基于Python和openCV实现图像的全景拼接详细步骤

基本介绍

图像的全景拼接，即“缝合”两张具有重叠区域的图来创建一张全景图。其中用到了计算机视觉和图像处理技术有：关键点检测、局部不变特征、关键点匹配、RANSAC(Random Sample Consensus，随机采样一致性)和透视变形。

具体步骤

（1）检测左右两张图像的SIFT关键特征点，并提取局部不变特征；
（2）使用knnMatch检测来自右图(左图)的SIFT特征，与左图(右图)进行匹配；
（3）计算视角变换矩阵H，用变换矩阵H对右图进行扭曲变换；
（4）将左图(右图)加入到变换后的图像的左侧(右侧)获得最终图像；

import cv2 as cv        # 导入opencv包
import numpy as np      # 导入numpy包，图像处理中的矩阵运算需要用到


# 检测图像的SIFT关键特征点
def sift_keypoints_detect(image):
  # 处理图像一般很少用到彩色信息，通常直接将图像转换为灰度图
  gray_image = cv.cvtColor(image, cv.COLOR_BGR2GRAY)

  # 获取图像特征sift-SIFT特征点,实例化对象sift
  sift = cv.xfeatures2d.SIFT_create()                
  
  # keypoints:特征点向量,向量内的每一个元素是一个KeyPoint对象，包含了特征点的各种属性信息(角度、关键点坐标等)
  # features:表示输出的sift特征向量，通常是128维的
  keypoints, features = sift.detectAndCompute(image, None)
  
  # cv.drawKeyPoints():在图像的关键点部位绘制一个小圆圈
  # 如果传递标志flags=cv.DRAW_MATCHES_FLAGS_DRAW_RICH_KEYPOINTS,它将绘制一个大小为keypoint的圆圈并显示它的方向
  # 这种方法同时显示图像的坐标，size和方向，是最能显示特征的一种绘制方式
  keypoints_image = cv.drawKeypoints(
      gray_image, keypoints, None, flags=cv.DRAW_MATCHES_FLAGS_NOT_DRAW_SINGLE_POINTS)
  
  # 返回带关键点的图像、关键点和sift的特征向量
  return keypoints_image, keypoints, features


# 使用KNN检测来自左右图像的SIFT特征，随后进行匹配
def get_feature_point_ensemble(features_right, features_left):
  # 创建BFMatcher对象解决匹配
  bf = cv.BFMatcher()
  # knnMatch()函数：返回每个特征点的最佳匹配k个匹配点
  matches = bf.knnMatch(features_right, features_left, k=2)  # des1为模板图，des2为匹配图
  # 利用sorted()函数对matches对象进行升序(默认)操作
  matches = sorted(matches, key=lambda x: x[0].distance / x[1].distance)
  # x:x[]字母可以随意修改，排序方式按照中括号[]里面的维度进行排序，[0]按照第一维排序，[2]按照第三维排序

  # 建立列表good用于存储匹配的点集
  good = []
  for m, n in matches:
  # ratio的值越大，匹配的线条越密集，但错误匹配点也会增多
  	ratio=0.6
      if m.distance < ratio * n.distance:
          good.append(m)
  return good


# 计算视角变换矩阵H，用H对右图进行变换并返回全景拼接图像
def Panorama_stitching(image_right, image_left):
  _, keypoints_right, features_right = sift_keypoints_detect(image_right)
  _, keypoints_left, features_left = sift_keypoints_detect(image_left)
  goodMatch = get_feature_point_ensemble(features_right, features_left)

  # 当筛选项的匹配对大于4对(因为homography单应性矩阵的计算需要至少四个点)时,计算视角变换矩阵
  if len(goodMatch) > 4:
      # 获取匹配对的点坐标
      ptsR = np.float32(
          [keypoints_right[m.queryIdx].pt for m in goodMatch]).reshape(-1, 1, 2)
      ptsL = np.float32(
          [keypoints_left[m.trainIdx].pt for m in goodMatch]).reshape(-1, 1, 2)
      
      # ransacReprojThreshold：将点对视为内点的最大允许重投影错误阈值(仅用于RANSAC和RHO方法时),若srcPoints和dstPoints是以像素为单位的，该参数通常设置在1到10的范围内
      ransacReprojThreshold = 4
      
      # cv.findHomography():计算多个二维点对之间的最优单映射变换矩阵 H(3行x3列),使用最小均方误差或者RANSAC方法
      # 函数作用:利用基于RANSAC的鲁棒算法选择最优的四组配对点，再计算转换矩阵H(3*3)并返回,以便于反向投影错误率达到最小
      Homography, status = cv.findHomography(
          ptsR, ptsL, cv.RANSAC, ransacReprojThreshold)

      # cv.warpPerspective()：透视变换函数，用于解决cv2.warpAffine()不能处理视场和图像不平行的问题
      # 作用：就是对图像进行透视变换，可保持直线不变形，但是平行线可能不再平行
      result = cv.warpPerspective(
          image_right, Homography, (image_right.shape[1] + image_left.shape[1], image_right.shape[0]))
      
      cv.imshow("扭曲变换后的右图", result)
      cv.waitKey(0)
      cv.destroyAllWindows()
      # 将左图加入到变换后的右图像的左端即获得最终图像
      result[0:image_left.shape[0], 0:image_left.shape[1]] = image_left
      
      # 返回全景拼接的图像
      return result


if __name__ == '__main__':

  # 读取需要拼接的图像,需要注意图像左右的顺序
  image_left = cv.imread("./Left.jpg")
  image_right = cv.imread("./Right.jpg")

  # 通过调用cv2.resize()使用插值的方式来改变图像的尺寸，保证左右两张图像大小一致
  # cv.resize()函数中的第二个形参dsize表示输出图像大小尺寸，当设置为0(None)时，则表示按fx与fy与原始图像大小相乘得到输出图像尺寸大小
  image_right = cv.resize(image_right, None, fx=0.4, fy=0.24)
  image_left = cv.resize(image_left, (image_right.shape[1], image_right.shape[0]))

  # 获取检测到关键点后的图像的相关参数
  keypoints_image_right, keypoints_right, features_right = sift_keypoints_detect(image_right)
  keypoints_image_left, keypoints_left, features_left = sift_keypoints_detect(image_left)

  # 利用np.hstack()函数同时将原图和绘有关键点的图像沿着竖直方向(水平顺序)堆叠起来
  cv.imshow("左图关键点检测", np.hstack((image_left, keypoints_image_left)))
  # 一般在imshow后设置 waitKey(0) , 代表按任意键继续
  cv.waitKey(0)
  # 删除先前建立的窗口
  cv.destroyAllWindows()
  cv.imshow("右图关键点检测", np.hstack((image_right, keypoints_image_right)))
  cv.waitKey(0)
  cv.destroyAllWindows()
  goodMatch = get_feature_point_ensemble(features_right, features_left)

  # cv.drawMatches():在提取两幅图像特征之后，画出匹配点对连线
  # matchColor C 匹配的颜色（特征点和连线),若matchColor==Scalar::all(-1),颜色随机
  all_goodmatch_image = cv.drawMatches(
      image_right, keypoints_right, image_left, keypoints_left, goodMatch, None, None, None, None, flags=2)
  cv.imshow("所有匹配的SIFT关键特征点连线", all_goodmatch_image)
  cv.waitKey(0)
  cv.destroyAllWindows()

  # 把图片拼接成全景图并保存
  result = Panorama_stitching(image_right, image_left)
  cv.namedWindow("全景图", cv.WINDOW_AUTOSIZE)
  cv.imshow("全景图", result)
  cv.imwrite("./全景图.jpg", result)
  cv.waitKey(0)
  cv.destroyAllWindows()

左图关键特征点检测

基于Python和openCV实现图像的全景拼接详细步骤