OpenCV光流Optical?Flow怎么實現(xiàn)

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光流

光流是由物體或相機的運動引起的圖像物體在兩個連續(xù)幀之間的明顯運動的模式。它是二維向量場，其中每個向量都是一個位移向量，顯示點從第一幀到第二幀的移動。如下圖所示。

它顯示了一個球在連續(xù) 5 幀中移動。箭頭表示其位移矢量。光流在以下領(lǐng)域有許多應(yīng)用：

• 運動結(jié)構(gòu)

• 視頻壓縮

• 視頻穩(wěn)定

• ...

光流基于以下幾個假設(shè)：

• 對象的像素強度在連續(xù)幀之間不會改變

• 相鄰像素具有相似的運動

（用 Harris 角點檢測器檢查逆矩陣的相似性。它表示角點是更好的跟蹤點。）

所以從用戶的角度來看，這個想法很簡單，給出了一些要追蹤的要點，收到了這些點的光學(xué)流量矢量。但是，還有一些問題。到目前為止，正在處理的是小的動作，因此當(dāng)有很大的動作時它失敗了。要處理這一點，需要使用金字塔。當(dāng)在金字塔上采樣時，會消除小型動作，大的運動會變小。因此，通過在那里應(yīng)用Lucas-Kanade，將光流與縮放合在一起了。

OpenCV 中的 Lucas-Kanade 光流

OpenCV的cv2.calcOpticalFlowPyrLK() 提供了所有這些功能。下面創(chuàng)建一個簡單的應(yīng)用程序來跟蹤視頻中的某些點。為了確定點，使用cv2.goodFeaturesToTrack()。取第一幀，檢測其中的一些 Shi-Tomasi 角點，然后使用 Lucas-Kanade 光流迭代跟蹤這些點。對于函數(shù)cv2.calcOpticalFlowPyrLK()，傳遞前一幀、前面的點和下一幀。它返回之后的點以及一些狀態(tài)編號，如果找到之后的點，則值為 1，否則為零。在下一步中迭代地將這些點作為前面的點傳遞，迭代進行。

import cv2
import numpy as np
video_file = 'slow_traffic_small.mp4'
cap = cv2.VideoCapture(video_file)
# params for ShiTomasi corner detection
feature_params = dict( maxCorners = 100,
                       qualityLevel = 0.3,
                       minDistance = 7,
                       blockSize = 7 )
# Parameters for lucas kanade optical flow
lk_params = dict(
    winSize = (15, 15),
    maxLevel = 2,
    criteria = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS | cv2.TERM_CRITERIA_COUNT, 10, 0.03))
# create some random colors
color = np.random.randint(0, 255, (100, 3))
# Take first frame and find corners in it
ret, old_frame = cap.read()
old_gray = cv2.cvtColor(old_frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
p0 = cv2.goodFeaturesToTrack(old_gray, mask=None, **feature_params)
# create a mask image for drawing purpose
mask = np.zeros_like(old_frame)
while True:
    ret, frame = cap.read()
    if ret:
        frame_gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        # calculate optical flow
        p1, st, err = cv2.calcOpticalFlowPyrLK(old_gray, frame_gray, p0, None, **lk_params)
        # Select good points
        if p1 is not None:
            good_new = p1[st==1]
            good_old = p0[st==1]
        # draw the tracks
        for i,(new, old) in enumerate(zip(good_new, good_old)):
            a, b = new.ravel()
            c, d = old.ravel()
            mask = cv2.line(mask, (int(a), int(b)), (int(c), int(d)), color[i].tolist(), 2)
            frame = cv2.circle(frame, (int(a), int(b)), 5, color[i].tolist(), -1)
        img = cv2.add(frame,mask)
        cv2.imshow('frame',img)
        k = cv2.waitKey(30) & 0xff
        if k == 27:
            cv2.destroyAllWindows()
            break
        # Now update the previous frame and previous points
        old_gray = frame_gray.copy()
        p0 = good_new.reshape(-1,1,2)
    else:
        cv2.destroyAllWindows()
        break

上述代碼沒有檢查下一個關(guān)鍵點的正確程度。因此，即使圖像中任何一個特征點消失，光流也有可能找到下一個看起來可能靠近它的點。實際上， 對于穩(wěn)健的跟蹤，角點應(yīng)該在特定的時間間隔內(nèi)檢測點。OpenCV sample提出了這樣一個例子，它每 5 幀找到一次特征點，還運行對光流點的向后檢查，只選擇好的點 ）。

OpenCV 中的密集光流

Lucas-Kanade 方法計算稀疏特征集的光流（在示例中，使用 Shi-Tomasi 算法檢測到的角點）。OpenCV 提供了另一種算法來尋找密集光流。它計算幀中所有點的光流。它基于 Gunner Farneback 的算法，該算法在 Gunner Farneback 于 2003 年在“Two-Frame Motion Estimation Based on Polynomial Expansion”中進行了解釋。

下面的示例顯示了如何使用上述算法找到密集光流。首先得到一個帶有光流向量(u,v)(u,v)(u,v)的 2通道向量，找到它們的大小和方向。對結(jié)果進行顏色編碼以實現(xiàn)更好的可視化。方向?qū)?yīng)于圖像的色調(diào)值（Hue），幅度對應(yīng)于值屏幕。代碼如下：

import cv2
import numpy as np
cap = cv2.VideoCapture("vtest.avi")
ret, frame1 = cap.read()
frame1_gray = cv2.cvtColor(frame1, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
hsv = np.zeros_like(frame1)
hsv[...,1] = 255
while(1):
    ret, frame2 = cap.read()
    if ret:
        frame2_gray = cv2.cvtColor(frame2, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        flow = cv2.calcOpticalFlowFarneback(frame1_gray, frame2_gray, 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)
        bgr = cv2.cvtColor(hsv, cv2.COLOR_HSV2BGR)
        cv2.imshow('frame2', bgr)
        k = cv2.waitKey(30) & 0xff
        if k == 27:
        	cv2.destroyAllWindows()
            break
        elif k == ord('s'):
            cv2.imwrite('opticalfb.png',frame2)
            cv2.imwrite('opticalhsv.png',bgr)
        frame1_gray = frame2_gray
    else:
        cv2.destroyAllWindows()
        break

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