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Python + OpenCV 4 でビデオのフレーム間差分、トラッキングビジョン、オプティカルフローなど

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【目次】

【サイト内の関連ページ】

前準備

Python のインストール，pip と setuptools の更新，Python 開発環境

Python の URL: http://www.python.org/

【Python, pip の使い方】

Python, pip は，次のコマンドで起動できる．

【Python 開発環境のインストール】

Python 用 opencv-python 4.3 のインストール

Windows の場合

コマンドプロンプトで次のコマンドを実行 

python -m pip install -U opencv-python

Ubuntu の場合

端末で次のコマンドを実行 

sudo apt -y update
sudo apt -y install libopencv-dev python3-opencv
  • ラズベリーパイ の場合

    端末で次のコマンドを実行 

    sudo apt -y update
sudo apt -y install libopencv-dev python3-opencv python3-opencv-apps

    このページで説明のために使用するビデオ

    前準備として，ビデオファイルを準備する

    ここで使用するビデオファイル：sample1.mp4

    このビデオファイルのダウンロードは， Windows でコマンドプロンプトを管理者として実行し， 次のコマンドを実行． 

    mkdir c:\image
cd c:\image
curl -O https://www.kkaneko.jp/sample/face/sample1.mp4

    上のコマンドがうまく実行できないときは， sample1.mp4 ダウンロードし、C:/image に置いておく

    ビデオファイルの表示

    Python プログラムを動かすために， Windows では「python」， Ubuntu では「python3」などのコマンドを使う．

    あるいは， 開発環境や Python コンソール（Jupyter Qt Console，Spyder，PyCharm，PyScripter など）の利用も便利である．

    あるいは，オンラインで動くGoogle Colaboratory のノートブックの利用も，場合によっては便利である．

    ビデオファイルの表示例

    1フレームずつファイルから読み出しては，表示することを繰り返す．早送りに見えるのは正常動作． 

    import cv2
import numpy as np
IMROOT="C:/image/"
v = cv2.VideoCapture(IMROOT + "sample1.mp4")
while(v.isOpened()):
    r, bgr = v.read()
    if ( r == False ):
        break
    cv2.imshow("", bgr)
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break
v.release()
cv2.destroyAllWindows()

    表示を確認． このあと，ウインドウの右上の「x」をクリックしない．画面の中をクリックしてから，「q」キーを押して閉じる．以下同様．

    パソコン接続ビデオカメラの表示例

    パソコン接続できるビデオカメラを準備し，パソコンに接続しておく．

    ※「v = cv2.VideoCapture(0)」に変えただけ 

    import cv2
import numpy as np
v = cv2.VideoCapture(0)
while(v.isOpened()):
    r, bgr = v.read()
    if ( r == False ):
        break
    cv2.imshow("", bgr)
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break
v.release()
cv2.destroyAllWindows()

    ビデオファイルの表示例（必要部分の切り出し）

    「bgr[0:400, 0:300, 0:3]」で範囲を指定して、必要部分の切り出しを行っている 

    import cv2
import numpy as np
IMROOT="C:/image/"
v = cv2.VideoCapture(IMROOT + "sample1.mp4")
while(v.isOpened()):
    r, bgr = v.read()
    if ( r == False ):
        break
    f = bgr[0:400, 0:300, 0:3]
    cv2.imshow("", f)
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break
v.release()
cv2.destroyAllWindows()

    ※ 止めたいとき，右上の「x」をクリックしない．画面の中をクリックしてから，「q」のキーを押して閉じる

    連続フレームの差分表示（フレーム間差分）

    ビデオファイル 

    import cv2
import numpy as np
IMROOT="C:/image/"
v = cv2.VideoCapture(IMROOT + "sample1.mp4")
r, bgr = v.read()
while(v.isOpened()):
    bgr2 = bgr
    r, bgr = v.read()
    if ( r == False ):
        break
    cv2.imshow("", bgr - bgr2 + 128)
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break
v.release()
cv2.destroyAllWindows()

    表示の一部分

    パソコン接続ビデオカメラ

    パソコン接続できるビデオカメラを準備し，パソコンに接続しておく．

    ※「v = cv2.VideoCapture(0)」に変えただけ 

    import cv2
import numpy as np
v = cv2.VideoCapture(0)
r, bgr = v.read()
while(v.isOpened()):
    bgr2 = bgr
    r, bgr = v.read()
    if ( r == False ):
        break
    cv2.imshow("", bgr - bgr2 + 128)
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break
v.release()
cv2.destroyAllWindows()

    トラッキングビジョン

    「トラッキングに適するポイント（追跡用の点）」を複数抜き出す（Shi-Tomasi の手法）ことを行ってみる

    ビデオファイル 

    import cv2
import numpy as np
IMROOT="C:/image/"
v = cv2.VideoCapture(IMROOT + "sample1.mp4")
fourcc = cv2.VideoWriter_fourcc(*'XVID')
while(v.isOpened()):
    r, bgr = v.read()
    if ( r == False ):
        break
    g = cv2.cvtColor(bgr, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    d = cv2.goodFeaturesToTrack(g, 80, 0.01, 5, 3)
    if d is not None:
        d = np.int0(d)
        for i in d:
            x,y = i.ravel()
            cv2.circle(bgr, (x,y), 10, 255, -1)
    cv2.imshow("", bgr)
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break
v.release()
cv2.destroyAllWindows()

    ※ 途中で止めたいとき，右上の「x」をクリックしない．画面の中をクリックしてから，「q」のキーを押して閉じる

    パソコン接続ビデオカメラ

    パソコン接続できるビデオカメラを準備し，パソコンに接続しておく．

    ※「v = cv2.VideoCapture(0)」に変えただけ 

    import cv2
import numpy as np
v = cv2.VideoCapture(0)
fourcc = cv2.VideoWriter_fourcc(*'XVID')
while(v.isOpened()):
    r, bgr = v.read()
    if ( r == False ):
        break
    g = cv2.cvtColor(bgr, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    d = cv2.goodFeaturesToTrack(g, 80, 0.01, 5, 3)
    if d is not None:
        d = np.int0(d)
        for i in d:
            x,y = i.ravel()
            cv2.circle(bgr, (x,y), 10, 255, -1)
    cv2.imshow("", bgr)
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break
v.release()
cv2.destroyAllWindows()

    ※ 途中で止めたいとき，右上の「x」をクリックしない．画面の中をクリックしてから，「q」のキーを押して閉じる

    オプティカルフロー（Farnebackの方法による）

    オプティカルフローは，ビデオから「動きの情報」を取り出す

    ビデオファイル 

    import cv2
import numpy as np
IMROOT="C:/image/"
v = cv2.VideoCapture(IMROOT + "sample1.mp4")
fourcc = cv2.VideoWriter_fourcc(*'XVID')
ret, bgr1 = v.read()
prvs = cv2.cvtColor(bgr1,cv2.COLOR_BGR2GRAY)
hsv = np.zeros_like(bgr1)
hsv[...,1] = 255
while(1):
    ret, bgr2 = v.read()
    next = cv2.cvtColor(bgr2, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    # pyr_scale, levels, winsize, iterations, poly_n, poly_sigma, flags
    flow = cv2.calcOpticalFlowFarneback(prvs, next, None, 0.5, 3, 15, 3, 5, 1.2, 0)
    mag, ang = cv2.cartToPolar(flow[...,0], flow[...,1])
    hsv[...,0] = ang*180/np.pi/2
    hsv[...,2] = cv2.normalize(mag,None,0,255,cv2.NORM_MINMAX)
    rgb = cv2.cvtColor(hsv,cv2.COLOR_HSV2BGR)
    cv2.imshow('source',bgr2)
    cv2.imshow('flow',rgb)
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break
    prvs = next
v.release()
cv2.destroyAllWindows()

    ※ 途中で止めたいとき，右上の「x」をクリックしない．画面の中をクリックしてから，「q」のキーを押して閉じる

    パソコン接続ビデオカメラ

    パソコン接続できるビデオカメラを準備し，パソコンに接続しておく．

    ※「v = cv2.VideoCapture(0)」に変えただけ 

    import cv2
import numpy as np
v = cv2.VideoCapture(0)
fourcc = cv2.VideoWriter_fourcc(*'XVID')
ret, bgr1 = v.read()
prvs = cv2.cvtColor(bgr1,cv2.COLOR_BGR2GRAY)
hsv = np.zeros_like(bgr1)
hsv[...,1] = 255
while(1):
    ret, bgr2 = v.read()
    next = cv2.cvtColor(bgr2, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    # pyr_scale, levels, winsize, iterations, poly_n, poly_sigma, flags
    flow = cv2.calcOpticalFlowFarneback(prvs, next, None, 0.5, 3, 15, 3, 5, 1.2, 0)
    mag, ang = cv2.cartToPolar(flow[...,0], flow[...,1])
    hsv[...,0] = ang*180/np.pi/2
    hsv[...,2] = cv2.normalize(mag,None,0,255,cv2.NORM_MINMAX)
    rgb = cv2.cvtColor(hsv,cv2.COLOR_HSV2BGR)
    cv2.imshow('source',bgr2)
    cv2.imshow('flow',rgb)
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break
    prvs = next
v.release()
cv2.destroyAllWindows()

    ※ 途中で止めたいとき，右上の「x」をクリックしない．画面の中をクリックしてから，「q」のキーを押して閉じる

    DIS optical flow

    謝辞：https://github.com/opencv/opencv/blob/master/samples/python/stereo_match.py で公開されているプログラムに少し手を加えて使用している（video パッケージを使わない。パソコンカメラを使うようにしている） 

    import numpy as np
import cv2 as cv
def draw_flow(img, flow, step=16):
    h, w = img.shape[:2]
    y, x = np.mgrid[step/2:h:step, step/2:w:step].reshape(2,-1).astype(int)
    fx, fy = flow[y,x].T
    lines = np.vstack([x, y, x+fx, y+fy]).T.reshape(-1, 2, 2)
    lines = np.int32(lines + 0.5)
    vis = cv.cvtColor(img, cv.COLOR_GRAY2BGR)
    cv.polylines(vis, lines, 0, (0, 255, 0))
    for (x1, y1), (x2, y2) in lines:
        cv.circle(vis, (x1, y1), 1, (0, 255, 0), -1)
    return vis
def draw_hsv(flow):
    h, w = flow.shape[:2]
    fx, fy = flow[:,:,0], flow[:,:,1]
    ang = np.arctan2(fy, fx) + np.pi
    v = np.sqrt(fx*fx+fy*fy)
    hsv = np.zeros((h, w, 3), np.uint8)
    hsv[...,0] = ang*(180/np.pi/2)
    hsv[...,1] = 255
    hsv[...,2] = np.minimum(v*4, 255)
    bgr = cv.cvtColor(hsv, cv.COLOR_HSV2BGR)
    return bgr
def warp_flow(img, flow):
    h, w = flow.shape[:2]
    flow = -flow
    flow[:,:,0] += np.arange(w)
    flow[:,:,1] += np.arange(h)[:,np.newaxis]
    res = cv.remap(img, flow, None, cv.INTER_LINEAR)
    return res
import sys
cam = cv.VideoCapture(0)
ret, prev = cam.read()
prevgray = cv.cvtColor(prev, cv.COLOR_BGR2GRAY)
show_hsv = False
show_glitch = False
use_spatial_propagation = False
use_temporal_propagation = True
cur_glitch = prev.copy()
inst = cv.DISOpticalFlow.create(cv.DISOPTICAL_FLOW_PRESET_MEDIUM)
inst.setUseSpatialPropagation(use_spatial_propagation)
flow = None
while True:
    ret, img = cam.read()
    gray = cv.cvtColor(img, cv.COLOR_BGR2GRAY)
    if flow is not None and use_temporal_propagation:
        #warp previous flow to get an initial approximation for the current flow:
        flow = inst.calc(prevgray, gray, warp_flow(flow,flow))
    else:
        flow = inst.calc(prevgray, gray, None)
    prevgray = gray
    cv.imshow('flow', draw_flow(gray, flow))
    if show_hsv:
        cv.imshow('flow HSV', draw_hsv(flow))
    if show_glitch:
        cur_glitch = warp_flow(cur_glitch, flow)
        cv.imshow('glitch', cur_glitch)
    ch = 0xFF & cv.waitKey(5)
    if ch == 27:
        break
    if ch == ord('1'):
        show_hsv = not show_hsv
        print('HSV flow visualization is', ['off', 'on'][show_hsv])
    if ch == ord('2'):
        show_glitch = not show_glitch
        if show_glitch:
            cur_glitch = img.copy()
        print('glitch is', ['off', 'on'][show_glitch])
    if ch == ord('3'):
        use_spatial_propagation = not use_spatial_propagation
        inst.setUseSpatialPropagation(use_spatial_propagation)
        print('spatial propagation is', ['off', 'on'][use_spatial_propagation])
    if ch == ord('4'):
        use_temporal_propagation = not use_temporal_propagation
        print('temporal propagation is', ['off', 'on'][use_temporal_propagation])
cv.destroyAllWindows()

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