基于opencv对高空拍摄视频消抖处理

一、问题背景

无人机在拍摄视频时，由于风向等影响因素，不可避免会出现位移和旋转，导致拍摄出的画面存在平移和旋转的帧间变换，即“抖动” 抖动会改变目标物体 (车辆、行人) 的坐标，给后续的检测、跟踪任务引入额外误差，造成数据集不可用。

理想的无抖动视频中，对应于真实世界同一位置的背景点在不同帧中的坐标应保持一致，从而使车辆、行人等目标物体的坐标变化只由物体本身的运动导致，而不包含相机的运动抖动可以由不同帧中对应背景点的坐标变换来描述

二、量化指标

抖动可以用相邻帧之间的 x 方向平移像素 dx，y 方向平移像素 dy，旋转角度 da，缩放比例 s 来描述，分别绘制出 4 个折线图，根据折线图的走势可以判断抖动的程度理想的无抖动视频中，dx、dy、da 几乎始终为 0，s 几乎始终为 1。

三、技术思路

我们最终实现，将视频的所有帧都对齐到第一帧，以达到视频消抖问题，实现逻辑如下图所示。

（1）首先对视频进行抽第一帧与最后一帧，为什么抽取两帧？这样做的主要目的是，我们在做帧对齐时，使用帧中静态物的关键点做对齐，如果特征点来源于动态物上，那么对齐后就会产生形变，我们选取第一帧与最后一帧，提取特征点，留下交集部分，则可以得到静态特征点我们这里称为特征模板，然后将特征模板应用到每一帧上，这样可以做有效对齐。

（2）常用特征点检测器：

SIFT: 04 年提出，广泛应用于各种跟踪和识别算法，表现能力强，但计算复杂度高。

SURF: 06 年提出，是 SIFT 的演进版本，保持强表现能力的同时大大减少了计算量。

BRISK: BRIEF 的演进版本，压缩了特征的表示，提高了匹配速度。 ORB: 以速度著称，是 SURF 的演进版本，多用于实时应用。

GFTT: 最早提出的 Harris 角点的改进版本，经常合称为 Harris-Shi-Tomasi 角点。

SimpleBlob: 使用 blob 的概念来抽取图像中的特征点，相对于角点的一种创新。 FAST: 相比其他方法特征点数量最多，但也容易得到距离过近的点，需要经过 NMS。

Star: 最初用于视觉测距，后来也成为一种通用的特征点检测方法。

我们这里使用的是SURF特征点检测器

（3）在上图中，我们发现所提取的特征点中部分来自于车身，由于车是运动的，所以我们不能使用，我们用第一帧与最后一帧做静态特帧点匹配，生成静态特征模板，在下图中，我们发现只有所有的特征点只选取在静态物上

（4）静态特征模板匹配，我们这里使用Flann算法，匹配结果如下

（5）使用匹配成功的两组特征点，估计两帧之间的透视变换 (Perspective Transformation)。估计矩阵 H，其中 (x_i, y_i) 和 (x_i^′, y_i^′) 分别是两帧的特征点。

四、实现代码

运行环境以及版本，安装命令如下：
python版本：3.X
opencv-python：3.4.2.16
opencv-contrib-python：3.4.2.16

需要卸载之前的opencv-python版本
pip uninstall opencv-python
pip uninstall opencv-contrib-python

安装新的版本
pip install opencv_python==3.4.2.16 
pip install opencv-contrib-python==3.4.2.16

代码基于python实现，如下所示：

import cv2
import numpy as np
from tqdm import tqdm
import argparse
import os

# get param
parser = argparse.ArgumentParser(description='')
parser.add_argument('-v', type=str, default='')  # 指定输入视频路径位置（参数必选）
parser.add_argument('-o', type=str, default='')  # 指定输出视频路径位置（参数必选）
parser.add_argument('-n', type=int, default=-1)  # 指定处理的帧数（参数可选）, 不设置使用视频实际帧

# eg: python3 stable.py -v=video/01.mp4 -o=video/01_stable.mp4 -n=100 -p=6

args = parser.parse_args()

input_path = args.v
output_path = args.o
number = args.n

class Stable:
    # 处理视频文件路径
    __input_path = None

    __output_path = None

    __number = number

    # surf 特征提取
    __surf = {
        # surf算法
        'surf': None,
        # 提取的特征点
        'kp': None,
        # 描述符
        'des': None,
        # 过滤后的特征模板
        'template_kp': None
    }

    # capture
    __capture = {
        # 捕捉器
        'cap': None,
        # 视频大小
        'size': None,
        # 视频总帧
        'frame_count': None,
        # 视频帧率
        'fps': None,
        # 视频
        'video': None,
    }

    # 配置
    __config = {
        # 要保留的最佳特征的数量
        'key_point_count': 5000,
        # Flann特征匹配
        'index_params': dict(algorithm=0, trees=5),
        'search_params': dict(checks=50),
        'ratio': 0.5,
    }

    # 特征提取列表
    __surf_list = []

    def __init__(self):
        pass

    # 初始化capture
    def __init_capture(self):
        self.__capture['cap'] = cv2.VideoCapture(self.__video_path)
        self.__capture['size'] = (int(self.__capture['cap'].get(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH)),
                                  int(self.__capture['cap'].get(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT)))

        self.__capture['fps'] = self.__capture['cap'].get(cv2.CAP_PROP_FPS)

        self.__capture['video'] = cv2.VideoWriter(self.__output_path, cv2.VideoWriter_fourcc(*"mp4v"),
                                                  self.__capture['fps'], self.__capture['size'])

        self.__capture['frame_count'] = int(self.__capture['cap'].get(cv2.CAP_PROP_FRAME_COUNT))

        if number == -1:
            self.__number = self.__capture['frame_count']
        else:
            self.__number = min(self.__number, self.__capture['frame_count'])

    # 初始化surf
    def __init_surf(self):

        self.__capture['cap'].set(cv2.CAP_PROP_POS_FRAMES, 0)
        state, first_frame = self.__capture['cap'].read()

        self.__capture['cap'].set(cv2.CAP_PROP_POS_FRAMES, self.__capture['frame_count'] - 1)
        state, last_frame = self.__capture['cap'].read()

        self.__surf['surf'] = cv2.xfeatures2d.SURF_create(self.__config['key_point_count'])

        self.__surf['kp'], self.__surf['des'] = self.__surf['surf'].detectAndCompute(first_frame, None)
        kp, des = self.__surf['surf'].detectAndCompute(last_frame, None)

        # 快速临近匹配
        flann = cv2.FlannBasedMatcher(self.__config['index_params'], self.__config['search_params'])
        matches = flann.knnMatch(self.__surf['des'], des, k=2)

        good_match = []
        for m, n in matches:
            if m.distance < self.__config['ratio'] * n.distance:
                good_match.append(m)

        self.__surf['template_kp'] = []
        for f in good_match:
            self.__surf['template_kp'].append(self.__surf['kp'][f.queryIdx])

    # 释放
    def __release(self):
        self.__capture['video'].release()
        self.__capture['cap'].release()

    # 处理
    def __process(self):

        current_frame = 1

        self.__capture['cap'].set(cv2.CAP_PROP_POS_FRAMES, 0)

        process_bar = tqdm(self.__number, position=current_frame)

        while current_frame <= self.__number:
            # 抽帧
            success, frame = self.__capture['cap'].read()

            if not success: return

            # 计算
            frame = self.detect_compute(frame)

            # 写帧
            self.__capture['video'].write(frame)

            current_frame += 1

            process_bar.update(1)

    # 视频稳像
    def stable(self, input_path, output_path, number):
        self.__video_path = input_path
        self.__output_path = output_path
        self.__number = number

        self.__init_capture()
        self.__init_surf()
        self.__process()
        self.__release()

    # 特征点提取
    def detect_compute(self, frame):

        frame_gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

        # 计算特征点
        kp, des = self.__surf['surf'].detectAndCompute(frame_gray, None)

        # 快速临近匹配
        flann = cv2.FlannBasedMatcher(self.__config['index_params'], self.__config['search_params'])
        matches = flann.knnMatch(self.__surf['des'], des, k=2)

        # 计算单应性矩阵
        good_match = []
        for m, n in matches:
            if m.distance < self.__config['ratio'] * n.distance:
                good_match.append(m)

        # 特征模版过滤
        p1, p2 = [], []
        for f in good_match:
            if self.__surf['kp'][f.queryIdx] in self.__surf['template_kp']:
                p1.append(self.__surf['kp'][f.queryIdx].pt)
                p2.append(kp[f.trainIdx].pt)

        # 单应性矩阵
        H, _ = cv2.findHomography(np.float32(p2), np.float32(p1), cv2.RHO)

        # 透视变换
        output_frame = cv2.warpPerspective(frame, H, self.__capture['size'], borderMode=cv2.BORDER_REPLICATE)

        return output_frame


if __name__ == '__main__':

    if not os.path.exists(input_path):
        print(f'[ERROR] File "{input_path}" not found')
        exit(0)
    else:
        print(f'[INFO] Video "{input_path}" stable begin')

    s = Stable()
    s.stable(input_path, output_path, number)

    print('[INFO] Done.')
    exit(0)