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)

参数说明：

-v    指定输入视频路径位置（参数必选）

-o    指定输出视频路径位置（参数必选）

-n    指定处理的帧数（参数可选）, 不设置使用视频实际帧

调用示例：

python3 stable.py -v=test.mp4 -o=test_stable.mp4

五、效果展示

我们消抖后的视频道路完全没有晃动，但是在边界有马赛克一样的东西，那是因为图片对齐后后出现黑边，我们采用边缘点重复来弥补黑边。

 六、效率优化

目前的处理效率（原视频尺寸3840*2160），我们可以看出主要时间是花费在特征点(key)提取上。
可以采用异步处理+GPU提高计算效率