OpenCV源码阅读(1)---matx.h---mat类与vec类

matx.h

matx类是opencv中的一个基础类，其位于core模块中，所执行的操作时opencv矩阵和向量的运算。如果熟悉基于matlab的图像处理，那么很容易想到，所有对图像的操作归根结底都是对矩阵的操作。尽管matx类不是opencv最基础的类，但是我认为以此进入图像处理学习和熟悉c++程序是合适的。

1.头文件和基础

#ifndef __OPENCV_CORE_MATX_HPP__
#define __OPENCV_CORE_MATX_HPP__

#ifndef __cplusplus
#  error matx.hpp header must be compiled as C++
#endif

#include "opencv2/core/cvdef.h"
#include "opencv2/core/base.hpp"
#include "opencv2/core/traits.hpp"

这是matx类所包含的头文件。其中cvdef.h是opencv的宏定义，定义了基本的cv数据类型等。base.h和traits.h的意义被我忘了，回头补吧。

这也说明了写文档的重要性，不写就忘了。

namespace cv
{

这是表示使用cv这个namespace用’{‘扩起来的范围使用的都是cv

2.矩阵操作定义

struct CV_EXPORTS Matx_AddOp {};
struct CV_EXPORTS Matx_SubOp {};
struct CV_EXPORTS Matx_ScaleOp {};
struct CV_EXPORTS Matx_MulOp {};
struct CV_EXPORTS Matx_DivOp {};
struct CV_EXPORTS Matx_MatMulOp {};
struct CV_EXPORTS Matx_TOp {};

这里定义了矩阵的基本运算，加、减、缩放、乘、除、矩阵乘法、转置，使用的是结构体定义的方式，但是没有具体给出结构体里的内容。注意着只是头文件。继续往下看。

3.matx类声明

template<typename _Tp, int m, int n> class Matx
{
public:
    enum { depth    = DataType<_Tp>::depth,
           rows     = m,
           cols     = n,
           channels = rows*cols,
           type     = CV_MAKETYPE(depth, channels),
           shortdim = (m < n ? m : n)
         };

    typedef _Tp                           value_type;
    typedef Matx<_Tp, m, n>               mat_type;
    typedef Matx<_Tp, shortdim, 1> diag_type;

这里进入正题，使用了类模板的定义方式。

template<typename _Tp,int m,int n> class Matx

这种写法称为模板操作。
首先是一个枚举数据结构，给matx的公有成员进行赋值，值得注意的是channels定义为矩阵的行乘以列。也就是矩阵元素总数。接下来利用别名机制，定义了value–矩阵值的类型，mat–type，这个指矩阵的类型，包含矩阵值类型，行，列数目。最后是diag_type，数据类型是matx_是一个k行一列的矩阵，k是m,n中较小的值，有可能是矩阵的秩。

3.1 类的构造函数

Matx();

    Matx(_Tp v0); //!< 1x1 matrix
    Matx(_Tp v0, _Tp v1); //!< 1x2 or 2x1 matrix
    Matx(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2); //!< 1x3 or 3x1 matrix
    Matx(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3); //!< 1x4, 2x2 or 4x1 matrix
    Matx(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3, _Tp v4); //!< 1x5 or 5x1 matrix
    Matx(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3, _Tp v4, _Tp v5); //!< 1x6, 2x3, 3x2 or 6x1 matrix
    Matx(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3, _Tp v4, _Tp v5, _Tp v6); //!< 1x7 or 7x1 matrix
    Matx(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3, _Tp v4, _Tp v5, _Tp v6, _Tp v7); //!< 1x8, 2x4, 4x2 or 8x1 matrix
    Matx(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3, _Tp v4, _Tp v5, _Tp v6, _Tp v7, _Tp v8); //!< 1x9, 3x3 or 9x1 matrix
    Matx(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3, _Tp v4, _Tp v5, _Tp v6, _Tp v7, _Tp v8, _Tp v9); //!< 1x10, 2x5 or 5x2 or 10x1 matrix
    Matx(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3,
         _Tp v4, _Tp v5, _Tp v6, _Tp v7,
         _Tp v8, _Tp v9, _Tp v10, _Tp v11); //!< 1x12, 2x6, 3x4, 4x3, 6x2 or 12x1 matrix
    Matx(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3,
         _Tp v4, _Tp v5, _Tp v6, _Tp v7,
         _Tp v8, _Tp v9, _Tp v10, _Tp v11,
         _Tp v12, _Tp v13, _Tp v14, _Tp v15); //!< 1x16, 4x4 or 16x1 matrix
    explicit Matx(const _Tp* vals); //!< initialize from a plain array

其实在vs2010里看见的是一个非常漂亮的三角形，但是在网页上就不那么漂亮了。这里一共14个构造函数，除去第一个是缺省构造函数，最后一个是利用数组来对矩阵进行复制以外。其他都老老实实用参数对matx类进行复制初始化。
这里说一下explicit关键字，这是用来防止隐式转换发生的。搬运百度百科一个很好的例子

class Test1
{
public:
Test1(int n)
{
num=n;
}//普通构造函数
private:
int num;
};
class Test2
{
public:
explicit Test2(int n)
{
num=n;
}//explicit(显式)构造函数
private:
int num;
};
int main()
{
Test1 t1=12;//隐式调用其构造函数,成功
Test2 t2=12;//编译错误,不能隐式调用其构造函数
Test2 t2(12);//显式调用成功
return 0;
}
也就是说，opencv允许了使用matx mat(val)这样以数组初始化矩阵的方式，但是不允许写成matx mat = val这样的形式。

继续看源码

    static Matx all(_Tp alpha);
    static Matx zeros();
    static Matx ones();
    static Matx eye();
    static Matx diag(const diag_type& d);
    static Matx randu(_Tp a, _Tp b);
    static Matx randn(_Tp a, _Tp b);

这里定义了6个函数，函数返回值的类型都是Matx类，并且这都是静态成员函数，代表其可以调用类内的静态数据成员。不能调用非静态数据成员，据说是因为静态成员函数不包含this指针。
这些函数的作用是生成特殊矩阵，如：所有元素全部一样，零矩阵，全部都是1的矩阵，单位阵，对角阵，随机阵。

3.2 类的成员函数—矩阵操作

    //! dot product computed with the default precision
    _Tp dot(const Matx<_Tp, m, n>& v) const;
    //! dot product computed in double-precision arithmetics
    double ddot(const Matx<_Tp, m, n>& v) const;

定义了矩阵的点积，其中_Tp是函数模板类型，也就是矩阵元素的类型，在此处属于重载函数，让点积的类型和元素类型相同。dot函数的输入参数是一个矩阵。属于常成员函数。

常成员函数只能读取类的成员变量，而不能修改它。是对数据的保护。

    //! convertion to another data type
    template<typename T2> operator Matx<T2, m, n>() const;

为什么使用新的模板呢？这是个值得思考的问题需要看这个函数的实现方式来确定

    //! change the matrix shape
    template<int m1, int n1> Matx<_Tp, m1, n1> reshape() const;

reshape函数，返回值是Matx类型。

    //! extract part of the matrix
    template<int m1, int n1> Matx<_Tp, m1, n1> get_minor(int i, int j) const;

    //! extract the matrix row
    Matx<_Tp, 1, n> row(int i) const;

    //! extract the matrix column
    Matx<_Tp, m, 1> col(int i) const;

    //! extract the matrix diagonal
    diag_type diag() const;

    //! transpose the matrix
    Matx<_Tp, n, m> t() const;

上述函数都定义了矩阵的操作，返回类型都是矩阵。唯有diag_type也就是提取对角元素的函数例外，从前面的分析可知，diag_type是矩阵类型的数据，一行，k列，k是m,n中小的。

    //! invert the matrix
    Matx<_Tp, n, m> inv(int method=DECOMP_LU, bool *p_is_ok = NULL) const;

    //! solve linear system
    template<int l> Matx<_Tp, n, l> solve(const Matx<_Tp, m, l>& rhs, int flags=DECOMP_LU) const;
    Vec<_Tp, n> solve(const Vec<_Tp, m>& rhs, int method) const;

上面的操作时对矩阵求逆和求取线性方程的值，使用了标识符DECOMP_LU,这个应该属于一种宏定义，在头文件中可以找到它的踪迹。

    //! multiply two matrices element-wise
    Matx<_Tp, m, n> mul(const Matx<_Tp, m, n>& a) const;

    //! divide two matrices element-wise
    Matx<_Tp, m, n> div(const Matx<_Tp, m, n>& a) const;

这里表达的是矩阵乘除对应元素，相当于matlab中的 .* 和./

    //! element access
    const _Tp& operator ()(int i, int j) const;
    _Tp& operator ()(int i, int j);

    //! 1D element access
    const _Tp& operator ()(int i) const;
    _Tp& operator ()(int i);

将操作符重载为常成员函数和普通成员函数，操作符的结合数为i和j

    Matx(const Matx<_Tp, m, n>& a, const Matx<_Tp, m, n>& b, Matx_AddOp);
    Matx(const Matx<_Tp, m, n>& a, const Matx<_Tp, m, n>& b, Matx_SubOp);
    template<typename _T2> Matx(const Matx<_Tp, m, n>& a, _T2 alpha, Matx_ScaleOp);
    Matx(const Matx<_Tp, m, n>& a, const Matx<_Tp, m, n>& b, Matx_MulOp);
    Matx(const Matx<_Tp, m, n>& a, const Matx<_Tp, m, n>& b, Matx_DivOp);
    template<int l> Matx(const Matx<_Tp, m, l>& a, const Matx<_Tp, l, n>& b, Matx_MatMulOp);
    Matx(const Matx<_Tp, n, m>& a, Matx_TOp);

这里声明的是矩阵的操作，操作方法是常引用矩阵a,b同时输入一个结构体Matx_*Op但是这个结构体在定义时并没有任何成员，为什么要这样写呢？需要继续查看函数的定义。

3.3 类的数据成员

    _Tp val[m*n]; //< matrix elements
};

终于找到你！！！！原来矩阵类的核心就是这个m*n的数组！！！！！
到此为止，整个matx类声明结束了。

matx.h头文件matx类阅读—————20150512未完待续

宏定义——矩阵类型

在matx类的声明之后，是一串宏定义，用于方便的定义各种矩阵。

typedef Matx<float, 1, 2> Matx12f;
typedef Matx<double, 1, 2> Matx12d;
typedef Matx<float, 1, 3> Matx13f;
typedef Matx<double, 1, 3> Matx13d;
typedef Matx<float, 1, 4> Matx14f;
typedef Matx<double, 1, 4> Matx14d;
typedef Matx<float, 1, 6> Matx16f;
typedef Matx<double, 1, 6> Matx16d;

typedef Matx<float, 2, 1> Matx21f;
typedef Matx<double, 2, 1> Matx21d;
typedef Matx<float, 3, 1> Matx31f;
typedef Matx<double, 3, 1> Matx31d;
typedef Matx<float, 4, 1> Matx41f;
typedef Matx<double, 4, 1> Matx41d;
typedef Matx<float, 6, 1> Matx61f;
typedef Matx<double, 6, 1> Matx61d;

typedef Matx<float, 2, 2> Matx22f;
typedef Matx<double, 2, 2> Matx22d;
typedef Matx<float, 2, 3> Matx23f;
typedef Matx<double, 2, 3> Matx23d;
typedef Matx<float, 3, 2> Matx32f;
typedef Matx<double, 3, 2> Matx32d;

typedef Matx<float, 3, 3> Matx33f;
typedef Matx<double, 3, 3> Matx33d;

typedef Matx<float, 3, 4> Matx34f;
typedef Matx<double, 3, 4> Matx34d;
typedef Matx<float, 4, 3> Matx43f;
typedef Matx<double, 4, 3> Matx43d;

typedef Matx<float, 4, 4> Matx44f;
typedef Matx<double, 4, 4> Matx44d;
typedef Matx<float, 6, 6> Matx66f;
typedef Matx<double, 6, 6> Matx66d;

这里通过给类型名取别名的方式，定义了不同大小，不同数据结构的矩阵型类型名。

vec类

vec类是退化后的matx类，也就是只有一列的矩阵，定义为
template<tempname _Tp,int m> class vec:pulic Matx(_Tp,m,1)

template<typename _Tp, int cn> class Vec : public Matx<_Tp, cn, 1>
{
public:
    typedef _Tp value_type;
    enum { depth    = Matx<_Tp, cn, 1>::depth,
           channels = cn,
           type     = CV_MAKETYPE(depth, channels)
         };

    //! default constructor
    Vec();

    Vec(_Tp v0); //!< 1-element vector constructor
    Vec(_Tp v0, _Tp v1); //!< 2-element vector constructor
    Vec(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2); //!< 3-element vector constructor
    Vec(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3); //!< 4-element vector constructor
    Vec(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3, _Tp v4); //!< 5-element vector constructor
    Vec(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3, _Tp v4, _Tp v5); //!< 6-element vector constructor
    Vec(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3, _Tp v4, _Tp v5, _Tp v6); //!< 7-element vector constructor
    Vec(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3, _Tp v4, _Tp v5, _Tp v6, _Tp v7); //!< 8-element vector constructor
    Vec(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3, _Tp v4, _Tp v5, _Tp v6, _Tp v7, _Tp v8); //!< 9-element vector constructor
    Vec(_Tp v0, _Tp v1, _Tp v2, _Tp v3, _Tp v4, _Tp v5, _Tp v6, _Tp v7, _Tp v8, _Tp v9); //!< 10-element vector constructor
    explicit Vec(const _Tp* values);

    Vec(const Vec<_Tp, cn>& v);

    static Vec all(_Tp alpha);

    //! per-element multiplication
    Vec mul(const Vec<_Tp, cn>& v) const;

    //! conjugation (makes sense for complex numbers and quaternions)
    Vec conj() const;

    /*!
      cross product of the two 3D vectors.

      For other dimensionalities the exception is raised
    */
    Vec cross(const Vec& v) const;
    //! convertion to another data type
    template<typename T2> operator Vec<T2, cn>() const;

    /*! element access */
    const _Tp& operator [](int i) const;
    _Tp& operator[](int i);
    const _Tp& operator ()(int i) const;
    _Tp& operator ()(int i);

    Vec(const Matx<_Tp, cn, 1>& a, const Matx<_Tp, cn, 1>& b, Matx_AddOp);
    Vec(const Matx<_Tp, cn, 1>& a, const Matx<_Tp, cn, 1>& b, Matx_SubOp);
    template<typename _T2> Vec(const Matx<_Tp, cn, 1>& a, _T2 alpha, Matx_ScaleOp);
};

/* \typedef
   Shorter aliases for the most popular specializations of Vec<T,n>
*/
typedef Vec<uchar, 2> Vec2b;
typedef Vec<uchar, 3> Vec3b;
typedef Vec<uchar, 4> Vec4b;

typedef Vec<short, 2> Vec2s;
typedef Vec<short, 3> Vec3s;
typedef Vec<short, 4> Vec4s;

typedef Vec<ushort, 2> Vec2w;
typedef Vec<ushort, 3> Vec3w;
typedef Vec<ushort, 4> Vec4w;

typedef Vec<int, 2> Vec2i;
typedef Vec<int, 3> Vec3i;
typedef Vec<int, 4> Vec4i;
typedef Vec<int, 6> Vec6i;
typedef Vec<int, 8> Vec8i;

typedef Vec<float, 2> Vec2f;
typedef Vec<float, 3> Vec3f;
typedef Vec<float, 4> Vec4f;
typedef Vec<float, 6> Vec6f;

typedef Vec<double, 2> Vec2d;
typedef Vec<double, 3> Vec3d;
typedef Vec<double, 4> Vec4d;
typedef Vec<double, 6> Vec6d;

/*!
  traits
*/
template<typename _Tp, int cn> class DataType< Vec<_Tp, cn> >
{
public:
    typedef Vec<_Tp, cn>                               value_type;
    typedef Vec<typename DataType<_Tp>::work_type, cn> work_type;
    typedef _Tp                                        channel_type;
    typedef value_type                                 vec_type;

    enum { generic_type = 0,
           depth        = DataType<channel_type>::depth,
           channels     = cn,
           fmt          = DataType<channel_type>::fmt + ((channels - 1) << 8),
           type         = CV_MAKETYPE(depth, channels)
         };
};

/*!
 Comma-separated Vec Initializer
*/
template<typename _Tp, int m> class VecCommaInitializer : public MatxCommaInitializer<_Tp, m, 1>
{
public:
    VecCommaInitializer(Vec<_Tp, m>* _vec);
    template<typename T2> VecCommaInitializer<_Tp, m>& operator , (T2 val);
    Vec<_Tp, m> operator *() const;
};

/*!
 Utility methods
*/
template<typename _Tp, int cn> static Vec<_Tp, cn> normalize(const Vec<_Tp, cn>& v);

这完全就是matx类的翻版。具体解释参考matx类。

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