图文详解OpenCV中光流以及视频特征点追踪

# 光流追踪
# 光流追踪的前提是：1. 对象的像素强度在连续帧之间不会改变；2. 相邻像素具有相似的运动。
# - cv2.goodFeaturesToTrack() 确定要追踪的特征点
# - cv2.calcOpticalFlowPyrLK() 追踪视频中的特征点

# 取第一帧，检测其中的一些 Shi-Tomasi 角点，使用 Lucas-Kanade 光流迭代跟踪这些点。
# 对于函数 cv2.calcOpticalFlowPyrLK() 传递前一帧、前一个点和下一帧。它返回下一个点以及一些状态编号，如果找到下一个点，则值为 1，否则为零。
# 然后在下一步中迭代地将这些下一个点作为前一个点传递。

# USAGE
# python video_optical_flow.py

import imutils
import numpy as np
import cv2

cap = cv2.VideoCapture('images/slow_traffic_small.mp4')

# ShiTomasi角点检测的参数
feature_params = dict(maxCorners=100,
                      qualityLevel=0.3,
                      minDistance=7,
                      blockSize=7)

# Lucas Kanada光流检测的参数
lk_params = dict(winSize=(15, 15),
                 maxLevel=2,
                 criteria=(cv2.TERM_CRITERIA_EPS | cv2.TERM_CRITERIA_COUNT, 10, 0.03))

# 构建随机颜色
color = np.random.randint(0, 255, (100, 3))

# 获取第一帧并发现角点
ret, old_frame = cap.read()
old_gray = cv2.cvtColor(old_frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
p0 = cv2.goodFeaturesToTrack(old_gray, mask=None, **feature_params)

# 为绘制光流追踪图，构建一个Mask
mask = np.zeros_like(old_frame)

num = 0
while (1):
    ret, frame = cap.read()

    if not ret:
        break

    frame_gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

    # 使用迭代Lucas Kanade方法计算稀疏特征集的光流
    # - old_gray: 上一帧单通道灰度图
    # - frame_gray: 下一帧单通道灰度图
    # - prePts：p0上一帧坐标pts
    # - nextPts: None
    # - winSize: 每个金字塔级别上搜索窗口的大小
    # - maxLevel: 最大金字塔层数
    # - criteria：指定迭代搜索算法的终止条件，在指定的最大迭代次数criteria.maxCount之后或搜索窗口移动小于criteria.epsilon
    p1, st, err = cv2.calcOpticalFlowPyrLK(old_gray, frame_gray, p0, None, **lk_params)

    # 选择轨迹点
    good_new = p1[st == 1]
    good_old = p0[st == 1]

    # 绘制轨迹
    for i, (new, old) in enumerate(zip(good_new, good_old)):
        a, b = new.ravel()
        c, d = old.ravel()
        mask = cv2.line(mask, (a, b), (c, d), color[i].tolist(), 2)
        frame = cv2.circle(frame, (a, b), 5, color[i].tolist(), -1)
    img = cv2.add(frame, mask)

    cv2.imshow('frame', img)
    cv2.imwrite('videoof-imgs/' + str(num) + '.jpg', imutils.resize(img, 500))
    print(str(num))
    num = num + 1
    k = cv2.waitKey(30) & 0xff
    if k == 27:
        break

    # 更新之前的帧和点
    old_gray = frame_gray.copy()
    p0 = good_new.reshape(-1, 1, 2)

cv2.destroyAllWindows()
cap.release()

# 优化后的光流追踪—Lucas-Kanade tracker
# （当不见检查下一个关键点的正确程度时，即使图像中的任何特征点消失，光流也有可能找到下一个看起来可能靠近它的点。实际上对于稳健的跟踪，角点应该在特定的时间间隔内检测点。
# 找到特征点后，每 30 帧对光流点的向后检查，只选择好的。）
# Lucas Kanade稀疏光流演示。使用GoodFeatures跟踪用于跟踪初始化和匹配验证的回溯帧之间。
# Lucas-Kanade sparse optical flow demo. Uses goodFeaturesToTrack for track initialization and back-tracking for match verification between frames.

# Usage
# pyhton lk_track.py images/slow_traffic_small.mp4
# 按 ESC键退出

from __future__ import print_function

import imutils
import numpy as np
import cv2


def draw_str(dst, target, s):
    x, y = target
    cv2.putText(dst, s, (x + 1, y + 1), cv2.FONT_HERSHEY_PLAIN, 1.0, (0, 0, 0), thickness=2, lineType=cv2.LINE_AA)
    cv2.putText(dst, s, (x, y), cv2.FONT_HERSHEY_PLAIN, 1.0, (255, 255, 255), lineType=cv2.LINE_AA)


lk_params = dict(winSize=(15, 15),
                 maxLevel=2,
                 criteria=(cv2.TERM_CRITERIA_EPS | cv2.TERM_CRITERIA_COUNT, 10, 0.03))

feature_params = dict(maxCorners=500,
                      qualityLevel=0.3,
                      minDistance=7,
                      blockSize=7)


class App:
    def __init__(self, video_src):
        self.track_len = 10
        self.detect_interval = 30
        self.tracks = []
        self.cam = cv2.VideoCapture(video_src)
        self.frame_idx = 0

    def run(self):
        while True:
            _ret, frame = self.cam.read()
            if not _ret:
                break

            frame_gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
            vis = frame.copy()

            if len(self.tracks) > 0:
                img0, img1 = self.prev_gray, frame_gray
                p0 = np.float32([tr[-1] for tr in self.tracks]).reshape(-1, 1, 2)
                p1, _st, _err = cv2.calcOpticalFlowPyrLK(img0, img1, p0, None, **lk_params)
                p0r, _st, _err = cv2.calcOpticalFlowPyrLK(img1, img0, p1, None, **lk_params)
                d = abs(p0 - p0r).reshape(-1, 2).max(-1)
                good = d < 1
                new_tracks = []
                for tr, (x, y), good_flag in zip(self.tracks, p1.reshape(-1, 2), good):
                    if not good_flag:
                        continue
                    tr.append((x, y))
                    if len(tr) > self.track_len:
                        del tr[0]
                    new_tracks.append(tr)
                    cv2.circle(vis, (x, y), 2, (0, 255, 0), -1)
                self.tracks = new_tracks
                cv2.polylines(vis, [np.int32(tr) for tr in self.tracks], False, (0, 255, 0))
                draw_str(vis, (20, 20), 'track count: %d' % len(self.tracks))

            if self.frame_idx % self.detect_interval == 0:
                mask = np.zeros_like(frame_gray)
                mask[:] = 255
                for x, y in [np.int32(tr[-1]) for tr in self.tracks]:
                    cv2.circle(mask, (x, y), 5, 0, -1)
                p = cv2.goodFeaturesToTrack(frame_gray, mask=mask, **feature_params)
                if p is not None:
                    for x, y in np.float32(p).reshape(-1, 2):
                        self.tracks.append([(x, y)])

            self.prev_gray = frame_gray
            cv2.imshow('lk_track', vis)
            print(self.frame_idx)
            cv2.imwrite('videoOof-imgs/' + str(self.frame_idx) + '.jpg', imutils.resize(vis, 500))
            self.frame_idx += 1

            ch = cv2.waitKey(1)
            if ch == 27:
                break

def main():
    import sys
    try:
        video_src = sys.argv[1]
    except:
        video_src = 0

    App(video_src).run()
    print('Done')


if __name__ == '__main__':
    print(__doc__)
    main()
    cv2.destroyAllWindows()

# OpenCV中的密集光流
# Lucas-Kanade 方法计算稀疏特征集的光流（使用 Shi-Tomasi 算法检测到的角点）。
# OpenCV 提供了另一种算法: Gunner Farneback 来寻找密集光流。它计算帧中所有点的光流。
# 通过cv2.calcOpticalFlowFarneback() 将得到一个带有光流向量 (u,v) 的 2 通道阵列。可以找到它们的大小和方向，然后对结果进行颜色编码以实现更好的可视化。
# 在HSV图像中，方向对应于图像的色调，幅度对应于价值平面。

import cv2
import imutils
import numpy as np

cap = cv2.VideoCapture('images/slow_traffic_small.mp4')

ret, frame1 = cap.read()
prvs = cv2.cvtColor(frame1, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
hsv = np.zeros_like(frame1)
hsv[..., 1] = 255

num = 0
while (1):
    ret, frame2 = cap.read()

    if not ret:
        break
    next = cv2.cvtColor(frame2, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

    # 使用迭代Gunner Farneback 方法计算密集特征的光流
    # - prvs: 上一帧单通道灰度图
    # - next: 下一帧单通道灰度图
    # - flow: 流 None
    # - pyr_scale: 0.5经典金字塔，构建金字塔缩放scale
    # - level：3 初始图像的金字塔层数
    # - winsize：3 平均窗口大小，数值越大，算法对图像的鲁棒性越强
    # - iterations：15 迭代次数
    # - poly_n：5 像素邻域的参数多边形大小，用于在每个像素中找到多项式展开式；较大的值意味着图像将使用更平滑的曲面进行近似，从而产生更高的分辨率、鲁棒算法和更模糊的运动场；通常多边形n=5或7。
    # - poly_sigma：1.2 高斯标准差，用于平滑导数
    # - flags: 可以是以下操作标志的组合：OPTFLOW_USE_INITIAL_FLOW：使用输入流作为初始流近似值。OPTFLOW_FARNEBACK_GAUSSIAN: 使用GAUSSIAN过滤器而不是相同尺寸的盒过滤器；
    flow = cv2.calcOpticalFlowFarneback(prvs, next, None, 0.5, 3, 15, 3, 5, 1.2, 0)

    mag, ang = cv2.cartToPolar(flow[..., 0], flow[..., 1])
    hsv[..., 0] = ang * 180 / np.pi / 2
    hsv[..., 2] = cv2.normalize(mag, None, 0, 255, cv2.NORM_MINMAX)
    rgb = cv2.cvtColor(hsv, cv2.COLOR_HSV2BGR)

    cv2.imshow('Origin VS frame2', np.hstack([frame2, rgb]))
    cv2.imwrite('dof-imgs/' + str(num) + '.jpg', imutils.resize(np.hstack([frame2, rgb]), 600))
    k = cv2.waitKey(30) & 0xff
    num = num + 1
    if k == 27:
        break
    elif k == ord('s'):
        cv2.imwrite('dof-imgs/origin VS dense optical flow HSVres' + str(num) + ".jpg",
                    imutils.resize(np.hstack([frame2, rgb]), width=800))
    prvs = next

cap.release()
cv2.destroyAllWindows()