[计算机视觉]100行python实现摄像机偏移、抖动告警
背景
在实际项目中，利用深度学习在检测道路车辆并分析车辆行为时，需要按照事先规定的方法绘制检测区（包含道路方向、车道区域等）。由于各种原因（人为、天气），获取视频数据的摄像角度容易偏移原来设定的位置，造成检测区域和实际画面不匹配，系统容易产生误检误报等错误数据。因此需要在摄像机位置偏移第一时间告诉系统检测模块停止工作，直到摄像机归位后再进行检测。摄像机角度偏移告警属于‘视频诊断’中的一类，本文利用提取图片特征点实现摄像机偏移告警，demo全部python代码不足200行。
前面有几篇博客文字太少，发不了首页：
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图像特征点
对于任何一张二维图片，从像素级别上看，都存在一些我们肉眼看不到的比较独特的像素单元（可以理解为像素块），就像我们每个人的脸都会与众不同一样，我们称这些具有特点的像素区域为“图像特征点”。已经有非常成熟的算法来提取图片的特征点：
（1）Harris：用于检测角点；
（2）SIFT：用于检测斑点；
（3）SURF：用于检测斑点；
（4）FAST：用于检测角点；
（5）BRIEF：用于检测斑点；
（6）ORB：表示带方向的FAST算法与具有旋转不变性的BRIEF算法；
详细算法原理上网搜一下（我也不是很清楚:)），OpenCV中包含以上几种算法实现。
角点：
图像中涉及到拐角的区域，比如物体有轮廓，图像中的物体有边缘区分。
斑点：
一块有特别规律的像素区域。
方向、尺寸不变性：
指特征点不会受图片尺寸、旋转而改变，比如同一张图，你缩小一倍旋转90度后，特征点还是一样的。
图像匹配
提取两张图片的特征点，然后将这些特征点进行匹配关联。如果匹配程度满足某一阈值，则认为这两张图满足匹配条件。注意，对于同一个物体，拍摄角度不同，亮度不同都应该满足匹配条件。
可以看到，对于同一个场景的不同拍摄角度的两张图片，能找到匹配到的特征点，但是误差非常大。我们设置一个阈值，满足该条件才认为两个点匹配：
误差少很多了，匹配到的特征点也非常正确。
换一组摄像机的照片，前一张和后一张在拍摄时，摄像机角度往左下角有偏移，所以对应匹配到的特征点往右上方移动了：
我们可以看到，虽然拍摄角度不同，但是由于场景类似，仍然能匹配到特征点（为了减少绘图方便看清楚，阈值设置非常严格，如果放宽一点还能看到更多匹配到的点），而且这些匹配到的点几乎都正确。对于两张完全不同的场景照片，匹配到的特征点非常少或者为零（具体看设置的阈值）
场景不同，匹配到的特征点只有视频上的文字。
角度偏移告警
如果摄像机位置不变，前后拍摄两张照片，那么这两张照片匹配到的特征点的二维物理坐标应该是一样的（可能有轻微偏移，两张照片尺寸一致）。那么我们可以根据摄像机前后两帧（或间隔时间内取得的两帧）的匹配点物理位置是否有偏移，设置一个偏移阈值，大于该阈值时则认为偏移，否则认为没偏移（或轻微偏移），当然，如果两帧匹配到的特征点非常少（低于一个阈值），那么我们认为这俩帧完全不一样了（场景不一样了），这时候摄像机完全偏移了原来的角度。
注意点：
1）阈值非常重要；
2）前后帧匹配时，要去掉类似摄像机自动加上去的“视频位置”、“当前时间”等等区域，因为这些区域很多时候能够匹配到特征点，并且物理位置坐标不会发生变化，造成误差；
3）在计算特征点物理位置偏移量时，取所有特征点物理位置偏移的平均值。
最终效果
间隔时间取视频中的帧，进行特征点对比。根据前面的思路分为4个等级：“无偏移”、“轻度偏移（抖动）”、“严重偏移”、“完全偏移”。
源代码
最重要的是代码，很简单，直接贴上来即可。加起来不到160行。测试很多场景，效果都不错。
1 ''' 2 视频帧匹配脚本 3 ''' 4 import numpy as np 5 import cv2 6 7 #至少10个点匹配 8 MIN_MATCH_COUNT = 10 9 #完全匹配偏移 d<4 10 BEST_DISTANCE = 4 11 #微量偏移 4<d<10 12 GOOD_DISTANCE = 10 13 14 15 # 特征点提取方法，内置很多种 16 algorithms_all = { 17 "SIFT": cv2.xfeatures2d.SIFT_create(), 18 "SURF": cv2.xfeatures2d.SURF_create(8000), 19 "ORB": cv2.ORB_create() 20 } 21 22 ''' 23 # 图像匹配 24 # 0完全不匹配 1场景匹配 2角度轻微偏移 3完全匹配 25 ''' 26 def match2frames(image1, image2): 27 img1 = cv2.cvtColor(image1, cv2.COLOR_BGR2GRAY) 28 img2 = cv2.cvtColor(image2, cv2.COLOR_BGR2GRAY) 29 30 size1 = img1.shape 31 size2 = img2.shape 32 33 img1 = cv2.resize(img1, (int(size1[1]*0.3), int(size1[0]*0.3)), cv2.INTER_LINEAR) 34 img2 = cv2.resize(img2, (int(size2[1]*0.3), int(size2[0]*0.3)), cv2.INTER_LINEAR) 35 36 sift = algorithms_all["SIFT"] 37 38 kp1, des1 = sift.detectAndCompute(img1, None) 39 kp2, des2 = sift.detectAndCompute(img2, None) 40 41 FLANN_INDEX_KDTREE = 0 42 index_params = dict(algorithm = FLANN_INDEX_KDTREE, trees = 5) 43 search_params = dict(checks = 50) 44 45 flann = cv2.FlannBasedMatcher(index_params, search_params) 46 47 matches = flann.knnMatch(des1, des2, k=2) 48 49 # 过滤 50 good = [] 51 for m,n in matches: 52 if m.distance < 0.7*n.distance: 53 good.append(m) 54 55 if len(good) <= MIN_MATCH_COUNT: 56 return 0 # 完全不匹配 57 else: 58 distance_sum = 0 # 特征点2d物理坐标偏移总和 59 for m in good: 60 distance_sum += get_distance(kp1[m.queryIdx].pt, kp2[m.trainIdx].pt) 61 distance = distance_sum / len(good) #单个特征点2D物理位置平均偏移量 62 63 if distance < BEST_DISTANCE: 64 return 3 #完全匹配 65 elif distance < GOOD_DISTANCE and distance >= BEST_DISTANCE: 66 return 2 #部分偏移 67 else: 68 return 1 #场景匹配 69 70 71 ''' 72 计算2D物理距离 73 ''' 74 def get_distance(p1, p2): 75 x1,y1 = p1 76 x2,y2 = p2 77 return np.sqrt((x1-x2)**2 + (y1-y2)**2) 78 79 80 if __name__ == "__main__": 81 pass
测试
1 ''' 2 摄像机角度偏移告警 3 ''' 4 import cv2 5 import do_match 6 import numpy as np 7 from PIL import Image, ImageDraw, ImageFont 8 9 ''' 10 告警信息 11 ''' 12 def putText(frame, text): 13 cv2_im = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2RGB) 14 pil_im = Image.fromarray(cv2_im) 15 16 draw = ImageDraw.Draw(pil_im) 17 font = ImageFont.truetype("fonts/msyh.ttc", 30, encoding="utf-8") 18 draw.text((50, 50), text, (0, 255, 255), font=font) 19 20 cv2_text_im = cv2.cvtColor(np.array(pil_im), cv2.COLOR_RGB2BGR) 21 22 return cv2_text_im 23 24 25 26 27 texts = ["完全偏移","严重偏移", "轻微偏移", "无偏移"] 28 29 cap = cv2.VideoCapture('videos/test4_new.mp4') 30 31 if (cap.isOpened()== False): 32 print("Error opening video stream or file") 33 34 first_frame = True 35 pre_frame = 0 36 37 index = 0 38 39 while(cap.isOpened()): 40 ret, frame = cap.read() 41 if ret == True: 42 if first_frame: 43 pre_frame = frame 44 first_frame = False 45 continue 46 47 index += 1 48 if index % 24 == 0: 49 result = do_match.match2frames(pre_frame, frame) 50 print("检测结果===>", texts[result]) 51 52 if result > 1: # 缓存最近无偏移的帧 53 pre_frame = frame 54 55 size = frame.shape 56 57 if size[1] > 720: # 缩小显示 58 frame = cv2.resize(frame, (int(size[1]*0.5), int(size[0]*0.5)), cv2.INTER_LINEAR) 59 60 text_frame = putText(frame, texts[result]) 61 62 cv2.imshow('Frame', text_frame) 63 if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'): 64 break 65 else: 66 break 67 68 cap.release() 69 cv2.destroyAllWindows()
