Javascript图像处理—虚拟边缘介绍及使用方法

前言
上一篇文章，我们来给矩阵添加一些常用方法，这篇文章将讲解图像的虚拟边缘。

虚拟边缘
虚拟边缘就是按照一定映射关系，给图像添加边缘。
那么虚拟边缘有什么用呢？比如可以很容易做一个倒影的效果：
 
当然这只是附带效果了，虚拟边缘主要用在图像卷积运算（例如平滑操作）时候，由于卷积运算的特点，需要将图片扩大才能对边角进行卷积运算，这时候就需要对图片进行预处理，添加虚拟边缘。
说白了，就是在一些图片处理前进行预处理。

边缘类型
这里参考OpenCV相关文档的边缘描述：

/* 
Various border types, image boundaries are denoted with '|' 
* BORDER_REPLICATE: aaaaaa|abcdefgh|hhhhhhh 
* BORDER_REFLECT: fedcba|abcdefgh|hgfedcb 
* BORDER_REFLECT_101: gfedcb|abcdefgh|gfedcba 
* BORDER_WRAP: cdefgh|abcdefgh|abcdefg 
* BORDER_CONSTANT: iiiiii|abcdefgh|iiiiiii with some specified 'i' 
*/

举个例子BODER_REFLECT就是对于某一行或某一列像素点：

abcdefgh
其左的虚拟边缘对应为fedcba，右边对应为hgfedcb，也就是反射映射。上图就是通过对图片底部进行添加BORDER_REFLECT类型的虚拟边缘得到的。
而BORDER_CONSTANT则是所有边缘都是固定值i。
实现
因为BORDER_CONSTANT比较特殊，所以和其他类型分开处理。

function copyMakeBorder(__src, __top, __left, __bottom, __right, __borderType, __value){ 
if(__src.type != "CV_RGBA"){ 
console.error("不支持类型！"); 
} 
if(__borderType === CV_BORDER_CONSTANT){ 
return copyMakeConstBorder_8U(__src, __top, __left, __bottom, __right, __value); 
}else{ 
return copyMakeBorder_8U(__src, __top, __left, __bottom, __right, __borderType); 
} 
};

这个函数接受一个输入矩阵src，每个方向要添加的像素大小top，left，bottom，right，边缘的类型borderType，还有一个数组value，即如果是常数边缘时候添加的常数值。
然后我们引入一个边缘的映射关系函数borderInterpolate。

function borderInterpolate(__p, __len, __borderType){ 
if(__p < 0 || __p >= __len){ 
switch(__borderType){ 
case CV_BORDER_REPLICATE: 
__p = __p < 0 ? 0 : __len - 1; 
break; 
case CV_BORDER_REFLECT: 
case CV_BORDER_REFLECT_101: 
var delta = __borderType == CV_BORDER_REFLECT_101; 
if(__len == 1) 
return 0; 
do{ 
if(__p < 0) 
__p = -__p - 1 + delta; 
else 
__p = __len - 1 - (__p - __len) - delta; 
}while(__p < 0 || __p >= __len) 
break; 
case CV_BORDER_WRAP: 
if(__p < 0) 
__p -= ((__p - __len + 1) / __len) * __len; 
if(__p >= __len) 
__p %= __len; 
break; 
case CV_BORDER_CONSTANT: 
__p = -1; 
default: 
error(arguments.callee, UNSPPORT_BORDER_TYPE/* {line} */); 
} 
} 
return __p; 
};

这个函数的意义是对于原长度为len的某一行或者某一列的虚拟像素点p（p一般是负数或者大于或等于该行原长度的数，负数则表示该行左边的像素点，大于或等于原长度则表示是右边的像素点），映射成这一行的哪一个像素点。我们拿CV_BORDER_REPLICATE分析一下，其表达式是：

__p = __p < 0 ? 0 : __len - 1;
也就是说p为负数时（也就是左边）的时候映射为0，否则映射成len - 1。
然后我们来实现copyMakeBorder_8U函数：

function copyMakeBorder_8U(__src, __top, __left, __bottom, __right, __borderType){ 
var i, j; 
var width = __src.col, 
height = __src.row; 
var top = __top, 
left = __left || __top, 
right = __right || left, 
bottom = __bottom || top, 
dstWidth = width + left + right, 
dstHeight = height + top + bottom, 
borderType = borderType || CV_BORDER_REFLECT; 
var buffer = new ArrayBuffer(dstHeight * dstWidth * 4), 
tab = new Uint32Array(left + right); 
for(i = 0; i < left; i++){ 
tab[i] = borderInterpolate(i - left, width, __borderType); 
} 
for(i = 0; i < right; i++){ 
tab[i + left] = borderInterpolate(width + i, width, __borderType); 
} 
var tempArray, data; 
for(i = 0; i < height; i++){ 
tempArray = new Uint32Array(buffer, (i + top) * dstWidth * 4, dstWidth); 
data = new Uint32Array(__src.buffer, i * width * 4, width); 
for(j = 0; j < left; j++) 
tempArray[j] = data[tab[j]]; 
for(j = 0; j < right; j++) 
tempArray[j + width + left] = data[tab[j + left]]; 
tempArray.set(data, left); 
} 
var allArray = new Uint32Array(buffer); 
for(i = 0; i < top; i++){ 
j = borderInterpolate(i - top, height, __borderType); 
tempArray = new Uint32Array(buffer, i * dstWidth * 4, dstWidth); 
tempArray.set(allArray.subarray((j + top) * dstWidth, (j + top + 1) * dstWidth)); 
} 
for(i = 0; i < bottom; i++){ 
j = borderInterpolate(i + height, height, __borderType); 
tempArray = new Uint32Array(buffer, (i + top + height) * dstWidth * 4, dstWidth); 
tempArray.set(allArray.subarray((j + top) * dstWidth, (j + top + 1) * dstWidth)); 
} 
return new Mat(dstHeight, dstWidth, new Uint8ClampedArray(buffer)); 
}

这里需要解释下，边缘的复制顺序是：先对每行的左右进行扩展，然后在此基础上进行上下扩展，如图所示。

然后我们根据ArrayBuffer的性质，将数据转成无符号32位整数来操作，这样每个操作单位就对应了每个像素点了。什么意思？
比如对于某个像素点：RGBA，由于某个通道是用无符号8为整数来存储的，所以实际上一个像素点则对应了32位的存储大小，由于ArrayBuffer的性质，可以将数据转成任意类型来处理，这样我们就可以通过转成Uint32Array类型，将数据变成每个像素点的数据数组。
那么copyMakeConstBorder_8U就比较容易实现了：

function copyMakeConstBorder_8U(__src, __top, __left, __bottom, __right, __value){ 
var i, j; 
var width = __src.col, 
height = __src.row; 
var top = __top, 
left = __left || __top, 
right = __right || left, 
bottom = __bottom || top, 
dstWidth = width + left + right, 
dstHeight = height + top + bottom, 
value = __value || [0, 0, 0, 255]; 
var constBuf = new ArrayBuffer(dstWidth * 4), 
constArray = new Uint8ClampedArray(constBuf); 
buffer = new ArrayBuffer(dstHeight * dstWidth * 4); 
for(i = 0; i < dstWidth; i++){ 
for( j = 0; j < 4; j++){ 
constArray[i * 4 + j] = value[j]; 
} 
} 
constArray = new Uint32Array(constBuf); 
var tempArray; 
for(i = 0; i < height; i++){ 
tempArray = new Uint32Array(buffer, (i + top) * dstWidth * 4, left); 
tempArray.set(constArray.subarray(0, left)); 
tempArray = new Uint32Array(buffer, ((i + top + 1) * dstWidth - right) * 4, right); 
tempArray.set(constArray.subarray(0, right)); 
tempArray = new Uint32Array(buffer, ((i + top) * dstWidth + left) * 4, width); 
tempArray.set(new Uint32Array(__src.buffer, i * width * 4, width)); 
} 
for(i = 0; i < top; i++){ 
tempArray = new Uint32Array(buffer, i * dstWidth * 4, dstWidth); 
tempArray.set(constArray); 
} 
for(i = 0; i < bottom; i++){ 
tempArray = new Uint32Array(buffer, (i + top + height) * dstWidth * 4, dstWidth); 
tempArray.set(constArray); 
} 
return new Mat(dstHeight, dstWidth, new Uint8ClampedArray(buffer)); 
}

效果图
CV_BORDER_REPLICATE

CV_BORDER_REFLECT

CV_BORDER_WRAP

CV_BORDER_CONSTANT