12月19日 OpenCV 实战基础学习笔记——特征匹配

文章目录

  • 前言
  • 一、特征匹配
    • 1、Brute-force 蛮力匹配
    • 2、1 对 1 匹配
    • 3、k 对最佳匹配
  • 二、答题卡识别


前言

本文为12月19日 OpenCV 实战基础学习笔记——特征匹配,分为两个章节:

  • 特征匹配;
  • 答题卡识别。

一、特征匹配

1、Brute-force 蛮力匹配

import cv2 as cv
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

img1 = cv.imread("./ImageStich/box.png", 0)
img2 = cv.imread("./ImageStich/box_in_scene.png", 0)

plt.imshow(img1, cmap="gray")

12月19日 OpenCV 实战基础学习笔记——特征匹配_第1张图片

plt.imshow(img2, cmap="gray")

12月19日 OpenCV 实战基础学习笔记——特征匹配_第2张图片

sift = cv.SIFT_create()

kp1, des1 = sift.detectAndCompute(img1, None)
kp2, des2 = sift.detectAndCompute(img2, None)
  • crossCheck: 两个特征点要互相匹配。例如 A 中的第 i 个特征点与 B 中的第 j 个特征点最近的,并且 B 中的第 j 个特征点到 A 中的第 i 个特征点也是。
# NORM_L2: 归一化数组的(欧几里德距离),如果其他特征计算方法需要考虑不同的匹配计算方式
bf = cv.BFMatcher(crossCheck=True)

2、1 对 1 匹配

matches = bf.match(des1, des2)
matches = sorted(matches, key=lambda x: x.distance)

img3 = cv.drawMatches(img1, kp1, img2, kp2, matches[:10], None, flags=2)

plt.imshow(img3, cmap="gray")

12月19日 OpenCV 实战基础学习笔记——特征匹配_第3张图片

3、k 对最佳匹配

bf = cv.BFMatcher()
matches = bf.knnMatch(des1, des2, k=2)

good = []
for m, n in matches:
    if m.distance < 0.75 * n.distance:
        good.append([m])

img3 = cv.drawMatchesKnn(img1, kp1, img2, kp2, good, None, flags=2)

plt.imshow(img3)

12月19日 OpenCV 实战基础学习笔记——特征匹配_第4张图片

二、答题卡识别

import numpy as np
import cv2 as cv

# 正确答案
ANSWER_KEY = {0: 1, 1: 4, 2: 0, 3: 3, 4: 1}
def order_points(pts):
    # 4 个坐标点
    rect = np.zeros((4, 2), dtype='float32')
    
    # 按顺序找到对应坐标0123分别是 左上,右上,右下,左下
    # 计算左上,右下
    s = pts.sum(axis=1)
    rect[0] = pts[np.argmin(s)]
    rect[2] = pts[np.argmax(s)]
    
    # 计算右上和左下
    diff = np.diff(pts, axis=1)
    rect[1] = pts[np.argmin(diff)]
    rect[3] = pts[np.argmax(diff)]
    return rect

def four_point_transform(image, pts):
    # 获取输入坐标点
    rect = order_points(pts)
    (tl, tr, br, bl) = rect
    
    # 计算输入的w和h值
    widthA = np.sqrt(((br[0] - bl[0]) ** 2) + ((br[1] - bl[1]) ** 2))
    widthB = np.sqrt(((tr[0] - tl[0]) ** 2) + ((tr[1] - tl[1]) ** 2))
    maxWidth = max(int(widthA), int(widthB))

    heightA = np.sqrt(((tr[0] - br[0]) ** 2) + ((tr[1] - br[1]) ** 2))
    heightB = np.sqrt(((tl[0] - bl[0]) ** 2) + ((tl[1] - bl[1]) ** 2))
    maxHeight = max(int(heightA), int(heightB))
    
    # 变换后对应坐标位置
    dst = np.array([
        [0, 0],
        [maxWidth - 1, 0],
        [maxWidth - 1, maxHeight - 1],
        [0, maxHeight - 1]], dtype='float32')
    
    # 计算变换矩阵
    M = cv.getPerspectiveTransform(rect, dst)
    warped = cv.warpPerspective(image, M, (maxWidth, maxHeight))
    
    # 返回变换后的结果
    return warped

def sort_contours(cnts, method='left-to-right'):
    reverse = False
    i = 0
    if method == "right-to-left" or method == "bottom-to-top":
        reverse = True
    if method == "top-to-bottom" or method == "bottom-to-top":
        i = 1
    boundingBoxes = [cv.boundingRect(c) for c in cnts]
    (cnts, boundingBoxes) = zip(*sorted(zip(cnts, boundingBoxes),
                                        key=lambda b: b[1][i], reverse=reverse))
    return cnts, boundingBoxes

def cv_show(name, img):
    cv.imshow(name, img)
    cv.waitKey(0)
    cv.destroyAllWindows()
# 预处理
img = cv.imread("./answer sheet/images/test_01.png")
img_contours = img.copy()
img_gray = cv.cvtColor(img, cv.COLOR_BGR2GRAY)
img_blur = cv.GaussianBlur(img_gray, (5, 5), 0)

cv_show("Blurred", img_blur)

img_edged = cv.Canny(img_blur, 75, 200)
cv_show("Edged", img_edged)

12月19日 OpenCV 实战基础学习笔记——特征匹配_第5张图片
12月19日 OpenCV 实战基础学习笔记——特征匹配_第6张图片

# 轮廓检测
cnts = cv.findContours(img_edged.copy(), cv.RETR_EXTERNAL, cv.CHAIN_APPROX_SIMPLE)[0]
cv.drawContours(img_contours, cnts, -1, (0, 0, 255), 3)
cv_show("Contours", img_contours)

docCnt = None

12月19日 OpenCV 实战基础学习笔记——特征匹配_第7张图片

# 确保检测到了
if len(cnts) > 0:
    # 根据轮廓大小进行排序
    cnts = sorted(cnts, key=cv.contourArea, reverse=True)
    
    # 遍历每一个轮廓
    for c in cnts:
        # 近似
        peri = cv.arcLength(c, True)
        approx = cv.approxPolyDP(c, 0.02*peri, True)
        
    # 准备做透视变换
    if len(approx) == 4:
        docCnt = approx

# 执行透视变换
warped = four_point_transform(img_gray, docCnt.reshape(4, 2))
cv_show('Warped', warped)

# Otsu's 阈值处理
thresh = cv.threshold(warped, 0, 255, cv.THRESH_BINARY_INV | cv.THRESH_OTSU)[1]

cv_show('Thresh', thresh)
thresh_Contours = thresh.copy()

# 找到每一个圆圈轮廓
cnts = cv.findContours(thresh.copy(), cv.RETR_EXTERNAL, cv.CHAIN_APPROX_SIMPLE)[0]
cv.drawContours(thresh_Contours, cnts, -1, (0, 0, 255), 3)

cv_show('Thresh_Contours', thresh_Contours)
questionCnts = []

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12月19日 OpenCV 实战基础学习笔记——特征匹配_第9张图片
12月19日 OpenCV 实战基础学习笔记——特征匹配_第10张图片

# 遍历
for c in cnts:
    # 计算比例和大小
    (x, y, w, h) = cv.boundingRect(c)
    ar = w / float(h)
    
    # 根据实际情况指定标准
    if w >= 20 and h >= 20 and ar >= 0.9 and ar <= 1.1:
        questionCnts.append(c)
        
# 按照从上到下进行排序
questionCnts = sort_contours(questionCnts, method="top-to-bottom")[0]
correct = 0

# 每排有5个选项
for (q, i) in enumerate(np.arange(0, len(questionCnts), 5)):
    # 排序
    cnts = sort_contours(questionCnts[i:i + 5])[0]
    bubbled = None
    
    # 遍历每一个结果
    for (j, c) in enumerate(cnts):
        # 使用mask来判断结果
        mask = np.zeros(thresh.shape, dtype="uint8")
        cv.drawContours(mask, [c], -1, 255, -1) #- 1表示填充
        
        cv_show('Mask', mask)
        # 通过计算非零点数量来算是否选择这个答案
        mask = cv.bitwise_and(thresh, thresh, mask=mask)
        total = cv.countNonZero(mask)
        
        # 通过阈值判断
        if bubbled is None or total > bubbled[0]:
            bubbled = (total, j)
            
    # 对比正确答案
    color = (0, 0, 255)
    k = ANSWER_KEY[q]
    
    # 判断正确
    if k == bubbled[1]:
        color = (0, 255, 0)
        correct += 1
        
    # 绘图
    cv.drawContours(warped, [cnts[k]], -1, color, 3)

12月19日 OpenCV 实战基础学习笔记——特征匹配_第11张图片

score = (correct / 5.0) * 100
print("[INFO] score: {:.2f}%".format(score))
cv.putText(warped, "{:.2f}%".format(score), (10, 30),
          cv.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.9, (0, 0, 255), 2)

cv.imshow("Original", img)
cv.imshow("Exam", warped)
cv.waitKey(0)
cv.destroyAllWindows()

12月19日 OpenCV 实战基础学习笔记——特征匹配_第12张图片


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