ROS图像传递总结

本文主要是总结7.15日到7.21日期间对ROS图像数据传递的学习，美其名曰总结，说白了就是搬砖。网页链接如下：

• Converting between ROS images and OpenCV images (C++)
• Writing a Simple Image Publisher (C++)
• Writing a Simple Image Subscriber (C++)
• Running the Simple Image Publisher and Subscriber with Different Transports

上述四个链接均是官网关于ROS图像传递的相关功能包和教程，最后一个链接还没有用到，所以没有详细看，只是记录在案。

1. Converting between ROS images and OpenCV images (C++)

该链接教程阐述了如何实现ROS图像和OpenCV之间的图像转换。ROS以sensor_msgs/image消息格式传递图像信息，而ROS库cvBridge为ROS和OpenCV的交互提供了接口。

image

1.1. ROS images => OpenCV images

CvBridge定义一个包含OpenCV图像、编码和ROS头的CvImage类。类定义如下：

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;
}

将ROS sensor_msgs/Image消息转换为CvImage时，CvBridge会采用两种不用的方式：

1. 如果需要修改本地数据，则必须制作一个ROS消息数据的副本
2. 如果无需修改本地数据，则可以直接共享ROS消息数据

CvBridge提供了以下函数实现CvImage转换：

// 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());

输入为图像消息指针和编码参数。编码指向目标CvImage。即使源数据格式和目标编码匹配，toCvCopy函数也会对ROS消息的图像数据进行拷贝，用户可以自由修改返回的CvImage数据；如果原图像数据格式和目标图像数据格式匹配，toCvShare函数将返回指向ROS消息数据中cv::Mat，只要您持有返回的CvImage数据的副本，就不会释放ROS消息数据。如果编码不匹配，它将分配一个新缓冲区并执行转换。返回的CvImage无法被修改，因为它可能与ROS图像消息共享数据，而ROS图像消息坑你与其他回调函数共享。

PS:常见使用案例如下：

//方法1:
cv_bridge::CvImagePtr cv_ptr;
cv_ptr = cv_bridge::toCvCopy(msg, sensors_msgs::image_encodings::BGR8);
cv::imshow("view", cv_ptr->image);

//方法2：
cv_bridge::CvImagePtr cv_ptr;
cv_ptr = cv_bridge::toCvShare(msg, sensors_msgs::image_encodings::BGR8);
cv::imshow("view", cv_ptr->image);

PS:当指向包含要转换的sensor_msgs/Image的其他消息类型(如stereo_msgs/DisparityImage)时，toCvShare的第二重载方式更加方便

如果没有给出编码，则目标图像编码将与图像消息编码相同。在这种情况下，toCvShare()保证不复制图像数据。图像编码可以是以下OpenCV图像编码中的任何一种：

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

对于常见的图像编码，CvBridge会进行必要的颜色和像素深度变换，为了使用该功能，指定编码为下列字符串：

字符串	编码	颜色格式
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

PS:mono8和bgr8是OpenCV大多数函数使用图像编码格式

最后，CvBridge会将Bayer模式编码作为8UC1编码格式，不会对Bayer格式进行互相转换；在典型的ROS系统中，这一步通过image_proc来实现。CvBridge识别以下Bayer编码：

• bayer_rggb8
• bayer_bggr8
• bayer_gbrg8
• bayer_grbg8

1.2. OpenCV images => ROS images

将CvImage图像转变为ROS图像，使用toImageMsg()成员函数：

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;
};

如果是一个已经分配的CvImage，需要填写对应的头文件和编码域。

PS:常见使用案例如下：

sensor_msgs::ImagePtr msg = cv_bridge::CvImage(std_msgs::Header(), "bgr8", cv::Mat srcImage).toImageMsg();

1.3. ROS图像节点实战

该节点监听ROS图像信息话题，将图像转换为cv::Mat，并在其上画圆，用OpenCV显示，然后重新借助ROS发布。

• 节点配置
  需要在节点中添加如下依赖项：

sensor_msgs
cv_bridge
roscpp
std_msgs
image_transport

• 在SRC文件夹下创建 image_convert.cpp

#include <ros/ros.h>
#include <image_transport/image_transport.h>        
//image_transport.h：在ROS中使用image_transport发布和订阅图像可以
//图像进行压缩
#include <cv_bridge/cv_bridge.h>
#include <sensor_msgs/image_encodings.h>
//上述两个头文件，包含Cv::Bridge头以及一些有用的常量和图像编码相关的函数
#include <opencv2/imgproc/imgproc.hpp>
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>
//上述头文件，包含进行图像处理和图像用户界面的模块，一定要将opencv2包含到package.xml文件中
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_)
  {
    // 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_tranport订阅图像话题和发布图像话题
    
    cv::namedWindow(OPENCV_WINDOW);
  }

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

  void imageCb(const sensor_msgs::ImageConstPtr& msg)
  {
    cv_bridge::CvImagePtr cv_ptr;
    try                 //对错误异常进行捕获，检查数据的有效性
    {
      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());
  }
  //在订阅到图像信息后，进行函数回调。首先将ROS图像信息转换到适合OpenCV调用的CvImage，
  //由于需要在图像上画圆，所以需要进行图像数据的副本拷贝，使用toCvCopy()。注意OpenCV
  //要求彩色图像使用BGR信道规则。
};

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

• 在上例中使用数据共享实例

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
}

如果传入的消息是bgr8编码的，cv_ptr将不会对数据进行复制。如果消息的编码格式不同，但可以进行转换编码，CvBridge将会为cv_ptr分配一个新的缓冲区并执行转换。如果没有异常处理，则只需要一行代码就够了；但如果是一个不支持的传入消息编码格式，则会中断该节点。

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
}

在这种情况下，我们想使用支持的颜色格式，如果不支持则返回到单色格式，如果输入的兔形象是bgr8或者mono8，可以避免数据拷贝。

1.2. Writing a Simple Image Publisher (C++)

1.3. Writing a Simple Image Subscriber (C++)

上述两个链接指向ROS官方的ROS图像节点的教程。为了避免文章太长，发布在另一篇博客中，ROS的相机节点