 4 & 6 & 4 & 1 \end{bmatrix}

    • 将所有偶数行和列去除。

  • 显而易见,结果图像只有原图的四分之一。通过对输入图像 G_{0} (原始图像) 不停迭代以上步骤就会得到整个金字塔。

  • 以上过程描述了对图像的向下采样,如果将图像变大呢?:

    • 首先,将图像在每个方向扩大为原来的两倍,新增的行和列以0填充(0)
    • 使用先前同样的内核(乘以4)与放大后的图像卷积,获得 “新增像素” 的近似值。
  • 这两个步骤(向下和向上采样) 分别通过OpenCV函数 pyrUp 和 pyrDown 实现, 我们将会在下面的示例中演示如何使用这两个函数。

第 2 段(可获 2 积分)

Note

我们向下采样缩小图像的时候, 我们实际上 丢失 了一些信息。

源码

本教程的源码如下,你也可以从 这里 下载

#include "opencv2/imgproc/imgproc.hpp"
#include "opencv2/highgui/highgui.hpp"
#include <math.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

using namespace cv;

/// Global variables
Mat src, dst, tmp;
char* window_name = "Pyramids Demo";


/**
 * @function main
 */
int main( int argc, char** argv )
{
  /// General instructions
  printf( "\n Zoom In-Out demo  \n " );
  printf( "------------------ \n" );
  printf( " * [u] -> Zoom in  \n" );
  printf( " * [d] -> Zoom out \n" );
  printf( " * [ESC] -> Close program \n \n" );

  /// Test image - Make sure it s divisible by 2^{n}
  src = imread( "../images/chicky_512.jpg" );
  if( !src.data )
    { printf(" No data! -- Exiting the program \n");
      return -1; }

  tmp = src;
  dst = tmp;

  /// Create window
  namedWindow( window_name, CV_WINDOW_AUTOSIZE );
  imshow( window_name, dst );

  /// Loop
  while( true )
  {
    int c;
    c = waitKey(10);

    if( (char)c == 27 )
      { break; }
    if( (char)c == 'u' )
      { pyrUp( tmp, dst, Size( tmp.cols*2, tmp.rows*2 ) );
        printf( "** Zoom In: Image x 2 \n" );
      }
    else if( (char)c == 'd' )
     { pyrDown( tmp, dst, Size( tmp.cols/2, tmp.rows/2 ) );
       printf( "** Zoom Out: Image / 2 \n" );
     }

    imshow( window_name, dst );
    tmp = dst;
  }
  return 0;
}
第 3 段(可获 2 积分)

解释

  1. 让我们来回顾一下本程序的总体流程:

  2. 装载图像(此处路径由程序设定,用户无需将图像路径当作参数输入)

    /// 测试图像 - 尺寸必须能被 2^{n} 整除
    src = imread( "../images/chicky_512.jpg" );
    if( !src.data )
      { printf(" No data! -- Exiting the program \n");
        return -1; }
    
  3. 创建两个Mat实例, 一个用来储存操作结果(dst), 另一个用来存储零时结果(tmp)。

    Mat src, dst, tmp;
    /* ... */
    tmp = src;
    dst = tmp;
    
  4. 创建窗口显示结果

    namedWindow( window_name, CV_WINDOW_AUTOSIZE );
    imshow( window_name, dst );
    
  5. 执行无限循环,等待用户输入。

    while( true )
    {
      int c;
      c = waitKey(10);
    
      if( (char)c == 27 )
        { break; }
      if( (char)c == 'u' )
        { pyrUp( tmp, dst, Size( tmp.cols*2, tmp.rows*2 ) );
          printf( "** Zoom In: Image x 2 \n" );
        }
      else if( (char)c == 'd' )
       { pyrDown( tmp, dst, Size( tmp.cols/2, tmp.rows/2 ) );
         printf( "** Zoom Out: Image / 2 \n" );
       }
    
      imshow( window_name, dst );
      tmp = dst;
    }
    

    如果用户按 ESC 键程序退出。 此外,它还提供两个选项:

    • 向上采样 (按 ‘u’)

      pyrUp( tmp, dst, Size( tmp.cols*2, tmp.rows*2 )
      

      函数 pyrUp 接受了3个参数:

      • tmp: 当前图像, 初始化为原图像 src 。
      • dst: 目的图像( 显示图像,为输入图像的两倍)
      • Size( tmp.cols*2, tmp.rows*2 ) : 目的图像大小, 既然我们是向上采样, pyrUp 期待一个两倍于输入图像( tmp )的大小。
    • 向下采样(按 ‘d’)

      pyrDown( tmp, dst, Size( tmp.cols/2, tmp.rows/2 )
      

      类似于 pyrUp, 函数 pyrDown 也接受了3个参数:

      • tmp: 当前图像, 初始化为原图像 src 。
      • dst: 目的图像( 显示图像,为输入图像的一半)
      • Size( tmp.cols/2, tmp.rows/2 ) :目的图像大小, 既然我们是向下采样, pyrDown 期待一个一半于输入图像( tmp)的大小。
    • 注意输入图像的大小(在两个方向)必须是2的冥,否则,将会显示错误。

    • 最后,将输入图像 tmp 更新为当前显示图像, 这样后续操作将作用于更新后的图像。

      tmp = dst;
第 4 段(可获 2 积分)

结果

  • 在编译上面的代码之后, 我们可以运行结果。 程序调用了图像chicky_512.jpg ,你可以在 tutorial_code/image 文件夹找到它。 注意图像大小是 512 \times 512, 因此向下采样不会产生错误(512 = 2^{9})。 原图像如下所示:

    Pyramids: Original image
  • 首先按两次 ‘d’ 连续两次向下采样 pyrDown ,结果如图:

    Pyramids: PyrDown Result
  • 由于我们缩小了图像,我们也因此丢失了一些信息。通过连续按两次 ‘u’ 向上采样两次 pyrUp ,很明显图像有些失真:

    Pyramids: PyrUp Result
第 5 段(可获 2 积分)

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