又一好文章!!
在这一节中,主要讲目标跟踪的一个重要的算法Camshift,因为它是连续自使用的meanShift,所以这2个函数opencv中都有,且都很重要。为了让大家先达到一个感性认识。这节主要是看懂和运行opencv中给的sample并稍加修改。
Camshift函数的原型为:RotatedRect CamShift(InputArray probImage, Rect& window, TermCriteria criteria)。
其中probImage为输入图像直方图的反向投影图,window为要跟踪目标的初始位置矩形框,criteria为算法结束条件。函数返回一个有方向角度的矩阵。该函数的实现首先是利用meanshift算法计算出要跟踪的中心,然后调整初始窗口的大小位置和方向角度。在camshift内部调用了meanshift算法计算目标的重心。
下面是一个opencv自带的CamShift算法使用工程实例。该实例的作用是跟踪摄像头中目标物体,目标物体初始位置用鼠标指出,其跟踪窗口大小和方向随着目标物体的变化而变化。其代码及注释大概如下:
- #include "StdAfx.h"
- #include "opencv2/video/tracking.hpp"
- #include "opencv2/imgproc/imgproc.hpp"
- #include "opencv2/highgui/highgui.hpp"
- #include <iostream>
- #include <ctype.h>
- using namespace cv;
- using namespace std;
- Mat image;
- bool backprojMode = false; //表示是否要进入反向投影模式,ture表示准备进入反向投影模式
- bool selectObject = false;//代表是否在选要跟踪的初始目标,true表示正在用鼠标选择
- int trackObject = 0; //代表跟踪目标数目
- bool showHist = true;//是否显示直方图
- Point origin;//用于保存鼠标选择第一次单击时点的位置
- Rect selection;//用于保存鼠标选择的矩形框
- int vmin = 10, vmax = 256, smin = 30;
- void onMouse( int event, int x, int y, int, void* )
- {
- if( selectObject )//只有当鼠标左键按下去时才有效,然后通过if里面代码就可以确定所选择的矩形区域selection了
- {
- selection.x = MIN(x, origin.x);//矩形左上角顶点坐标
- selection.y = MIN(y, origin.y);
- selection.width = std::abs(x - origin.x);//矩形宽
- selection.height = std::abs(y - origin.y);//矩形高
- selection &= Rect(0, 0, image.cols, image.rows);//用于确保所选的矩形区域在图片范围内
- }
- switch( event )
- {
- case CV_EVENT_LBUTTONDOWN:
- origin = Point(x,y);
- selection = Rect(x,y,0,0);//鼠标刚按下去时初始化了一个矩形区域
- selectObject = true;
- break;
- case CV_EVENT_LBUTTONUP:
- selectObject = false;
- if( selection.width > 0 && selection.height > 0 )
- trackObject = -1;
- break;
- }
- }
- void help()
- {
- cout << "\nThis is a demo that shows mean-shift based tracking\n"
- "You select a color objects such as your face and it tracks it.\n"
- "This reads from video camera (0 by default, or the camera number the user enters\n"
- "Usage: \n"
- " ./camshiftdemo [camera number]\n";
- cout << "\n\nHot keys: \n"
- "\tESC - quit the program\n"
- "\tc - stop the tracking\n"
- "\tb - switch to/from backprojection view\n"
- "\th - show/hide object histogram\n"
- "\tp - pause video\n"
- "To initialize tracking, select the object with mouse\n";
- }
- const char* keys =
- {
- "{1| | 0 | camera number}"
- };
- int main( int argc, const char** argv )
- {
- help();
- VideoCapture cap; //定义一个摄像头捕捉的类对象
- Rect trackWindow;
- RotatedRect trackBox;//定义一个旋转的矩阵类对象
- int hsize = 16;
- float hranges[] = {0,180};//hranges在后面的计算直方图函数中要用到
- const float* phranges = hranges;
- CommandLineParser parser(argc, argv, keys);//命令解析器函数
- int camNum = parser.get<int>("1");
- cap.open(camNum);//直接调用成员函数打开摄像头
- if( !cap.isOpened() )
- {
- help();
- cout << "***Could not initialize capturing...***\n";
- cout << "Current parameter's value: \n";
- parser.printParams();
- return -1;
- }
- namedWindow( "Histogram", 0 );
- namedWindow( "CamShift Demo", 0 );
- setMouseCallback( "CamShift Demo", onMouse, 0 );//消息响应机制
- createTrackbar( "Vmin", "CamShift Demo", &vmin, 256, 0 );//createTrackbar函数的功能是在对应的窗口创建滑动条,滑动条Vmin,vmin表示滑动条的值,最大为256
- createTrackbar( "Vmax", "CamShift Demo", &vmax, 256, 0 );//最后一个参数为0代表没有调用滑动拖动的响应函数
- createTrackbar( "Smin", "CamShift Demo", &smin, 256, 0 );//vmin,vmax,smin初始值分别为10,256,30
- Mat frame, hsv, hue, mask, hist, histimg = Mat::zeros(200, 320, CV_8UC3), backproj;
- bool paused = false;
- for(;;)
- {
- if( !paused )//没有暂停
- {
- cap >> frame;//从摄像头抓取一帧图像并输出到frame中
- if( frame.empty() )
- break;
- }
- frame.copyTo(image);
- if( !paused )//没有按暂停键
- {
- cvtColor(image, hsv, CV_BGR2HSV);//将rgb摄像头帧转化成hsv空间的
- if( trackObject )//trackObject初始化为0,或者按完键盘的'c'键后也为0,当鼠标单击松开后为-1
- {
- int _vmin = vmin, _vmax = vmax;
- //inRange函数的功能是检查输入数组每个元素大小是否在2个给定数值之间,可以有多通道,mask保存0通道的最小值,也就是h分量
- //这里利用了hsv的3个通道,比较h,0~180,s,smin~256,v,min(vmin,vmax),max(vmin,vmax)。如果3个通道都在对应的范围内,则
- //mask对应的那个点的值全为1(0xff),否则为0(0x00).
- inRange(hsv, Scalar(0, smin, MIN(_vmin,_vmax)),
- Scalar(180, 256, MAX(_vmin, _vmax)), mask);
- int ch[] = {0, 0};
- hue.create(hsv.size(), hsv.depth());//hue初始化为与hsv大小深度一样的矩阵,色调的度量是用角度表示的,红绿蓝之间相差120度,反色相差180度
- mixChannels(&hsv, 1, &hue, 1, ch, 1);//将hsv第一个通道(也就是色调)的数复制到hue中,0索引数组
- if( trackObject < 0 )//鼠标选择区域松开后,该函数内部又将其赋值1
- {
- //此处的构造函数roi用的是Mat hue的矩阵头,且roi的数据指针指向hue,即共用相同的数据,select为其感兴趣的区域
- Mat roi(hue, selection), maskroi(mask, selection);//mask保存的hsv的最小值
- //calcHist()函数第一个参数为输入矩阵序列,第2个参数表示输入的矩阵数目,第3个参数表示将被计算直方图维数通道的列表,第4个参数表示可选的掩码函数
- //第5个参数表示输出直方图,第6个参数表示直方图的维数,第7个参数为每一维直方图数组的大小,第8个参数为每一维直方图bin的边界
- calcHist(&roi, 1, 0, maskroi, hist, 1, &hsize, &phranges);//将roi的0通道计算直方图并通过mask放入hist中,hsize为每一维直方图的大小
- normalize(hist, hist, 0, 255, CV_MINMAX);//将hist矩阵进行数组范围归一化,都归一化到0~255
- trackWindow = selection;
- trackObject = 1;//只要鼠标选完区域松开后,且没有按键盘清0键'c',则trackObject一直保持为1,因此该if函数只能执行一次,除非重新选择跟踪区域
- histimg = Scalar::all(0);//与按下'c'键是一样的,这里的all(0)表示的是标量全部清0
- int binW = histimg.cols / hsize; //histing是一个200*300的矩阵,hsize应该是每一个bin的宽度,也就是histing矩阵能分出几个bin出来
- Mat buf(1, hsize, CV_8UC3);//定义一个缓冲单bin矩阵
- for( int i = 0; i < hsize; i++ )//saturate_case函数为从一个初始类型准确变换到另一个初始类型
- buf.at<Vec3b>(i) = Vec3b(saturate_cast<uchar>(i*180./hsize), 255, 255);//Vec3b为3个char值的向量
- cvtColor(buf, buf, CV_HSV2BGR);//将hsv又转换成bgr
- for( int i = 0; i < hsize; i++ )
- {
- int val = saturate_cast<int>(hist.at<float>(i)*histimg.rows/255);//at函数为返回一个指定数组元素的参考值
- rectangle( histimg, Point(i*binW,histimg.rows), //在一幅输入图像上画一个简单抽的矩形,指定左上角和右下角,并定义颜色,大小,线型等
- Point((i+1)*binW,histimg.rows - val),
- Scalar(buf.at<Vec3b>(i)), -1, 8 );
- }
- }
- calcBackProject(&hue, 1, 0, hist, backproj, &phranges);//计算直方图的反向投影,计算hue图像0通道直方图hist的反向投影,并让入backproj中
- backproj &= mask;
- //opencv2.0以后的版本函数命名前没有cv两字了,并且如果函数名是由2个意思的单词片段组成的话,且前面那个片段不够成单词,则第一个字母要
- //大写,比如Camshift,如果第一个字母是个单词,则小写,比如meanShift,但是第二个字母一定要大写
- RotatedRect trackBox = CamShift(backproj, trackWindow, //trackWindow为鼠标选择的区域,TermCriteria为确定迭代终止的准则
- TermCriteria( CV_TERMCRIT_EPS | CV_TERMCRIT_ITER, 10, 1 ));//CV_TERMCRIT_EPS是通过forest_accuracy,CV_TERMCRIT_ITER
- if( trackWindow.area() <= 1 ) //是通过max_num_of_trees_in_the_forest
- {
- int cols = backproj.cols, rows = backproj.rows, r = (MIN(cols, rows) + 5)/6;
- trackWindow = Rect(trackWindow.x - r, trackWindow.y - r,
- trackWindow.x + r, trackWindow.y + r) &
- Rect(0, 0, cols, rows);//Rect函数为矩阵的偏移和大小,即第一二个参数为矩阵的左上角点坐标,第三四个参数为矩阵的宽和高
- }
- if( backprojMode )
- cvtColor( backproj, image, CV_GRAY2BGR );//因此投影模式下显示的也是rgb图?
- ellipse( image, trackBox, Scalar(0,0,255), 3, CV_AA );//跟踪的时候以椭圆为代表目标
- }
- }
- //后面的代码是不管pause为真还是为假都要执行的
- else if( trackObject < 0 )//同时也是在按了暂停字母以后
- paused = false;
- if( selectObject && selection.width > 0 && selection.height > 0 )
- {
- Mat roi(image, selection);
- bitwise_not(roi, roi);//bitwise_not为将每一个bit位取反
- }
- imshow( "CamShift Demo", image );
- imshow( "Histogram", histimg );
- char c = (char)waitKey(10);
- if( c == 27 ) //退出键
- break;
- switch(c)
- {
- case 'b': //反向投影模型交替
- backprojMode = !backprojMode;
- break;
- case 'c': //清零跟踪目标对象
- trackObject = 0;
- histimg = Scalar::all(0);
- break;
- case 'h': //显示直方图交替
- showHist = !showHist;
- if( !showHist )
- destroyWindow( "Histogram" );
- else
- namedWindow( "Histogram", 1 );
- break;
- case 'p': //暂停跟踪交替
- paused = !paused;
- break;
- default:
- ;
- }
- }
- return 0;
- }
另外,由于Camshift主要是利用到了meanShift算法,在目标跟踪领域应用比较广泛,而meanShift也可以用于目标跟踪,只是自适用性没CamShift好,但也可以用。首先看看meanShift算法的声明:
int meanShift(InputArray probImage, Rect& window, TermCriteria criteria)
与CamShift函数不同的一点是,它返回的不是一个矩形框,而是一个int型变量。该int型变量应该是代表找到目标物体的个数。特别需要注意的是参数window,它不仅是目标物体初始化的位置,还是实时跟踪目标后的位置,所以其实也是一个返回值。由于meanShift好像主要不是用于目标跟踪上,很多应用是在图像分割上。但是这里还是将CamShift算法例子稍微改一下,就成了meanShift算法了。主要是用window代替CamShift中的trackWindow.
其代码注释如下:
- #include "StdAfx.h"
- #include "opencv2/video/tracking.hpp"
- #include "opencv2/imgproc/imgproc.hpp"
- #include "opencv2/highgui/highgui.hpp"
- #include <iostream>
- #include <ctype.h>
- using namespace cv;
- using namespace std;
- Mat image;
- bool backprojMode = false; //表示是否要进入反向投影模式,ture表示准备进入反向投影模式
- bool selectObject = false;//代表是否在选要跟踪的初始目标,true表示正在用鼠标选择
- int trackObject = 0; //代表跟踪目标数目
- bool showHist = true;//是否显示直方图
- Point origin;//用于保存鼠标选择第一次单击时点的位置
- Rect selection;//用于保存鼠标选择的矩形框
- int vmin = 10, vmax = 256, smin = 30;
- void onMouse( int event, int x, int y, int, void* )
- {
- if( selectObject )//只有当鼠标左键按下去时才有效,然后通过if里面代码就可以确定所选择的矩形区域selection了
- {
- selection.x = MIN(x, origin.x);//矩形左上角顶点坐标
- selection.y = MIN(y, origin.y);
- selection.width = std::abs(x - origin.x);//矩形宽
- selection.height = std::abs(y - origin.y);//矩形高
- selection &= Rect(0, 0, image.cols, image.rows);//用于确保所选的矩形区域在图片范围内
- }
- switch( event )
- {
- case CV_EVENT_LBUTTONDOWN:
- origin = Point(x,y);
- selection = Rect(x,y,0,0);//鼠标刚按下去时初始化了一个矩形区域
- selectObject = true;
- break;
- case CV_EVENT_LBUTTONUP:
- selectObject = false;
- if( selection.width > 0 && selection.height > 0 )
- trackObject = -1;
- break;
- }
- }
- void help()
- {
- cout << "\nThis is a demo that shows mean-shift based tracking\n"
- "You select a color objects such as your face and it tracks it.\n"
- "This reads from video camera (0 by default, or the camera number the user enters\n"
- "Usage: \n"
- " ./camshiftdemo [camera number]\n";
- cout << "\n\nHot keys: \n"
- "\tESC - quit the program\n"
- "\tc - stop the tracking\n"
- "\tb - switch to/from backprojection view\n"
- "\th - show/hide object histogram\n"
- "\tp - pause video\n"
- "To initialize tracking, select the object with mouse\n";
- }
- const char* keys =
- {
- "{1| | 0 | camera number}"
- };
- int main( int argc, const char** argv )
- {
- help();
- VideoCapture cap; //定义一个摄像头捕捉的类对象
- Rect trackWindow;
- RotatedRect trackBox;//定义一个旋转的矩阵类对象
- int hsize = 16;
- float hranges[] = {0,180};//hranges在后面的计算直方图函数中要用到
- const float* phranges = hranges;
- CommandLineParser parser(argc, argv, keys);//命令解析器函数
- int camNum = parser.get<int>("1");
- cap.open(camNum);//直接调用成员函数打开摄像头
- if( !cap.isOpened() )
- {
- help();
- cout << "***Could not initialize capturing...***\n";
- cout << "Current parameter's value: \n";
- parser.printParams();
- return -1;
- }
- namedWindow( "Histogram", 0 );
- namedWindow( "CamShift Demo", 0 );
- setMouseCallback( "CamShift Demo", onMouse, 0 );//消息响应机制
- createTrackbar( "Vmin", "CamShift Demo", &vmin, 256, 0 );//createTrackbar函数的功能是在对应的窗口创建滑动条,滑动条Vmin,vmin表示滑动条的值,最大为256
- createTrackbar( "Vmax", "CamShift Demo", &vmax, 256, 0 );//最后一个参数为0代表没有调用滑动拖动的响应函数
- createTrackbar( "Smin", "CamShift Demo", &smin, 256, 0 );//vmin,vmax,smin初始值分别为10,256,30
- Mat frame, hsv, hue, mask, hist, histimg = Mat::zeros(200, 320, CV_8UC3), backproj;
- bool paused = false;
- for(;;)
- {
- if( !paused )//没有暂停
- {
- cap >> frame;//从摄像头抓取一帧图像并输出到frame中
- if( frame.empty() )
- break;
- }
- frame.copyTo(image);
- if( !paused )//没有按暂停键
- {
- cvtColor(image, hsv, CV_BGR2HSV);//将rgb摄像头帧转化成hsv空间的
- if( trackObject )//trackObject初始化为0,或者按完键盘的'c'键后也为0,当鼠标单击松开后为-1
- {
- int _vmin = vmin, _vmax = vmax;
- //inRange函数的功能是检查输入数组每个元素大小是否在2个给定数值之间,可以有多通道,mask保存0通道的最小值,也就是h分量
- //这里利用了hsv的3个通道,比较h,0~180,s,smin~256,v,min(vmin,vmax),max(vmin,vmax)。如果3个通道都在对应的范围内,则
- //mask对应的那个点的值全为1(0xff),否则为0(0x00).
- inRange(hsv, Scalar(0, smin, MIN(_vmin,_vmax)),
- Scalar(180, 256, MAX(_vmin, _vmax)), mask);
- int ch[] = {0, 0};
- hue.create(hsv.size(), hsv.depth());//hue初始化为与hsv大小深度一样的矩阵,色调的度量是用角度表示的,红绿蓝之间相差120度,反色相差180度
- mixChannels(&hsv, 1, &hue, 1, ch, 1);//将hsv第一个通道(也就是色调)的数复制到hue中,0索引数组
- if( trackObject < 0 )//鼠标选择区域松开后,该函数内部又将其赋值1
- {
- //此处的构造函数roi用的是Mat hue的矩阵头,且roi的数据指针指向hue,即共用相同的数据,select为其感兴趣的区域
- Mat roi(hue, selection), maskroi(mask, selection);//mask保存的hsv的最小值
- //calcHist()函数第一个参数为输入矩阵序列,第2个参数表示输入的矩阵数目,第3个参数表示将被计算直方图维数通道的列表,第4个参数表示可选的掩码函数
- //第5个参数表示输出直方图,第6个参数表示直方图的维数,第7个参数为每一维直方图数组的大小,第8个参数为每一维直方图bin的边界
- calcHist(&roi, 1, 0, maskroi, hist, 1, &hsize, &phranges);//将roi的0通道计算直方图并通过mask放入hist中,hsize为每一维直方图的大小
- normalize(hist, hist, 0, 255, CV_MINMAX);//将hist矩阵进行数组范围归一化,都归一化到0~255
- trackWindow = selection;
- trackObject = 1;//只要鼠标选完区域松开后,且没有按键盘清0键'c',则trackObject一直保持为1,因此该if函数只能执行一次,除非重新选择跟踪区域
- histimg = Scalar::all(0);//与按下'c'键是一样的,这里的all(0)表示的是标量全部清0
- int binW = histimg.cols / hsize; //histing是一个200*300的矩阵,hsize应该是每一个bin的宽度,也就是histing矩阵能分出几个bin出来
- Mat buf(1, hsize, CV_8UC3);//定义一个缓冲单bin矩阵
- for( int i = 0; i < hsize; i++ )//saturate_case函数为从一个初始类型准确变换到另一个初始类型
- buf.at<Vec3b>(i) = Vec3b(saturate_cast<uchar>(i*180./hsize), 255, 255);//Vec3b为3个char值的向量
- cvtColor(buf, buf, CV_HSV2BGR);//将hsv又转换成bgr
- for( int i = 0; i < hsize; i++ )
- {
- int val = saturate_cast<int>(hist.at<float>(i)*histimg.rows/255);//at函数为返回一个指定数组元素的参考值
- rectangle( histimg, Point(i*binW,histimg.rows), //在一幅输入图像上画一个简单抽的矩形,指定左上角和右下角,并定义颜色,大小,线型等
- Point((i+1)*binW,histimg.rows - val),
- Scalar(buf.at<Vec3b>(i)), -1, 8 );
- }
- }
- calcBackProject(&hue, 1, 0, hist, backproj, &phranges);//计算直方图的反向投影,计算hue图像0通道直方图hist的反向投影,并让入backproj中
- backproj &= mask;
- //opencv2.0以后的版本函数命名前没有cv两字了,并且如果函数名是由2个意思的单词片段组成的话,且前面那个片段不够成单词,则第一个字母要
- //大写,比如Camshift,如果第一个字母是个单词,则小写,比如meanShift,但是第二个字母一定要大写
- meanShift(backproj, trackWindow, //trackWindow为鼠标选择的区域,TermCriteria为确定迭代终止的准则
- TermCriteria( CV_TERMCRIT_EPS | CV_TERMCRIT_ITER, 10, 1 ));//CV_TERMCRIT_EPS是通过forest_accuracy,CV_TERMCRIT_ITER
- if( trackWindow.area() <= 1 ) //是通过max_num_of_trees_in_the_forest
- {
- int cols = backproj.cols, rows = backproj.rows, r = (MIN(cols, rows) + 5)/6;
- trackWindow = Rect(trackWindow.x - r, trackWindow.y - r,
- trackWindow.x + r, trackWindow.y + r) &
- Rect(0, 0, cols, rows);//Rect函数为矩阵的偏移和大小,即第一二个参数为矩阵的左上角点坐标,第三四个参数为矩阵的宽和高
- }
- if( backprojMode )
- cvtColor( backproj, image, CV_GRAY2BGR );//因此投影模式下显示的也是rgb图?
- //ellipse( image, trackBox, Scalar(0,0,255), 3, CV_AA );//跟踪的时候以椭圆为代表目标
- rectangle(image,Point(trackWindow.x,trackWindow.y),Point(trackWindow.x+trackWindow.width,trackWindow.y+trackWindow.height),Scalar(0,0,255),-1,CV_AA);
- }
- }
- //后面的代码是不管pause为真还是为假都要执行的
- else if( trackObject < 0 )//同时也是在按了暂停字母以后
- paused = false;
- if( selectObject && selection.width > 0 && selection.height > 0 )
- {
- Mat roi(image, selection);
- bitwise_not(roi, roi);//bitwise_not为将每一个bit位取反
- }
- imshow( "CamShift Demo", image );
- imshow( "Histogram", histimg );
- char c = (char)waitKey(10);
- if( c == 27 ) //退出键
- break;
- switch(c)
- {
- case 'b': //反向投影模型交替
- backprojMode = !backprojMode;
- break;
- case 'c': //清零跟踪目标对象
- trackObject = 0;
- histimg = Scalar::all(0);
- break;
- case 'h': //显示直方图交替
- showHist = !showHist;
- if( !showHist )
- destroyWindow( "Histogram" );
- else
- namedWindow( "Histogram", 1 );
- break;
- case 'p': //暂停跟踪交替
- paused = !paused;
- break;
- default:
- ;
- }
- }
- return 0;
- }
本文感性上认识了怎样使用meanShift()和CamShift()函数,跟进一步的实现原理需要看其相关的论文和代码才能理解。但是从本例中调用的其它函数也可以学到很多opencv函数,效果还是很不错的。