干货 | OpenCV中KLT光流跟踪原理详解与代码演示

Posted 2021-04-25 OpenCV学堂

稀疏光流跟踪(KLT)详解

在视频移动对象跟踪中，稀疏光流跟踪是一种经典的对象跟踪算法，可以绘制运动对象的跟踪轨迹与运行方向，是一种简单、实时高效的跟踪算法，这个算法最早是有Bruce D. Lucas and Takeo Kanade两位作者提出来的，所以又被称为KLT。KLT算法工作有三个假设前提条件：

• 亮度恒定

• 短距离移动

• 空间一致性

亮度恒定
对象中任意像素点p(x,y)亮度值，在t-1时候的值，在t时刻移动(u, v)之后亮度值保持不变

空间一致性
假设对像素点p(x, y)来说，周围的像素点都保持相同的移动距离(u, v) 假设窗口大小为5x5，则对于25个窗口内的像素点来说，就会如下等式成立：

得到下面的过约束等式，根据最小二乘可以求解(u, v)：

这样我们就得到了KLT光流等式与该窗口的的Hessian矩阵

空间尺度不变性
通过建立每一帧的图像金字塔，实现尺度空间窗口目标对象搜索

OpenCV中KLT演示代码实现

OpenCV中KLT算法API及其参数解释如下：

void cv::calcOpticalFlowPyrLK(
InputArray     prevImg, // 前一帧图像
InputArray     nextImg, // 后一帧图像
InputArray     prevPts, // 前一帧的稀疏光流点
InputOutputArray     nextPts, // 后一帧光流点
OutputArray     status, // 输出状态，1 表示正常该点保留，否则丢弃
OutputArray     err, // 表示错误
Size winSize = Size(21, 21), // 光流法对象窗口大小
int maxLevel = 3, // 金字塔层数，0表示只检测当前图像，不构建金字塔图像
TermCriteria     criteria = TermCriteria(TermCriteria::COUNT+TermCriteria::EPS, 30, 0.01), // 窗口搜索时候停止条件
int flags = 0, // 操作标志
double     minEigThreshold = 1e-4 // 最小特征值响应，低于最小值不做处理
)

特征点检测与绘制的代码实现如下：

// detect first frame and find corners in it
Mat old_frame, old_gray;
capture.read(old_frame);
cvtColor(old_frame, old_gray, COLOR_BGR2GRAY);
goodFeaturesToTrack(old_gray, featurePoints, maxCorners, qualityLevel, minDistance, Mat(), blockSize, useHarrisDetector, k);

特征点绘制

void draw_goodFeatures(Mat &image, vector<Point2f> goodFeatures) {
    for (size_t t = 0; t < goodFeatures.size(); t++) {
        circle(image, goodFeatures[t], 2, Scalar(0, 255, 0), 2, 8, 0);
    }
}

KLT跟踪代码如下

TermCriteria criteria = TermCriteria(TermCriteria::COUNT + TermCriteria::EPS, 30, 0.01);
double derivlambda = 0.5;
int flags = 0;

bool ret = capture.read(frame);
if (!ret) break;
imshow("frame", frame);
roi.x = 0;
frame.copyTo(result(roi));
cvtColor(frame, gray, COLOR_BGR2GRAY);

// calculate optical flow
calcOpticalFlowPyrLK(old_gray, gray, pts[0], pts[1], status, err, Size(31, 31), 3, criteria, derivlambda, flags);

特征点状态检查与匹配的代码如下

size_t i, k;
for (i = k = 0; i < pts[1].size(); i++)
{
    // 距离与状态测量
    double dist = abs(pts[0][i].x - pts[1][i].x) + abs(pts[0][i].y - pts[1][i].y);
    if (status[i] && dist > 2) {
        pts[0][k] = pts[0][i];
        initPoints[k] = initPoints[i];
        pts[1][k++] = pts[1][i];
        circle(frame, pts[1][i], 3, Scalar(0, 255, 0), -1, 8);
    }
}
// resize 有用特征点
pts[1].resize(k);
pts[0].resize(k);
initPoints.resize(k);

绘制跟踪轨迹的代码如下

// 绘制跟踪轨迹
draw_lines(frame, initPoints, pts[1]);

该方法实现如下：

void draw_lines(Mat &image, vector<Point2f> pt1, vector<Point2f> pt2) {
    if (color_lut.size() < pt1.size()) {
        for (size_t t = 0; t < pt1.size(); t++) {
            color_lut.push_back(Scalar(rng.uniform(0, 255), rng.uniform(0, 255), rng.uniform(0, 255)));
        }
    }
    for (size_t t = 0; t < pt1.size(); t++) {
        line(image, pt1[t], pt2[t], color_lut[t], 2, 8, 0);
    }
}

运行效果：

左侧是视频的原始每一帧、右侧视频是每一帧中KLT算法实时轨迹绘制

车辆运行轨迹跟踪

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