福州大学《嵌入式系统综合设计》实验七：图像灰度直方图

一、实验目的

直方图是一种统计特征，在图像中广为使用，因为具有计算简便、不受平移、旋转的影响，因此可以作为图像的一种有效的局部/全局特征来表示图像，是图像的重要特征之一。直方图在SIFT算法、HOG算法、直方图均衡等图像特征检测算法中都广为使用。本实验的目的是让大家掌握bmcv_calc_hist、和OpenCV中calcHist函数的使用，可以计算出图像的直方图。

二、实验内容

搭建BMCV环境并成功运行bmcv_calc_hist例程

三、开发环境

开发主机：Ubuntu 22.04 LTS

硬件：算能SE5

四、实验器材

开发主机 + 云平台

五、实验过程与结论

本实验涉及的程序框架与实验4的图4-1一致，仅需根据具体调用的API函数配置相关参数即可，因此接下来重点介绍bmcv_calc_hist API函数的参数及其调用方法。图像灰度直方图因为可以反映图像中灰度的分布情况，常作为图像的一种重要特征。可以通过bmcv提供的bmcv_calc_hist函数实现。

5.1 bmcv_calc_hist函数介绍

bmcv_calc_hist函数形式如下：

bm_status_t bmcv_calc_hist ( bm_handle_t handle, bm_device_mem_t input,
bm_device_mem_t output,
int C, int H, int W,
const int *channels,
int dims,
const int *histSizes,
const float *ranges,
int inputDtype);

其中，handle为bm_handle 句柄； input为已分配好 device memory的输入信息，该device memory 空间存储了输入数据，类型可以是float32 或者uint8，由参数inputDtype决定，其大小为C*H*W*sizeof(Dtype)；Output为已分配好 device memory的直方图输出结果信息，该 device memory 空间存储了输出结果，类型为 float，其大小为 histSizes[0]* histSizes[1]*…… *histSizes[n]*sizeof(float)。

C为输入通道数，H为输入通道高度，W为输入通道宽度，channels为需要计算直方图的 channel 列表，其长度为 dims，每个元素的值必须小于 C；例如,RGB图像的C=3，而如果只需要计算R通道图像的直方图，则dims=1;

histSizes：对应每个 channel 统计直方图的份数， ranges：每个通道参与统计的范围，其长度为 2*dims; 例如，对位深为24bit的RGB图像，如果三个通道的颜色值都参加直方图统计，每个通道颜色取值范围从0到255，因此ranges为[0, 255, 0, 255, 0, 255],如果每个通道的值被分为8个bins，则histSizes为：[8,8,8];

inputDtype：输入数据的类型：0 表示 float，1 表示 uint8。

代码使用范例如下：

int H = 1024;
int W = 1024;
int C = 3;
int dim = 3;
int channels[3] = {0, 1, 2};
int histSizes[] = {15000, 32, 32};
float ranges[] = {0, 1000000, 0, 256, 0, 256};
int totalHists = 1;

for (int i = 0; i < dim; ++i) {
totalHists *= histSizes[i];
}
bm_handle_t handle = nullptr;
bm_status_t ret = bm_dev_request(&handle, 0);
float *inputHost = new float[C * H * W];
float *outputHost = new float[totalHists];

for (int i = 0; i < C; ++i) {
for (int j = 0; j < H * W; ++j)
inputHost[i * H * W + j] = static_cast<float>(rand() % 1000000);
}

//创建图像input，和保持直方图结果的output对象，分配内存；
ret = bmcv_calc_hist(handle,input, output, C, H, W,  channels, dim, histSizes, ranges, 0);

5.2 OpenCV calcHist函数

OpenCV 提供calcHist函数来实现直方图的计算，具体形式如下：

void cv::calcHist (	
    const Mat * images,
    int 	    nimages,
    const int * channels,
    InputArray 	mask,
    OutputArray hist,
    int 	    dims,
    const int * histSize,
    const float ** ranges,
    bool 	    uniform = true,
    bool 	    accumulate = false 
)

其中，images为输入的图像的指针；nimages为输入图像个数；channels为需要统计直方图的第几通道。
mask：掩模，mask必须是一个8位（CV_8U）的数组并且和images的数组大小相同；如果其值不为空，则,值为1的点将用来计算直方图。
hist：直方图计算的输出值；dims：输出直方图的维度（由channels指定）；histSize：直方图中每个dims维度需要分成多少个区间（如果把直方图看作一个一个竖条的话，就是竖条的个数）；ranges：统计像素值的区间；uniform=true：是否对得到的直方图数组进行归一化处理；accumulate= false：在多个图像时，是否累积计算像素值的个数；

调用时，参考代码如下：

//需要计算的图像的通道，灰度图像为3，BGR图像需要指定B,G,R
const int channels[] - {0 };
Mat hist; //定义输出Mat类型int dims = 1;
int dims = 1;//设置直方图维度
const int histSize[] - { 256 }; //直方图每一个维度划分的柱条的数目
//每一个维度取值范围
float pranges[] - { 0, 255 }; //取值区间
const float* ranges[] - { pranges };
calcHist(&gray,1, channels, Mat(), hist, dims, histSize，ranges, true, false);

5.3 画直方图

最后输出的结果可以通过OpenCV的rectangle函数将点连接起来画出直方图：

int scale = 2;
int hist_height = 256;
Mat hist_img = Mat::zeros(hist_height, 256 * scale, CV_8UC3);
double max_val;
Mat hist = Mat::zeros(1, 256 , CV_32FC3);;

for (int i = 0; i < 250; i++)
    hist.at<float>(i) = outputHost[i];

minMaxLoc(hist, 0, &max_val, 0, 0);
	
for (int i = 0; i < 250; i++)
{
    float bin_val = hist.at<float>(i);
	int intensity = cvRound(bin_val * hist_height / max_val);
    rectangle(hist_img, Point(i * scale, hist_height - 1), Point((i + 1) * scale - 1, 
                  hist_height - intensity), Scalar(255, 255, 255));
}
imwrite("bmcv_calc_hist_out.jpg", hist_img);

完整的源代码（bmcv_calc_hist.cpp）

#include <iostream>
#include "bmcv_api.h"
#include "bmcv_api_ext.h"
#include <opencv2/opencv.hpp>

int main(int argc, char* argv[]) {
    // 检查命令行参数
    if (argc != 2) {
        std::cerr << "用法: " << argv[0] << " <图像路径>" << std::endl;
        return -1;
    }

    // 读取图像
    cv::Mat image = cv::imread(argv[1]);
    if (image.empty()) {
        std::cerr << "错误: 无法读取图像。" << std::endl;
        return -1;
    }

    // 获取图像的高、宽和通道数
    int H = image.rows;
    int W = image.cols;
    int C = image.channels();
    int dim = 3;
    int channels[3] = {0, 1, 2};

    // 定义直方图参数
    int histSizes[] = {15000, 32, 32};
    float ranges[] = {0, 1000000, 0, 256, 0, 256};
    int totalHists = 1;
    for (int i = 0; i < dim; ++i)
        totalHists *= histSizes[i];

    // 初始化 BrainFrame 设备
    bm_handle_t handle = nullptr;
    bm_status_t ret = bm_dev_request(&handle, 0);

    // 分配主机内存用于输入和输出数据
    float* inputHost = new float[C * H * W];
    float* outputHost = new float[totalHists];

    // 随机生成浮点数，并将其存储到一维数组 inputHost 中，用于初始化图像数据
    for (int i = 0; i < C; ++i)
        for (int j = 0; j < H * W; ++j)
            inputHost[i * H * W + j] = static_cast<float>(rand() % 1000000);

    // 检查 BrainFrame 设备请求是否成功
    if (ret != BM_SUCCESS) {
        std::cerr << "bm_dev_request 失败，ret = " << ret << std::endl;
        exit(-1);
    }

    // 分配设备内存用于输入和输出数据
    bm_device_mem_t input, output;
    ret = bm_malloc_device_byte(handle, &input, C * H * W * 4);
    if (ret != BM_SUCCESS) {
        std::cerr << "bm_malloc_device_byte 失败，ret = " << ret << std::endl;
        exit(-1);
    }

    // 将输入数据从主机内存传输到设备内存
    ret = bm_memcpy_s2d(handle, input, inputHost);
    if (ret != BM_SUCCESS) {
        std::cerr << "bm_memcpy_s2d 失败，ret = " << ret << std::endl;
        exit(-1);
    }

    // 分配设备内存用于直方图计算结果
    ret = bm_malloc_device_byte(handle, &output, totalHists * 4);
    if (ret != BM_SUCCESS) {
        std::cerr << "bm_malloc_device_byte 失败，ret = " << ret << std::endl;
        exit(-1);
    }

    // 调用 BrainFrame 接口计算直方图
    ret = bmcv_calc_hist(handle, input, output, C, H, W, channels, dim, histSizes, ranges, 0);
    if (ret != BM_SUCCESS) {
        std::cerr << "bmcv_calc_hist 失败，ret = " << ret << std::endl;
        exit(-1);
    }

    // 将直方图结果从设备内存传输到主机内存
    ret = bm_memcpy_d2s(handle, outputHost, output);
    if (ret != BM_SUCCESS) {
        std::cerr << "bm_memcpy_d2s 失败，ret = " << ret << std::endl;
        exit(-1);
    }

    // 将输出保存为图像（假设 outputHost 表示像素值）
    cv::Mat outputImage(histSizes[1], histSizes[2], CV_32F, outputHost);
    cv::normalize(outputImage, outputImage, 0, 255, cv::NORM_MINMAX);
    cv::imwrite("bmcv_hist_out.jpg", outputImage);

    // 释放设备内存和 BrainFrame 设备
    bm_free_device(handle, input);
    bm_free_device(handle, output);
    bm_dev_free(handle);

    // 释放主机内存
    delete[] inputHost;
    delete[] outputHost;

    return 0;
}

完整的源代码（opencv_calc_hist.cpp）

#include <opencv2/opencv.hpp>

using namespace cv;

int main(int argc, char* argv[]) {
    // 检查命令行参数
    if (argc != 2) {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " <image_path>" << std::endl;
        return -1;
    }

    // 读取图像
    Mat gray = imread(argv[1], IMREAD_GRAYSCALE);
    if (gray.empty()) {
        std::cerr << "Error: Unable to read the image." << std::endl;
        return -1;
    }

    // 需要计算的图像的通道，灰度图像为0，BGR图像需要指定B,G,R
    const int channels[] = {0};
    Mat hist; // 定义输出Mat类型
    int dims = 1; // 设置直方图维度
    const int histSize[] = {256}; // 直方图每一个维度划分的柱条的数目
    float pranges[] = {0, 255}; // 取值区间
    const float* ranges[] = {pranges};

    // 计算直方图
    calcHist(&gray, 1, channels, Mat(), hist, dims, histSize, ranges, true, false);

    // 归一化直方图
    normalize(hist, hist, 0, 255, NORM_MINMAX);

    // 创建绘制直方图的图像
    int scale = 2;
    int hist_height = 256;
    Mat hist_img = Mat::zeros(hist_height, 256 * scale, CV_8UC3);

    // 找到直方图中的最大值
    double max_val;
    minMaxLoc(hist, 0, &max_val, 0, 0);

    // 绘制直方图
    for (int i = 0; i < 256; i++) {
        float bin_val = hist.at<float>(i);
        int intensity = cvRound(bin_val * hist_height / max_val);

        // 使用矩形绘制直方图柱条
        rectangle(hist_img, Point(i * scale, hist_height - 1), Point((i + 1) * scale - 1, hist_height - intensity), Scalar(255, 255, 255));
    }

    // 保存绘制好的直方图图像
    imwrite("opencv_calc_hist_out.jpg", hist_img);

    return 0;
}

7.4 执行结果

按照上述步骤，生成可执行文件并上传到算能盒子给可执行文件赋权限并执行：

root@ab162899a93b:/tmp/tmp6l8uq_dw# chmod 777 bmcv_calc_hist

root@ab162899a93b:/tmp/tmp6l8uq_dw# ./bmcv_calc_hist encodeImage.jpg

Open /dev/jpu successfully,device index = 0， jpu fd = 8,vpp fd = 9

执行结果如下：