简介

OpenCV（开源计算机视觉库：https://opencv.ac.cn）是一个包含数百种计算机视觉算法的开源库。本文档描述了所谓的 OpenCV 2.x API，它本质上是一个 C++ API，与基于 C 的 OpenCV 1.x API 不同（自 OpenCV 2.4 版本发布以来，C API 已被弃用且未通过“C”编译器测试）

OpenCV 具有模块化结构，这意味着该软件包包含多个共享或静态库。以下模块可用：

• 核心功能 (core) - 一个紧凑的模块，定义了基本数据结构，包括稠密多维数组 Mat 以及所有其他模块使用的基本函数。
• 图像处理 (imgproc) - 一个图像处理模块，包括线性与非线性图像滤波、几何图像变换（调整大小、仿射和透视扭曲、基于通用表的重映射）、色彩空间转换、直方图等。
• 图像文件读写 (imgcodecs) - 包含用于读写各种格式图像文件的函数。
• 视频 I/O (videoio) - 一个易于使用的视频捕获和视频编解码器接口。
• 高级 GUI (highgui) - 一个易于使用的简单 UI 功能接口。
• 视频分析 (video) - 一个视频分析模块，包括运动估计、背景减除和目标跟踪算法。
• 相机校准与三维重建 (calib3d) - 基本的多视图几何算法、单目和立体相机校准、物体姿态估计、立体匹配算法以及三维重建元素。
• 二维特征框架 (features2d) - 显著特征检测器、描述符和描述符匹配器。
• 目标检测 (objdetect) - 检测预定义类别中的物体和实例（例如，人脸、眼睛、马克杯、人物、汽车等）。
• 深度神经网络模块 (dnn) - 深度神经网络模块。
• 机器学习 (ml) - 机器学习模块包含一组用于数据统计分类、回归和聚类的类和函数。
• 计算摄影 (photo) - 高级照片处理技术，如去噪、图像修复。
• 图像拼接 (stitching) - 用于图像拼接和全景图创建的函数。
• ... 其他辅助模块，例如 FLANN 和 Google 测试包装器、Python 绑定等。

文档的后续章节将描述每个模块的功能。但首先，请务必熟悉库中广泛使用的通用 API 概念。

API 概念

cv 命名空间

所有 OpenCV 类和函数都位于 cv 命名空间中。因此，要在代码中访问此功能，请使用 cv:: 限定符或 using namespace cv; 指令

#include "opencv2/core.hpp"
...
cv::Mat H = cv::findHomography(points1, points2, cv::RANSAC, 5);
...

或者

#include "opencv2/core.hpp"
using namespace cv;
...
Mat H = findHomography(points1, points2, RANSAC, 5 );
...

一些当前或未来的 OpenCV 外部名称可能与 STL 或其他库冲突。在这种情况下，请使用显式命名空间限定符来解决名称冲突。

Mat a(100, 100, CV_32F);
randu(a, Scalar::all(1), Scalar::all(std::rand()));
cv::log(a, a);
a /= std::log(2.);

自动内存管理

OpenCV 自动处理所有内存。

首先，函数和方法使用的 std::vector、cv::Mat 以及其他数据结构都具有析构函数，这些析构函数在需要时会释放底层内存缓冲区。这意味着析构函数并不总是像 Mat 那样立即释放缓冲区。它们会考虑可能的数据共享。析构函数会递减与矩阵数据缓冲区关联的引用计数。只有当引用计数达到零时，即没有其他结构引用同一缓冲区时，才会释放缓冲区。类似地，当复制一个 Mat 实例时，并没有实际数据被复制。相反，引用计数会增加，以记录存在另一个相同数据的所有者。还有 cv::Mat::clone 方法，它会创建一个矩阵数据的完整副本。请看下面的例子：

// 创建一个大的 8Mb 矩阵
Mat A(1000, 1000, CV_64F);
 
// 为同一矩阵创建另一个头部；
// 这是一个即时操作，与矩阵大小无关。
Mat B = A;
// 为 A 的第三行创建另一个头部；也没有数据被复制
Mat C = B.row(3);
// 现在创建一个矩阵的独立副本
Mat D = B.clone();
// 将 B 的第五行复制到 C，即，将 A 的第五行复制
// 到 A 的第三行。
B.row(5).copyTo(C);
// 现在让 A 和 D 共享数据；之后修改后的版本
// 的 A 仍被 B 和 C 引用。
A = D;
// 现在将 B 设置为空矩阵（不引用任何内存缓冲区），
// 但修改后的 A 版本仍将被 C 引用，
// 尽管 C 只是原始 A 的单行。
B.release();
 
// 最后，对 C 进行完整复制。结果是，大的修改后的
// 矩阵将被释放，因为它不再被任何人引用。
C = C.clone();

您可以看到 Mat 和其他基本结构的使用非常简单。但是，对于没有考虑自动内存管理而创建的高级类甚至用户数据类型呢？对于它们，OpenCV 提供了类似于 C++11 中 std::shared_ptr 的 cv::Ptr 模板类。因此，与其使用普通指针：

T* ptr = new T(...);

您可以使用：

Ptr<T> ptr(new T(...));

或者

Ptr<T> ptr = makePtr<T>(...);

Ptr<T> 封装了一个指向 T 实例的指针以及与该指针关联的引用计数。有关详细信息，请参阅 cv::Ptr 的描述。

输出数据的自动分配

OpenCV 会自动释放内存，并且在大多数情况下，还会自动为输出函数参数分配内存。因此，如果一个函数有一个或多个输入数组（cv::Mat 实例）和一些输出数组，则输出数组会被自动分配或重新分配。输出数组的大小和类型由输入数组的大小和类型决定。如果需要，函数会接收额外的参数，以帮助确定输出数组的属性。

示例

#include "opencv2/imgproc.hpp"
#include "opencv2/highgui.hpp"
 
using namespace cv;
 
int main(int, char**)
{
    VideoCapture cap(0);
    if(!cap.isOpened()) return -1;
 
    Mat frame, edges;
namedWindow("edges", WINDOW_AUTOSIZE);
    for(;;)
    {
cap >> frame;
cvtColor(frame, edges, COLOR_BGR2GRAY);
GaussianBlur(edges, edges, Size(7,7), 1.5, 1.5);
Canny(edges, edges, 0, 30, 3);
imshow("edges", edges);
        if(waitKey(30) >= 0) break;
    }
    return 0;
}

数组 frame 由 >> 运算符自动分配，因为视频帧分辨率和位深度对于视频捕获模块是已知的。数组 edges 由 cvtColor 函数自动分配。它与输入数组具有相同的大小和位深度。通道数为 1，因为传递了颜色转换代码 cv::COLOR_BGR2GRAY，这意味着从彩色到灰度的转换。请注意，frame 和 edges 在循环体首次执行时只分配一次，因为所有后续视频帧都具有相同的分辨率。如果您以某种方式更改视频分辨率，数组将自动重新分配。

这项技术的关键组件是 cv::Mat::create 方法。它接受所需的数组大小和类型。如果数组已经具有指定的大小和类型，该方法不执行任何操作。否则，它会释放之前分配的数据（如果有）（这部分涉及递减引用计数并与零进行比较），然后分配所需大小的新缓冲区。大多数函数都会为每个输出数组调用 cv::Mat::create 方法，从而实现了自动输出数据分配。

该方案的一些显著例外是 cv::mixChannels、cv::RNG::fill 以及其他一些函数和方法。它们无法分配输出数组，因此您必须提前进行此操作。

饱和算术

作为计算机视觉库，OpenCV 经常处理图像像素，这些像素通常以紧凑的每通道 8 位或 16 位形式编码，因此值范围有限。此外，某些图像操作，如色彩空间转换、亮度/对比度调整、锐化、复杂插值（双三次、Lanczos），可能会产生超出可用范围的值。如果您只存储结果的最低 8 (16) 位，这会导致视觉伪影，并可能影响进一步的图像分析。为了解决这个问题，采用了所谓的饱和算术。

例如，要将操作结果 r 存储到 8 位图像中，您需要找到 0..255 范围内的最近值：

\[I(x,y)= \min ( \max (\textrm{round}(r), 0), 255)\]

类似的规则适用于 8 位有符号、16 位有符号和无符号类型。这种语义在库中随处可见。在 C++ 代码中，通过使用类似于标准 C++ 类型转换操作的 cv::saturate_cast<> 函数来完成。请看下面提供的公式的实现：

Definition interface.h:51

注意

其中 cv::uchar 是 OpenCV 的 8 位无符号整数类型。在优化的 SIMD 代码中，使用了 paddusb、packuswb 等 SSE2 指令。它们有助于实现与 C++ 代码中完全相同的行为。

当结果是 32 位整数时，不应用饱和处理。

固定像素类型。模板的有限使用

模板是 C++ 的一个强大特性，它能够实现非常强大、高效且安全的数据结构和算法。然而，过度使用模板可能会显著增加编译时间和代码大小。此外，当独占使用模板时，很难分离接口和实现。这对于基本算法可能没问题，但对于计算机视觉库来说就不太好了，因为单个算法可能跨越数千行代码。由于这个原因，也为了简化 Python、Java、Matlab 等不具有模板或模板能力有限的其他语言的绑定开发，当前的 OpenCV 实现基于多态性和运行时调度，而非模板。在那些运行时调度会太慢（如像素访问运算符）、不可能（泛型 cv::Ptr<> 实现）或仅仅非常不方便（cv::saturate_cast<>()）的地方，当前实现引入了小的模板类、方法和函数。在当前 OpenCV 版本的其他任何地方，模板的使用都是有限的。

• 因此，库可以操作的基本数据类型集合是有限且固定的。也就是说，数组元素应该具有以下类型之一：
• 8 位无符号整数 (uchar)
• 8 位有符号整数 (schar)
• 16 位无符号整数 (ushort)
• 16 位有符号整数 (short)
• 32 位有符号整数 (int)
• 32 位浮点数 (float)
• 64 位浮点数 (double)

多个元素的元组，其中所有元素具有相同类型（上述之一）。其元素为此类元组的数组称为多通道数组，与元素为标量值的单通道数组相对。最大可能通道数由 CV_CN_MAX 常量定义，目前设置为 512。

对于这些基本类型，应用以下枚举：

Definition interface.h:75

• 多通道（n 通道）类型可以使用以下选项指定：
• CV_8UC1 ... CV_64FC4 常量（适用于 1 到 4 个通道数）

注意

CV_8UC(n) ... CV_64FC(n) 或 CV_MAKETYPE(CV_8U, n) ... CV_MAKETYPE(CV_64F, n) 宏，当通道数大于 4 或在编译时未知时使用。

示例

#CV_32FC1 == #CV_32F, #CV_32FC2 == #CV_32FC(2) == #CV_MAKETYPE(CV_32F, 2)，并且 #CV_MAKETYPE(depth, n) == ((depth&7) + ((n-1)<<3)。这意味着常量类型由深度（取最低 3 位）和通道数减 1（取接下来的 log2(CV_CN_MAX) 位）组成。
Mat mtx(3, 3, CV_32F); // 创建一个 3x3 浮点矩阵
                           Mat cmtx(10, 1, CV_64FC2); // 创建一个 10x1 双通道浮点
// 矩阵（10 元素复向量）
                                    Mat img(Size(1920, 1080), CV_8UC3); // 创建一个 3 通道（彩色）图像，
// 宽 1920 像素，高 1080 像素。
                                                        Mat grayscale(img.size(), CV_MAKETYPE(img.depth(), 1)); // 创建一个单通道图像，
                                                        // 具有与 img 相同的尺寸和

Definition interface.h:85

• OpenCV 无法构建或处理具有更复杂元素的数组。此外，每个函数或方法只能处理所有可能数组类型的一个子集。通常，算法越复杂，支持的格式子集就越小。请看以下此类限制的典型示例：
• 人脸检测算法仅适用于 8 位灰度或彩色图像。
• 线性代数函数和大多数机器学习算法仅适用于浮点数组。
• 基本函数（如 cv::add）支持所有类型。

色彩空间转换函数支持 8 位无符号、16 位无符号和 32 位浮点类型。

每个函数支持的类型子集是根据实际需求定义的，未来可能会根据用户请求进行扩展。

InputArray 和 OutputArray

许多 OpenCV 函数处理稠密的二维或多维数值数组。通常，此类函数接受 cv::Mat 作为参数，但在某些情况下，使用 std::vector<>（例如，用于点集）或 cv::Matx<>（例如，用于 3x3 单应性矩阵等）会更方便。为了避免 API 中出现大量重复，引入了特殊的“代理”类。基本“代理”类是 cv::InputArray。它用于在函数输入时传递只读数组。派生自 InputArray 的类 cv::OutputArray 用于指定函数的输出数组。通常，您无需关心这些中间类型（也不应显式声明这些类型的变量）——一切都将自动运行。您可以假定，除了 InputArray/OutputArray，您始终可以使用 cv::Mat、std::vector<>、cv::Matx<>、cv::Vec<> 或 cv::Scalar。当函数具有可选的输入或输出数组，而您没有或不想要时，请传递 cv::noArray()。

错误处理

OpenCV 使用异常来指示关键错误。当输入数据格式正确且属于指定值范围，但算法因某种原因（例如，优化算法未收敛）无法成功时，它会返回一个特殊错误代码（通常只是一个布尔变量）。

异常可以是 cv::Exception 类或其派生类的实例。反过来，cv::Exception 是 std::exception 的派生类。因此，可以使用其他标准 C++ 库组件在代码中优雅地处理它。

try
{
异常通常通过 #CV_Error(errcode, description) 宏抛出，或其类似 printf 的 #CV_Error_(errcode, (printf-spec, printf-args)) 变体，或者使用 CV_Assert(condition) 宏，该宏检查条件并在不满足时抛出异常。对于性能关键的代码，有 CV_DbgAssert(condition)，它只在 Debug 配置中保留。由于自动内存管理，所有中间缓冲区在发生意外错误时都会自动释放。如果需要，您只需添加 try 语句来捕获异常：
}
... // 调用 OpenCV
{
    catch (const cv::Exception& e)
const char* err_msg = e.what();
}

std::cout << "捕获到异常： " << err_msg << std::endl;

多线程与可重入性