ROS圖像和OpenCV圖像相互轉換

描述： 本文將描述如何使用cv_bridge來將ROS圖像轉換爲OpenCV圖像，以及OpenCV轉爲ROS圖像。

1. 概念

在ROS中是以自己的sensor_msgs/Image格式對圖像進行處理的，但開發者可能會希望以OpenCV的格式對圖像進行處理。CvBridge就是一個提供ROS和OpenCV間接口的ROS庫，它可以在vision_opencv Stack的cv_bridge包中找到。

在本文中，你將學習如何編寫一個利用CvBridge將ROS圖像格式轉換爲OpenCV中的cv::Mat格式。還將學習如何將OpenCV圖像轉換爲ROS格式以在ROS中發佈。

1.1 從C-Tutle或更早的版本代碼遷移

關於OpenCV，在ROS Diamondback中有很大的api變化，雖然後向兼容維護了一陣，但從hydro開始有些已經被移除了，如sensor_msgs/CvBridge。關於遷移的問題見鏈接。

2. 轉換ROS圖像到OpenCV圖像

CvBridge中定義了一個包含OpenCV圖像及其編碼、ROS header的CvImage類型。CvImage中包含了sensor_msgs/Image中的所有信息，因此我們可以在這兩者間相互轉換。CvImage的class如下：

namespace cv_bridge {

class CvImage
{
public:
  std_msgs::Header header;
  std::string encoding;
  cv::Mat image;
};

typedef boost::shared_ptr<CvImage> CvImagePtr;
typedef boost::shared_ptr<CvImage const> CvImageConstPtr;

}

當從sensor_msgs/Image消息轉換到CvImage時，CvBridge認爲有兩種不同的用例：

我們想修改數據，需要拷貝一份數據。
我們不想修改數據，但需要使用CvImage格式，所以可以通過const指針共享該數據。

CvBridge中提供了以下函數來轉換到CvImage:

// Case 1: Always copy, returning a mutable CvImage
CvImagePtr toCvCopy(const sensor_msgs::ImageConstPtr& source,
                    const std::string& encoding = std::string());
CvImagePtr toCvCopy(const sensor_msgs::Image& source,
                    const std::string& encoding = std::string());

// Case 2: Share if possible, returning a const CvImage
CvImageConstPtr toCvShare(const sensor_msgs::ImageConstPtr& source,
                          const std::string& encoding = std::string());
CvImageConstPtr toCvShare(const sensor_msgs::Image& source,
                          const boost::shared_ptr<void const>& tracked_object,
                          const std::string& encoding = std::string());

函數的輸入是一個圖像指針，以及一個可選的編碼參數用於規定目標CvImage的編碼。

toCvCopy創建一個圖像數據的拷貝，你可以對返回的CvImage進行修改。

toCvShare將會返回一個指向ROS消息的cv::Mat const指針防止修改，只要你有返回的CvImage指針的拷貝，ROS消息就不會被釋放。如果編碼不匹配，ROS將分配一個新的buffer並執行轉換，但你還是不能對其進行修改。

注：當你有一個包含sensor_msgs/Image的其他消息類型的指針時，使用toCvShare的第二種重載方法將更爲方便。

如果沒有給定編碼信息，目標圖像的編碼將與源圖像一樣，在這種情況下toCvShare能保證不會對數據進行拷貝。圖像編碼可以是一下任意一種OpenCV支持的圖像編碼：

8UC[1-4]
8SC[1-4]
16UC[1-4]
16SC[1-4]
32SC[1-4]
32FC[1-4]
64FC[1-4]

對於某些常用的編碼，CvBridge提供了可選的color或pixel depth的轉換，要想使用這個特性，需要指定以下編碼格式：

mono8: CV_8UC1, grayscale image
mono16: CV_16UC1, 16-bit grayscale image
bgr8: CV_8UC3, color image with blue-green-red color order
rgb8: CV_8UC3, color image with red-green-blue color order
bgra8: CV_8UC4, BGR color image with an alpha channel
rgba8: CV_8UC4, RGB color image with an alpha channel

其中mono8和bgr8是大多數OpenCV函數所期望的圖像編碼格式。

最後，CvBridge也可以識別OpenCV中8UC1類型的Bayer pattern編碼，CvBridge將不會對Bayer pattern進行轉換，一般是由image_proc進行轉換的。CvBridge可以識別一下以下集中Bayer編碼：

bayer_rggb8
bayer_bggr8
bayer_gbrg8
bayer_grbg8

3. 將OpenCV圖像轉換爲ROS圖像消息

要轉換CvImage爲ROS圖像消息，可以使用toImageMsg()成員方法：

class CvImage
{
  sensor_msgs::ImagePtr toImageMsg() const;

  // Overload mainly intended for aggregate messages that contain
  // a sensor_msgs::Image as a member.
  void toImageMsg(sensor_msgs::Image& ros_image) const;
};

如果CvImage是你自己創建的，不要忘了填充header和編碼字段。對於自己創建CvImage的例子，可以參考發佈圖像教程

4. 一個ROS節點例子

這裏展示一個監聽ROS圖像消息話題的節點，並將該圖像轉換爲cv::Mat格式，然後使用OpenCV在圖像上畫一個圓並進行顯示。最後該圖像將在ROS中重新發布。

在你的package.xml和CMakeLists.xml（或者在你使用catkin_create_pkg時）添加一下依賴：

sensor_msgs
cv_bridge
roscpp
std_msgs
image_transport

在src文件夾中創建image_converter.cpp文件，內容如下：

#include <ros/ros.h>
#include <image_transport/image_transport.h>
#include <cv_bridge/cv_bridge.h>
#include <sensor_msgs/image_encodings.h>
#include <opencv2/imgproc/imgproc.hpp>
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>

static const std::string OPENCV_WINDOW = "Image window";

class ImageConverter
{
  ros::NodeHandle nh_;
  image_transport::ImageTransport it_;
  image_transport::Subscriber image_sub_;
  image_transport::Publisher image_pub_;

public:
  ImageConverter()
    : it_(nh_)
  {
    // Subscribe to input video feed and publish output video feed
    image_sub_ = it_.subscribe("/camera/image_raw", 1,
      &ImageConverter::imageCb, this);
    image_pub_ = it_.advertise("/image_converter/output_video", 1);

    cv::namedWindow(OPENCV_WINDOW);
  }

  ~ImageConverter()
  {
    cv::destroyWindow(OPENCV_WINDOW);
  }

  void imageCb(const sensor_msgs::ImageConstPtr& msg)
  {
    cv_bridge::CvImagePtr cv_ptr;
    try
    {
      cv_ptr = cv_bridge::toCvCopy(msg, sensor_msgs::image_encodings::BGR8);
    }
    catch (cv_bridge::Exception& e)
    {
      ROS_ERROR("cv_bridge exception: %s", e.what());
      return;
    }

    // Draw an example circle on the video stream
    if (cv_ptr->image.rows > 60 && cv_ptr->image.cols > 60)
      cv::circle(cv_ptr->image, cv::Point(50, 50), 10, CV_RGB(255,0,0));

    // Update GUI Window
    cv::imshow(OPENCV_WINDOW, cv_ptr->image);
    cv::waitKey(3);

    // Output modified video stream
    image_pub_.publish(cv_ptr->toImageMsg());
  }
};

int main(int argc, char** argv)
{
  ros::init(argc, argv, "image_converter");
  ImageConverter ic;
  ros::spin();
  return 0;
}

對代碼進行分解：

#include <image_transport/image_transport.h>

在ROS中使用image_transport發佈訂閱圖像可以讓你訂閱壓縮後的圖像流，記得在package.xml中include image_transport。

#include <cv_bridge/cv_bridge.h>
#include <sensor_msgs/image_encodings.h>

include CvBridge的頭文件以及image encodings(包含了很多有用的常量和函數)，記得在package.xml中include cv_bridge。

#include <opencv2/imgproc/imgproc.hpp>
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>

includeOpenCV的圖像處理和GUI模塊頭文件,記得在package.xml中include opencv2。

  ros::NodeHandle nh_;
  image_transport::ImageTransport it_;
  image_transport::Subscriber image_sub_;
  image_transport::Publisher image_pub_;

public:
  ImageConverter()
    : it_(nh_)
  {
    // Subscrive to input video feed and publish output video feed
    image_sub_ = it_.subscribe("/camera/image_raw", 1,
      &ImageConverter::imageCb, this);
    image_pub_ = it_.advertise("/image_converter/output_video", 1);

使用image_transport訂閱發佈圖像話題。

    cv::namedWindow(OPENCV_WINDOW);
  }

  ~ImageConverter()
  {
    cv::destroyWindow(OPENCV_WINDOW);
  }

在初始化和析構時調用OpenCV HighGUI來創建及銷燬窗口。

  void imageCb(const sensor_msgs::ImageConstPtr& msg)
  {
    cv_bridge::CvImagePtr cv_ptr;
    try
    {
      cv_ptr = cv_bridge::toCvCopy(msg, sensor_msgs::image_encodings::BGR8);
    }
    catch (cv_bridge::Exception& e)
    {
      ROS_ERROR("cv_bridge exception: %s", e.what());
      return;
    }

在我們的回調函數中，首先將ROS圖像消息轉換爲了CvImage以在OpenCV中使用。因爲我們需要在圖像中畫圓，所以需要一個圖像的拷貝，應使用toCvCopy()。sensor_msgs::image_encodings::BGR8是”bgr8”字符串常量。

調用toCvCopy()/toCvShared()時需要捕獲異常，因爲這些函數不會校驗數據的有效性。

    // Draw an example circle on the video stream
    if (cv_ptr->image.rows > 60 && cv_ptr->image.cols > 60)
      cv::circle(cv_ptr->image, cv::Point(50, 50), 10, CV_RGB(255,0,0));

    // Update GUI Window
    cv::imshow(OPENCV_WINDOW, cv_ptr->image);
    cv::waitKey(3);

在圖像中畫一個紅色的圓圈並進行顯示。

    // Output modified video stream
    image_pub_.publish(cv_ptr->toImageMsg());

將CvImage轉爲ROS圖像消息並進行發佈。

運行這個節點你需要一個圖像流，啓動一個攝像頭或者回放一個bag文件來生成圖像流。現在你可以將”in”topic重新映射remaaping到真實的圖像流話題。

如果你成功地轉換爲OpenCV圖像，你將在創建的窗口中看到添加圓圈之後的圖像。

你可以通過rostopic或image_view查看圖像來確認節點是否正確地發佈了圖像。

5. 共享圖像數據的例子

在上節中我們創建了圖像的拷貝，但共享圖像也很容易：

namespace enc = sensor_msgs::image_encodings;

void imageCb(const sensor_msgs::ImageConstPtr& msg)
{
  cv_bridge::CvImageConstPtr cv_ptr;
  try
  {
    cv_ptr = cv_bridge::toCvShare(msg, enc::BGR8);
  }
  catch (cv_bridge::Exception& e)
  {
    ROS_ERROR("cv_bridge exception: %s", e.what());
    return;
  }

  // Process cv_ptr->image using OpenCV
}

如果輸入圖像的編碼是”bgr8”，cv_ptr將會是圖像數據的一個別名而非拷貝。如果輸入圖像不是”bgr8”編碼但是可轉換爲”bgr8”編碼（如”mono8”），CvBridge將會爲cv_ptr分配一個新的buffer並執行轉換。如果沒有異常捕獲語句的話一行代碼就能共享圖像了，但可能輸入圖像的編碼無法轉換爲目標編碼從而導致節點崩潰。例如，當輸入圖像是從一個Bayer pattern攝像機的image_raw話題接收的，CvBridge將會拋出異常，因爲不支持Bayer到color的自動轉換。

一個稍微更復雜的例子：

namespace enc = sensor_msgs::image_encodings;

void imageCb(const sensor_msgs::ImageConstPtr& msg)
{
  cv_bridge::CvImageConstPtr cv_ptr;
  try
  {
    if (enc::isColor(msg->encoding))
      cv_ptr = cv_bridge::toCvShare(msg, enc::BGR8);
    else
      cv_ptr = cv_bridge::toCvShare(msg, enc::MONO8);
  }
  catch (cv_bridge::Exception& e)
  {
    ROS_ERROR("cv_bridge exception: %s", e.what());
    return;
  }

  // Process cv_ptr->image using OpenCV
}

在這個例子中，如果可以的話我們將使用color的編碼，不行的話就是用monochrome類型的編碼，如果輸入圖像是”bgr8”或”mono8”編碼，將不會進行拷貝。

譯：ROS圖像和OpenCV圖像相互轉換

ROS圖像和OpenCV圖像相互轉換

1. 概念

1.1 從C-Tutle或更早的版本代碼遷移

2. 轉換ROS圖像到OpenCV圖像

3. 將OpenCV圖像轉換爲ROS圖像消息

4. 一個ROS節點例子

5. 共享圖像數據的例子

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譯：ROS圖像和OpenCV圖像相互轉換

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