2008年10月19日 星期日

OpenCV統計應用-CvHistogram直方圖資料結構

CvHistogram可以提供直方圖的計算,並且可以支援多個維度的直方圖設計,但是在繪製直方圖圖形的時候就需要自己用繪圖函式來繪製,CvHistogram算是一個比較複雜的資料結構,由於它在維度小於二的可以用密集的資料結構,CvMatND來設計,可以當它的直方圖維度大於二的時候,就必須要用到稀疏矩陣,CvSparseMat的方式,下面就是用CvHistogram結構計算一維直方圖的例子

CvHistogram一維設計
#include <cv.h>
#include <highgui.h>
#include <stdio.h>


int HistogramBins = 256;
float HistogramRange1[2]={0,255};
float *HistogramRange[1]={&HistogramRange1[0]};

int main()
{
    IplImage *Image1;
    CvHistogram *Histogram1;
    IplImage *HistogramImage1;

    Image1=cvLoadImage("Riverbank.jpg",0);

    Histogram1 = cvCreateHist(1,&HistogramBins,CV_HIST_ARRAY,HistogramRange);
    HistogramImage1 = cvCreateImage(cvSize(256,300),8,3);
    HistogramImage1->origin=1;

    cvCalcHist(&Image1,Histogram1);

    printf("type is : %d\n",Histogram1->type);
    printf("Low Bound is : %.f\n",Histogram1->thresh[0][0]);
    printf("Up Bound is : %.f\n",Histogram1->thresh[0][1]);
    printf("The Bins are : %d\n",((CvMatND *) Histogram1->bins)->dim[0].size);

    printf("\nGray Level Values:\n");
    for(int i=0;i<HistogramBins;i++)
    {
        printf("%.f \n",((CvMatND *) Histogram1->bins)->data.fl[i]);
        cvLine(HistogramImage1,cvPoint(i,0),cvPoint(i,(int)(cvQueryHistValue_1D(Histogram1,i)/10)),CV_RGB(127,127,127));
    }

    cvNamedWindow("Histogram",1);
    cvNamedWindow("Riverbank",1);
    cvShowImage("Riverbank",Image1);
    cvShowImage("Histogram",HistogramImage1);
    cvWaitKey(0);
}

原始圖片:


執行結果:


跟前面直接用矩陣累加設計出的統計直方圖一樣,到最後還是要自己用繪圖函式自己畫,CvHistogram這個資料結構的特色,它可以設定要用幾個區塊來呈現,這邊設立為256個區塊,而實際上,它可以用比較模糊的方式設定直方圖的區域,也就是可以小於256個的區塊數,是利用切割成n等分的方式,然後它可以自行設定上界(Up Bound)以及下界(Low Bound),在灰階圖裡面數據的範圍為0~255,而CvHistogram資料結構可以設立為上界30,下界200這樣的方式縮小範圍,而0~29,201~266這範圍內的數據將不會被計算,下面是CvHistogram資料結構的內容,分別為CV_HIST_ARRAY及CV_HIST_SPARSE兩種

1.


2.


CvHistogram的type固定都為CV_HIST_MAGIC_VAL這的參數,與上面程式cvCreateHist()所設定的CV_HIST_ARRAY無關,這也許是OpenCV裡面對於CvHistogram這個結構設計不良的地方,而對於CvHistogram資料結構的參數,定義如下

#define CV_HIST_ARRAY 0
#define CV_HIST_SPARSE 1
#define CV_HIST_TREE CV_HIST_SPARSE


因此,它的參數只有CV_HIST_ARRAY的多維矩陣CvMatND以及CV_HIST_SPARSE的稀疏矩陣CvSparseMat資料結構,而它的thresh是放上下界的資料,thresh2是放動態的維度上下界資料,而一般的直方圖數據資料都是放在bins裡面.而CvHistogram內的CvMatND結構則是在做快速初始化,bins以及mat都是使用同一個記憶體空間,而將直方圖資料的提取就要用到cvQueryHistValue_1D()這個函式了.

接著是將直方圖的空間分區塊的方式實作,將它分為50塊,並且上界為30,下界為200

CvHistogram結構區塊與上下界
#include <cv.h>
#include <highgui.h>
#include <stdio.h>


int HistogramBins = 50;
int HistogramBinWidth;
float HistogramRange1[2]={30,200};
float *HistogramRange[1]={&HistogramRange1[0]};

int main()
{
    IplImage *Image1;
    CvHistogram *Histogram1;
    IplImage *HistogramImage1;
    CvPoint Point1;
    CvPoint Point2;

    Image1=cvLoadImage("Riverbank.jpg",0);

    Histogram1 = cvCreateHist(1,&HistogramBins,CV_HIST_ARRAY,HistogramRange);
    HistogramImage1 = cvCreateImage(cvSize(256,300),8,3);
    cvSetZero(HistogramImage1);
    HistogramImage1->origin=1;
    HistogramBinWidth=256/HistogramBins;
    printf("The Bolck Width is : %d\n",HistogramBinWidth);
    cvCalcHist(&Image1,Histogram1);

    printf("Gray Level Values:\n");
    for(int i=0;i<HistogramBins;i++)
    {
        printf("%.f \n",((CvMatND *) Histogram1->bins)->data.fl[i]);
        Point1=cvPoint(i*HistogramBinWidth,0);
        Point2=cvPoint((i+1)*HistogramBinWidth,(int)cvQueryHistValue_1D(Histogram1,i)/50);

        cvRectangle(HistogramImage1,Point1,Point2,CV_RGB(127,127,127));
    }

    cvNamedWindow("Histogram",1);
    cvNamedWindow("Riverbank",1);
    cvShowImage("Riverbank",Image1);
    cvShowImage("Histogram",HistogramImage1);
    cvWaitKey(0);
}

執行結果:


因此,這邊就用cvRectangle()的方式來表達,對於CvHistogram這個資料結構,為什麼可以任意定義上下界以及區塊的個數呢?因為CvHistogram使用的是Look-up table(LUT)的方式,也就是查表法,開一個256大小空間的陣列,利用比例的縮放,縮放的數據存入Look-up table裡面,在利用索引的方式對應,而使用Look-up table最大的缺點為,無法取得很精確的數據,由於它是被比例縮放過的,因此除了範圍為256的可以求的完整的數值,LUT的用法會在後面使用到.

對於其他維度的直方圖,它的做法如下

三維直方圖擷取
#include <cv.h>
#include <highgui.h>
#include <stdio.h>


int Histogram3DBins[3] = {256,256,256};
float HistogramRange1[6]={0,255,0,255,0,255};
float *HistogramRange[3]={&HistogramRange1[0],&HistogramRange1[2],&HistogramRange1[4]};

void Print3DHistogram(CvHistogram *Histogram,int BinSize);

int main()
{
    CvHistogram *Histogram1;
    IplImage *Image1=cvLoadImage("Riverbank.jpg",1);
    IplImage *RedImage=cvCreateImage(cvGetSize(Image1),8,1);
    IplImage *GreenImage=cvCreateImage(cvGetSize(Image1),8,1);
    IplImage *BlueImage=cvCreateImage(cvGetSize(Image1),8,1);
    IplImage *ImageArray[3]={RedImage,GreenImage,BlueImage};

    cvSplit(Image1,BlueImage,GreenImage,RedImage,0);
    Histogram1 = cvCreateHist(3,Histogram3DBins,CV_HIST_SPARSE,HistogramRange);

    cvCalcHist(ImageArray,Histogram1);

    printf("3D Historgram Data\n");
    Print3DHistogram(Histogram1,256);

    cvNamedWindow("Riverbank",1);
    cvShowImage("Riverbank",Image1);

    cvWaitKey(0);
}

void Print3DHistogram(CvHistogram *Histogram,int BinSize)
{
    for(int i=0;i<BinSize;i++)
    {
        for(int j=0;j<BinSize;j++)
        {
            for(int k=0;k<BinSize;k++)
            {
                if(cvQueryHistValue_3D(Histogram,i,j,k)>10)
                {
                    printf("%.f\n",cvQueryHistValue_3D(Histogram,i,j,k));
                }
            }
        }
    }
}

執行結果:


上面是三個維度的統計直方圖,分別為R維度,G維度,B維度,並且分別被量化成256等分的區塊,同樣的,也是使用LUT的方法,由於這個統計直方圖非常的大,它所佔的區域為256*256*256的大小,而實際上累積的分佈只有一點點,所以說,對於高維度的統計直方圖就要用到稀疏矩陣,要不然會浪費大量的記憶體空間,但是對於多維度的圖表呈現,OpenCV最多也只能支援到一維的方式,二維的方式可以用OpenGL(glut)呈現,當然高的維度本來就很難用視覺化的方式呈現.

cvCreateHist()
初始化CvHistogram資料結構,可以選擇密集矩陣(CvMatND)CV_HIST_ARRAY以及稀疏矩陣(CvSparseMat)CV_HIST_SPARSE,第一個引數為維度的選擇,第二個引數為要將直方圖切割為多少區塊,第三個引數為選擇cvCreateHist()函數的參數或代號,第四個引數為每一個維度的上下界
cvCreateHist(輸入int型別直方圖維度,輸入int型別直方圖區塊數,輸入參數或代號,輸入每個維度的上下界數據)

cvCalcHist()
計算直方圖累積數據,第一個引數為輸入目標IplImage圖形陣列資料結構,第二個引數輸出為CvHistogram資料結構
cvCalcHist(輸入目標IplImage圖形陣列資料結構,輸出為CvHistogram資料結構)

cvQueryHistValue_1D()
讀取CvHistogram資料結構一維空間的圖形直方圖資料,它在OpenCV的"cvcompat.h"函式庫被定義為

#define cvQueryHistValue_1D( hist, idx0 ) ((float)cvGetReal1D( (hist)->bins, (idx0)))

因此回傳的是float型別的資料,輸入CvHistogram資料結構,以及輸入一維資料結構的Index索引數據
cvQueryHistValue_1D(輸入CvHistogram資料結構,輸入一維int型別數據索引)

cvQueryHistValue_2D()
讀取CvHistogram資料結構二維空間的圖形直方圖資料,它在OpenCV的"cvcompat.h"函式庫被定義為

#define cvQueryHistValue_2D( hist, idx0, idx1 ) ((float)cvGetReal2D( (hist)->bins, (idx0), (idx1)))

回傳float型別的資料,第一個引數為輸入CvHistogram資料結構,第二個引數為輸入二維資料結構的x軸索引數據,第三個引數為y軸索引數據
cvQueryHistValue_2D(輸入CvHistogram資料結構,輸入二維int型別x軸數據索引,輸入二維int型別y軸數據索引)

cvQueryHistValue_3D()
讀取CvHistogram資料結構三維空間的圖形直方圖資料,它在OpenCV的"cvcompat.h"函式庫被定義為

#define cvQueryHistValue_3D( hist, idx0, idx1, idx2 ) ((float)cvGetReal3D( (hist)->bins, (idx0), (idx1), (idx2)))

回傳float型別的資料,第一個引數為輸入CvHistogram資料結構,第二個引數為輸入三維資料結構的x軸索引數據,第三個引數為輸入y軸索引數據,第四個引數為輸入z軸索引數據
cvQueryHistValue_3D(輸入CvHistogram資料結構,輸入三維int型別x軸數據索引,輸入三維int型別y軸數據索引,輸入三維int型別z軸數據索引)



5 意見:

Brian 提到...

您好:
我想請教一下,輸出圖像為彩圖的那個程式,他的output數字代表什麼,因為我正在做相關的專題研究(大學專題),目前我想做的是將兩張照片的亮度調成接近一致,這樣做接合的動作時較不易看出接縫,因此想請教你直方圖輸出的值那代表的是什麼? 方便的話能否答覆。謝謝您

yester 提到...

一個以RGB為座標軸的三維座標系的立體空間,只能用OpenGL才能把它畫出來

匿名 提到...

最近也在研究直方图,看了您的文章受益匪浅:)

看了您的代码后,做了试验。又计算直方图的总和sum。对于400*300的图像,其直方图总和应该是120000,可结果却不是。

CvMat mat;double sum;
cvGetMat( Histogram1->bins, &mat, 0, 1 );
sum = cvSum( &mat ).val[0];

只有将
float HistogramRange1[2]={0,255};
改为
float HistogramRange1[2]={0,256};
结果才正确!

可能是OpenCV的一个bug!
建议将所有教程中的range设为0,如:
cvCreateHist(1,&HistogramBins,CV_HIST_ARRAY,0);再次谢谢您的优秀的教程,祝越来越好!

我的主页:shenlejun.cn

匿名 提到...

您好,最近學校課程有上到直方圖以及灰階部分,想請問如果想要只要讀取圖片的左上方1/4部分做直方圖列印應該如何做修正呢? 煩請您撥空回答.

匿名 提到...

請問該如何顯示X和Y軸的數值??
另外請教該如何去做水平和垂直投影直方圖??
謝謝

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