OpenCV使用稀疏光流实现视频对象跟踪

一、概述

  案例:使用稀疏光流实现对象跟踪

  稀疏光流API介绍:

calcOpticalFlowPyrLK( InputArray prevImg, InputArray nextImg,
                                        InputArray prevPts, InputOutputArray nextPts,
                                        OutputArray status, OutputArray err,
                                        Size winSize = Size(21,21), int maxLevel = 3,
                                        TermCriteria criteria = TermCriteria(TermCriteria::COUNT+TermCriteria::EPS, 30, 0.01),
                                        int flags = 0, double minEigThreshold = 1e-4 );
prevImg:视频前一帧图像/金字塔,单通道CV_8UC1
nextImg:视频后一帧图像/金字塔,单通道CV_8UC1
preVPts:前一帧图像的特征向量(输入)需要找到流的2D点的矢量(vector of 2D points for which the flow needs to be found;);点坐标必须是单精度浮点数
nextPts:后一帧图像的特征向量(输出),输出二维点的矢量(具有单精度浮点坐标),包含第二图像中输入特征的计算新位置;当传递OPTFLOW_USE_INITIAL_FLOW标志时,向量必须与输入中的大小相同。
status:输出状态向量(无符号字符);如果找到相应特征的流,则向量的每个元素设置为1,否则设置为0
err:输出错误的矢量; 向量的每个元素都设置为相应特征的错误,错误度量的类型可以在flags参数中设置; 如果未找到流,则未定义错误(使用status参数查找此类情况)
winSize:每个金字塔等级的搜索窗口的winSize大小
maxLevel:基于0的最大金字塔等级数;如果设置为0,则不使用金字塔(单级),如果设置为1,则使用两个级别,依此类推;如果将金字塔传递给输入,那么算法将使用与金字塔一样多的级别,但不超过maxLevel
criteria:停止条件,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之后或当搜索窗口移动小于criteria.epsilon时)。
flags:操作标志,OPTFLOW_USE_INITIAL_FLOW使用初始估计,存储在nextPts中;如果未设置标志,则将prevPts复制到nextPts并将其视为初始估计。OPTFLOW_LK_GET_MIN_EIGENVALS使用最小特征值作为误差测量(参见minEigThreshold描述);如果没有设置标志,则将原稿周围的色块和移动点之间的L1距离除以窗口中的像素数,用作误差测量
minEigThreshold:算法计算光流方程的2x2正常矩阵的最小特征值,除以窗口中的像素数;如果此值小于minEigThreshold,则过滤掉相应的功能并且不处理其流程,因此它允许删除坏点并获得性能提升

  算法实现步骤:

    1.实例化VideoCapture

    2.循环读取视频数据

    3.视频帧灰度转换

    4.执行角点检测

    5.保存角点检测的特征数据

    6.初始化时如果检测到前一帧为空,把当前帧的灰度图像给前一帧

    7.执行光流跟踪,并输出跟踪后的特征向量

    8.遍历光流跟踪的输出特征向量,并得到距离和状态都符合预期的特征向量。让后将其重新填充到fpts[1]中备用

    9.重置集合大小

    10.绘制光流线

    11.交换特征向量的输入和输出

    12.将用于跟踪的角点绘制出来

    13.展示最终的跟踪效果

    14.循环3~13步骤

    15.结束

二、代码示例

KLT_Object_Tracking::KLT_Object_Tracking(QWidget *parent)
    : MyGraphicsView{parent}
{
    isShowLine = false;
    this->setWindowTitle("KLT稀疏光流实现对象跟踪");
    QPushButton *btn = new QPushButton(this);
    btn->setText("选择视频");
    connect(btn,&QPushButton::clicked,[=](){
        //选择视频
        path = QFileDialog::getOpenFileName(this,"请选择视频","/Users/yangwei/Downloads/",tr("Image Files(*.mp4 *.avi)"));
        qDebug()<<"视频路径:"<<path;
        startKltTracking(path.toStdString().c_str());
    });
    //
    QButtonGroup * group = new QButtonGroup(this);
    QRadioButton * radioNo = new QRadioButton(this);
    radioNo->setText("");
    radioNo->setChecked(true);
    QRadioButton *radioYes = new QRadioButton(this);
    radioYes->setText("");
    group->addButton(radioNo,0);
    group->addButton(radioYes,1);

    radioNo->move(0,btn->y()+btn->height()+20);
    radioYes->move(radioNo->x()+radioNo->width()+20,btn->y()+btn->height()+20);
    connect(radioNo,&QRadioButton::clicked,[=](){
        isShowLine = false;//显示光流线
    });
    connect(radioYes,&QRadioButton::clicked,[=](){
        isShowLine = true;//不显示光流线
    });

}

void KLT_Object_Tracking::startKltTracking(const char* filePath){
    //【1】实例化VideoCapture并打开视频
    VideoCapture capture;//实例化视频捕获器
    capture.open(filePath);//打开视频文件(或摄像头)
    if(!capture.isOpened()){//检测文件是否打开,如果没打开直接退出
        qDebug()<<"无法打开视频";
        return;
    }

    Mat frame,gray;
    vector<Point2f> features;//检测出来的角点集合
    vector<Point2f> inPoints;//这个主要是为了画线用的
    vector<Point2f> fpts[2];//[0],存入的是是二维特征向量,[1]输出的二维特征向量
    Mat pre_frame,pre_gray;
    vector<uchar> status;//光流输出状态
    vector<float> err;//光流输出错误
    //【2】循环读取视频
    while(capture.read(frame)){//循环读取视频中每一帧的图像
        //【3】将视频帧图像转为灰度图
        cvtColor(frame,gray,COLOR_BGR2GRAY);//ps:角点检测输入要求单通道

        //【4】如果特征向量(角点)小于40个我们就重新执行角点检测
        if(fpts[0].size()<40){//如果小于40个角点就重新开始执行角点检测
            //执行角点检测
            goodFeaturesToTrack(gray,features,5000,0.01,10,Mat(),3,false,0.04);
            //【5】将检测到的角点放入fpts[0]中作为,光流跟踪的输入特征向量
            //将检测到的角点插入vector
            fpts[0].insert(fpts[0].begin(),features.begin(),features.end());
            inPoints.insert(inPoints.end(),features.begin(),features.end());
            qDebug()<<"角点检测执行完成,角点个数为:"<<features.size();
        }else{
            qDebug()<<"正在跟踪...";
        }
        //【6】初始化的时候如果检测到前一帧为空,这个把当前帧的灰度图像给前一帧
        if(pre_gray.empty()){//如果前一帧为空就给前一帧赋值一次
            gray.copyTo(pre_gray);
        }

        //执行光流跟踪
        qDebug()<<"开始执行光流跟踪";
        //【7】执行光流跟踪,并将输出的特征向量放入fpts[1]中
        calcOpticalFlowPyrLK(pre_gray,gray,fpts[0],fpts[1],status,err);
        qDebug()<<"光流跟踪执行结束";
        //【8】遍历光流跟踪的输出特征向量,并得到距离和状态都符合预期的特征向量。让后将其重新填充到fpts[1]中备用
        int k =0;
        for(size_t i=0;i<fpts[1].size();i++){//循环遍历二维输出向量
            double dist = abs(fpts[0][i].x - fpts[1][i].x) + abs(fpts[0][i].y - fpts[1][i].y);//特征向量移动距离
            if(dist>2&&status[i]){//如果距离大于2,status=true(正常)
                inPoints[k] = inPoints[i];
                fpts[1][k++] = fpts[1][i];
            }
        }
        //【9】重置集合大小(由于有错误/不符合条件的输出特征向量),只拿状态正确的
        //重新设置集合大小
        inPoints.resize(k);
        fpts[1].resize(k);
        //【10】绘制光流线,这一步要不要都行
        //绘制光流线
        if(isShowLine){
            for(size_t i = 0;i<fpts[1].size();i++){
                line(frame,inPoints[i],fpts[1][i],Scalar(0,255,0),1,8,0);
                circle(frame, fpts[1][i], 2, Scalar(0, 0, 255), 2, 8, 0);
            }
        }

        qDebug()<<"特征向量的输入输出交换数据";
        //【11】交换特征向量的输入和输出,(循环往复/进入下一个循环),此时特征向量的值会递减
        std::swap(fpts[1],fpts[0]);//交换特征向量的输入和输出,此处焦点的总数量会递减

        //【12】将用于跟踪的角点绘制出来
        //将角点绘制出来
        for(size_t i = 0;i<fpts[0].size();i++){
            circle(frame,fpts[0][i],2,Scalar(0,0,255),2,8,0);
        }

        //【13】重置前一帧图像(每一个循环都要刷新)
        gray.copyTo(pre_gray);
        frame.copyTo(pre_frame);
        //【14】展示最终的效果
        imshow("frame",frame);
        int keyValue = waitKey(100);
        if(keyValue==27){//如果用户按ese键退出播放
            break;
        }
    }
}

 

三、图像演示

 

 

posted on 2022-04-21 10:42  飘杨......  阅读(32)  评论(0编辑  收藏  举报