C++函数pyrUp和pyrDown来实现图像金字塔功能
目标
本文档尝试解答如下问题：
如何使用OpenCV函数 pyrUp 和 pyrDown 对图像进行向上和向下采样。
原理
Note 以下内容来自于Bradski和Kaehler的大作： Learning OpenCV 。
当我们需要将图像转换到另一个尺寸的时候， 有两种可能：
放大 图像 或者
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, 在以后的教程中会学到),不过在本篇我们首先学习一下使用 图像金字塔 来做图像缩放, 图像金字塔是视觉运用中广泛采用的一项技术。
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。
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:
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。
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;
/// 全局变量
Mat src, dst, tmp;
char* window_name = "Pyramids Demo";
/**
* @函数 main
*/
int main( int argc, char** argv )
{
/// 指示说明
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" );
/// 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; }
tmp = src;
dst = tmp;
/// 创建显示窗口
namedWindow( window_name, CV_WINDOW_AUTOSIZE );
imshow( window_name, dst );
/// 循环
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;
}
解释
让我们来回顾一下本程序的总体流程:
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; }
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;
创建窗口显示结果
namedWindow( window_name, CV_WINDOW_AUTOSIZE ); imshow( window_name, dst );
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;
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:
首先按两次 ‘d' 连续两次向下采样 pyrDown ，结果如图:
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：
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