如何使用opencv实现金字塔光流lk跟踪算法

Posted 2023-04-08

参考技术A #include <stdio.h>
#include <windows.h>
#include "cv.h"
#include "cxcore.h"
#include "highgui.h"
#include <opencv2\opencv.hpp>
using namespace cv;

static const double pi = 3.14159265358979323846;
inline static double square(int a)

return a * a;

/*该函数目的：给img分配内存空间，并设定format，如位深以及channel数*/
inline static void allocateOnDemand(IplImage **img, CvSize size, int depth, int channels)

if (*img != NULL) return;
*img = cvCreateImage(size, depth, channels);
if (*img == NULL)

fprintf(stderr, "Error: Couldn't allocate image. Out of memory?\n");
exit(-1);


/*主函数，原程序是读取avi视频文件，然后处理，我简单改成从摄像头直接读取数据*/
int main(int argc, char *argv[])


//读取摄像头
VideoCapture cap(0);
//读取视频文件

//VideoCapture cap; cap.open("optical_flow_input.avi");
if (!cap.isOpened())

return -1;

Mat frame;

/*
bool stop = false;
while (!stop)

cap >> frame;
// cvtColor(frame, edges, CV_RGB2GRAY);
// GaussianBlur(edges, edges, Size(7, 7), 1.5, 1.5);
// Canny(edges, edges, 0, 30, 3);
// imshow("当前视频", edges);
imshow("当前视频", frame);
if (waitKey(30) >= 0)
stop = true;

*/

//CvCapture *input_video = cvCaptureFromFile( "optical_flow_input.avi" );
//cv::VideoCapture cap = *(cv::VideoCapture *) userdata;

//if (input_video == NULL)
//
// fprintf(stderr, "Error: Can't open video device.\n");
// return -1;
//

/*先读取一帧，以便得到帧的属性，如长、宽等*/
//cvQueryFrame(input_video);

/*读取帧的属性*/
CvSize frame_size;
frame_size.height = cap.get(CV_CAP_PROP_FRAME_HEIGHT);
frame_size.width = cap.get(CV_CAP_PROP_FRAME_WIDTH);

/*********************************************************/

/*用于把结果写到文件中去,非必要
int frameW = frame_size.height; // 744 for firewire cameras
int frameH = frame_size.width; // 480 for firewire cameras
VideoWriter writer("VideoTest.avi", -1, 25.0, cvSize(frameW, frameH), true);

/*开始光流法*/
//VideoWriter writer("VideoTest.avi", CV_FOURCC('D', 'I', 'V', 'X'), 25.0, Size(640, 480), true);

while (true)

static IplImage *frame = NULL, *frame1 = NULL, *frame1_1C = NULL,
*frame2_1C = NULL, *eig_image = NULL, *temp_image = NULL,
*pyramid1 = NULL, *pyramid2 = NULL;

Mat framet;
/*获取第一帧*/
// cap >> framet;
cap.read(framet);
Mat edges;
//黑白抽象滤镜模式
// cvtColor(framet, edges, CV_RGB2GRAY);
// GaussianBlur(edges, edges, Size(7, 7), 1.5, 1.5);
// Canny(edges, edges, 0, 30, 3);

//转换mat格式到lpiimage格式
frame = &IplImage(framet);
if (frame == NULL)

fprintf(stderr, "Error: Hmm. The end came sooner than we thought.\n");
return -1;


/*由于opencv的光流函数处理的是8位的灰度图，所以需要创建一个同样格式的
IplImage的对象*/
allocateOnDemand(&frame1_1C, frame_size, IPL_DEPTH_8U, 1);

/* 把摄像头图像格式转换成OpenCV惯常处理的图像格式*/
cvConvertImage(frame, frame1_1C, 0);

/* 我们需要把具有全部颜色信息的原帧保存，以备最后在屏幕上显示用*/
allocateOnDemand(&frame1, frame_size, IPL_DEPTH_8U, 3);
cvConvertImage(frame, frame1, 0);

/* 获取第二帧 */
//cap >> framet;
cap.read(framet);
// cvtColor(framet, edges, CV_RGB2GRAY);
// GaussianBlur(edges, edges, Size(7, 7), 1.5, 1.5);
// Canny(edges, edges, 0, 30, 3);
frame = &IplImage(framet);
if (frame == NULL)

fprintf(stderr, "Error: Hmm. The end came sooner than we thought.\n");
return -1;


/*原理同上*/
allocateOnDemand(&frame2_1C, frame_size, IPL_DEPTH_8U, 1);
cvConvertImage(frame, frame2_1C, 0);

/*********************************************************
开始shi-Tomasi算法，该算法主要用于feature selection,即一张图中哪些是我
们感兴趣需要跟踪的点(interest point)
input:
* "frame1_1C" 输入图像.
* "eig_image" and "temp_image" 只是给该算法提供可操作的内存区域.
* 第一个".01" 规定了特征值的最小质量，因为该算法要得到好的特征点，哪就
需要一个选择的阈值
* 第二个".01" 规定了像素之间最小的距离，用于减少运算复杂度，当然也一定
程度降低了跟踪精度
* "NULL" 意味着处理整张图片，当然你也可以指定一块区域
output:
* "frame1_features" 将会包含fram1的特征值
* "number_of_features" 将在该函数中自动填充上所找到特征值的真实数目,
该值<= 400
**********************************************************/

/*开始准备该算法需要的输入*/

/* 给eig_image,temp_image分配空间*/
allocateOnDemand(&eig_image, frame_size, IPL_DEPTH_32F, 1);
allocateOnDemand(&temp_image, frame_size, IPL_DEPTH_32F, 1);

/* 定义存放frame1特征值的数组，400只是定义一个上限 */
CvPoint2D32f frame1_features[400];
int number_of_features = 400;

/*开始跑shi-tomasi函数*/
cvGoodFeaturesToTrack(frame1_1C, eig_image, temp_image,
frame1_features, &number_of_features, .01, .01, NULL);

/**********************************************************
开始金字塔Lucas Kanade光流法，该算法主要用于feature tracking,即是算出
光流，并跟踪目标。
input:
* "frame1_1C" 输入图像，即8位灰色的第一帧
* "frame2_1C" 第二帧，我们要在其上找出第一帧我们发现的特征点在第二帧
的什么位置
* "pyramid1" and "pyramid2" 是提供给该算法可操作的内存区域，计算中间
数据
* "frame1_features" 由shi-tomasi算法得到的第一帧的特征点.
* "number_of_features" 第一帧特征点的数目
* "optical_flow_termination_criteria" 该算法中迭代终止的判别，这里是
epsilon<0.3，epsilon是两帧中对应特征窗口的光度之差的平方，这个以后的文
章会讲
* "0" 这个我不知道啥意思，反正改成1就出不来光流了，就用作者原话解释把
means disable enhancements. (For example, the second array isn't
pre-initialized with guesses.)
output:
* "frame2_features" 根据第一帧的特征点，在第二帧上所找到的对应点
* "optical_flow_window" lucas-kanade光流算法的运算窗口,具体lucas-kanade
会在下一篇详述
* "5" 指示最大的金字塔层数，0表示只有一层，那就是没用金字塔算法
* "optical_flow_found_feature" 用于指示在第二帧中是否找到对应特征值，
若找到，其值为非零
* "optical_flow_feature_error" 用于存放光流误差
**********************************************************/

/*开始为pyramid lucas kanade光流算法输入做准备*/
CvPoint2D32f frame2_features[400];

/* 该数组相应位置的值为非零，如果frame1中的特征值在frame2中找到 */
char optical_flow_found_feature[400];

/* 数组第i个元素表对应点光流误差*/
float optical_flow_feature_error[400];

/*lucas-kanade光流法运算窗口,这里取3*3的窗口,可以尝试下5*5,区别就是5*5
出现aperture problem的几率较小,3*3运算量小，对于feature selection即shi-tomasi算法来说足够了*/
CvSize optical_flow_window = cvSize(5, 5);
// CvSize optical_flow_window = cvSize(5, 5);
/* 终止规则，当完成20次迭代或者当epsilon<=0.3，迭代终止，可以尝试下别的值*/
CvTermCriteria optical_flow_termination_criteria= cvTermCriteria(CV_TERMCRIT_ITER | CV_TERMCRIT_EPS, 20, .3);

/*分配工作区域*/
allocateOnDemand(&pyramid1, frame_size, IPL_DEPTH_8U, 1);
allocateOnDemand(&pyramid2, frame_size, IPL_DEPTH_8U, 1);

/*开始跑该算法*/
cvCalcOpticalFlowPyrLK(frame1_1C, frame2_1C, pyramid1, pyramid2,frame1_features, frame2_features, number_of_features,
optical_flow_window, 5, optical_flow_found_feature,optical_flow_feature_error, optical_flow_termination_criteria, 0);

/*画光流场，画图是依据两帧对应的特征值，
这个特征值就是图像上我们感兴趣的点，如边缘上的点P(x,y)*/
for (int i = 0; i< number_of_features; i++)

/* 如果没找到对应特征点 */
if (optical_flow_found_feature[i] == 0)
continue;
int line_thickness;
line_thickness = 1;

/* CV_RGB(red, green, blue) is the red, green, and blue components
* of the color you want, each out of 255.
*/
CvScalar line_color;
line_color = CV_RGB(255, 0, 0);

/*画箭头,因为帧间的运动很小，所以需要缩放，不然看不见箭头，缩放因子为3*/
CvPoint p, q;
p.x = (int)frame1_features[i].x;
p.y = (int)frame1_features[i].y;
q.x = (int)frame2_features[i].x;
q.y = (int)frame2_features[i].y;

double angle;
angle = atan2((double)p.y - q.y, (double)p.x - q.x);
double hypotenuse;
hypotenuse = sqrt(square(p.y - q.y) + square(p.x - q.x));

/*执行缩放*/
q.x = (int)(p.x - 5 * hypotenuse * cos(angle));
q.y = (int)(p.y - 5 * hypotenuse * sin(angle));

/*画箭头主线*/
/* "frame1"要在frame1上作画.
* "p" 线的开始点.
* "q" 线的终止点.
* "CV_AA" 反锯齿.
* "0" 没有小数位.
*/
cvLine(frame1, p, q, line_color, line_thickness, CV_AA, 0);

/* 画箭的头部*/
p.x = (int)(q.x + 9 * cos(angle + pi / 4));
p.y = (int)(q.y + 9 * sin(angle + pi / 4));
cvLine(frame1, p, q, line_color, line_thickness, CV_AA, 0);
p.x = (int)(q.x + 9 * cos(angle - pi / 4));
p.y = (int)(q.y + 9 * sin(angle - pi / 4));
cvLine(frame1, p, q, line_color, line_thickness, CV_AA, 0);

/*显示图像*/

/*创建一个名为optical flow的窗口，大小自动改变*/
cvNamedWindow("Optical Flow", CV_WINDOW_NORMAL);
cvFlip(frame1, NULL, 2);
cvShowImage("Optical Flow", frame1);

/*延时，要不放不了*/
cvWaitKey(33);

/*写入到文件中去*/

// cv::Mat m = cv::cvarrToMat(frame1);//转换lpimgae到mat格式
// writer << m;//opencv3.0 version writer


cap.release();
cvWaitKey(33);
system("pause");

运动目标检测——光流法与opencv代码实现

参考技术A

运动目标的检测的其主要目的是 获取目标对象的运动参数（位置、速度、加速度等）及运动轨迹 ，通过进一步分析处理，实现对目标行为更高层级上的理解。
运动目标检测技术目的是 从序列图像中将变化区域从背景图像中提取出来 ，常用于视频监视、图像压缩、三维重构、异常检测等。

运动目标检测主流方法有帧差法、背景差法、光流法等。光流法源于 仿生学 思想，更贴近于直觉，大量昆虫的视觉机理便是基于光流法。
二十世纪五十年代心理学家Gibson在他的著作“The Perception of Visual World”中首次提出了以心理学实验为基础的光流法基本概念，而直到八十年代才由Horn、Kanade、Lucash和Schunck创造性地将灰度与二维速度场相联系，引入光流约束方程的算法，对光流计算做了奠基性的工作。

光流（optical flow）：由于目标对象或者摄像机的移动造成的图像对象在连续两帧图像中的移动。

小球在连续五帧运动构成的光流 小球在连续五帧运动构成的光流

通俗说，对于一个图片序列，把每张图像每个像素在连续帧之间的运动速度和方向（ 某像素点在连续两帧上的位移矢量 ）找出来就是光流场。

第t帧的时A点的位置是(x1, y1)，第t+1帧时A点位置是(x2,y2)，则像素点A的位移矢量：(ux, vy) = (x2, y2) - (x1,y1)

如何知道第t+1帧的时候A点的位置涉及到不同的光流计算方法，主要有四种：基于梯度的方法、基于匹配的方法、基于能量的方法、基于相位的方法。

光流法依赖于三个假设：

根据所形成的光流场中 二维矢量的疏密程度 ，光流法可分为稠密光流与稀疏光流。

基于区域匹配生成的稠密光流场 基于区域匹配生成的稠密光流场

稀疏光流只对有 明显特征的组点 （如角点）进行跟踪，计算开销小。

基于特征匹配发生成的稀疏光流场 基于特征匹配发生成的稀疏光流场

http://www.opencv.org.cn/opencvdoc/2.3.2/html/modules/video/doc/motion_analysis_and_object_tracking.html#calcopticalflowfarneback
（1）calcOpticalFlowPyrLK
基于金字塔LK光流算法，计算某些点集的稀疏光流。
参考论文《Pyramidal Implementation of the Lucas Kanade Feature TrackerDescription of the algorithm》
（2）calcOpticalFlowFarneback
基于Gunnar Farneback 的算法计算稠密光流。
参考论文《Two-Frame Motion Estimation Based on PolynomialExpansion》
（3）CalcOpticalFlowBM
通过块匹配的方法来计算光流
（4）CalcOpticalFlowHS
基于Horn-Schunck 的算法计算稠密光流。
参考论文《Determining Optical Flow》
（5）calcOpticalFlowSF
论文《SimpleFlow: A Non-iterative, Sublinear Optical FlowAlgo》的实现

LK光流法效果 LK光流法效果