OpenCV快速傅里叶变换(FFT)用于图像和视讯流的模糊检测

OpenCV快速傅里叶变换(FFT)用于图像和视频流的模糊检测
翻译自【OpenCV Fast Fourier Transform (FFT) for blur detection in images
and video streams】，原文链接：
https://www.pyimagesearch.com/2020/06/15/opencv-fast-fourier-transform-fft-for-blur-detection-in-images-and-video-streams/
仅作学习分享。

本文首发于公众号【Opencv视觉实践】。
在本教程中，您将学习如何使用OpenCV和快速傅里叶变换(FFT)在图像和实时视流中执行模糊检测。
今天的教程是我上一篇关于OpenCV模糊检测的博客文章的扩展（https://www.pyimagesearch.com/2015/09/07/blur-detection-with-opencv/）。原始模糊检测方法：

• 依赖于计算图像Laplacian算子的方差
• 可以仅用一行代码实现
• 使用起来非常简单

缺点是，Laplacian方法需要大量手动调整用于定义图像是否模糊的”阈值“。如果你能控制你的光线条件，环境和图像捕捉过程，这个方法工作得很好，但如果不是，那你很可能得到杂乱不堪的效果。

我们今天要讲的方法依赖于计算图像的快速傅里叶变换。它仍然需要一些手动调整，但正如我们将发现的，FFT模糊检测器比Laplacian方差更加可靠与稳定。

在本教程结束时，你将拥有一个可以应用于图像和视频流，且功能齐全的FFT模糊检测器。

OpenCV快速傅里叶变换(FFT)模糊检测

在本教程的第一部分，我们将简要讨论：

• 什么是模糊检测
• 为什么我们想检测图像/视频流中的模糊
• 快速傅里叶变换如何让我们检测模糊

什么是模糊检测，什么时候我们需要检测模糊?

图1：如何使用OpenCV和快速傅里叶变换(FFT)算法自动检测照片是否模糊?(图片来源：https://www.cs.unm.edu/~brayer/vision/fourier.html)

模糊检测，顾名思义，是检测图像是否模糊的算法。

模糊检测可能的应用包括：

• 图像质量的自动分级
• 帮助专业摄影师在100到1000张的照片拍摄过程中自动丢弃模糊/低质量的照片
• 将OCR应用于实时视频流，但仅对非模糊帧应用昂贵的OCR计算

这里的关键要点是，为在理想条件下捕获的图像编写计算机视觉代码总是比较容易的。

与其尝试处理质量非常差的图像的边缘情况，不如检测并丢弃质量差的图像(比如有明显模糊的图像)。

这种模糊检测程序既可以自动丢弃质量差的图像，也可以简单地告诉终端用户：”嘿，老兄，再试一次，让我们在这里捕捉一个更好的画面”。

请记住，计算机视觉应用程序应该是智能的，因此有了“人工智能”这个术语——有时候，“智能”可以只是检测输入数据的质量是否太差，而不是试图弄懂它。

什么是快速傅立叶变换(FFT)?

图2:在本教程中，我们将使用OpenCV和NumPy的组合在图像和视流中进行基于快速傅立叶变换(FFT)的模糊检测。

快速傅里叶变换是计算离散傅里叶变换的一种方便的数学算法。它用于将信号从一个域转换为另一个域。

FFT在许多学科中都很有用，包括音乐、数学、科学和工程。例如，电气工程师，特别是那些与无线、电源和音频信号打交道的工程师，需要FFT计算来将时间序列信号转换到频域，因为有些计算在频域更容易进行。相反，使用FFT可以将频域信号转换回时域。

在计算机视觉方面，我们通常认为FFT是一种图像处理工具，它可以将图片在两个图像域内转换：

• 傅里叶(即频率)域
• 空间域

此外，FFT同时用实分量和虚分量来表示图像。

通过分析这些值，我们可以执行图像处理程序，如模糊，边缘检测，阈值，纹理分析，以及模糊检测。

回顾快速傅里叶变换的数学细节超出了这篇博客文章的范围，所以如果你有兴趣学习更多关于它的知识，我建议你阅读这篇关于FFT及其与图像处理的关系的文章。

https://homepages.inf.ed.ac.uk/rbf/HIPR2/fourier.htm

对于有学术倾向的读者，可以看看Aaron Bobick在佐治亚理工学院计算机视觉课程上的精彩幻灯片。

https://www.cc.gatech.edu/~afb/classes/CS4495-Fall2014/slides/CS4495-Frequency.pdf

最后，维基百科关于傅里叶变换的页面更详细地介绍了数学，包括它在非图像处理任务中的应用。

项目结构

首先使用本教程的“下载”部分下载源代码和示例图像。一旦你解压缩文件，你将有一个目录组织如下：

$ tree --dirsfirst
.
├── images
│   ├── adrian_01.png
│   ├── adrian_02.png
│   ├── jemma.png
│   └── resume.png
├── pyimagesearch
│   ├── __init__.py
│   └── blur_detector.py
├── blur_detector_image.py
└── blur_detector_video.py
2 directories, 8 files

我们基于FFT的模糊检测算法位于blur_detector.py文件中的pyimagesearch模块中。内部实现了一个函数detect_blur_fft。

我们在两个Python驱动程序脚本中使用detect_blur_fft方法:

• blur_detector_image:对静态图像进行模糊检测。我在images/目录中为我们提供了一些测试图像，您也应该在自己的图像(模糊的和不模糊的)上尝试这种算法。
• blur_detector_video。在视频流中实现实时模糊检测。

使用OpenCV实现我们的FFT模糊检测器

现在我们准备用OpenCV实现我们的快速傅里叶变换模糊检测器。

我们将要介绍的方法是基于Liu等人在2008年CVPR出版物《图像部分模糊检测和分类》中实现的。

http://www.cse.cuhk.edu.hk/leojia/all_final_papers/blur_detect_cvpr08.pdf

在我们的目录结构中打开blur_detector.py文件，插入以下代码:

# import the necessary packages
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
def detect_blur_fft(image, size=60, thresh=10, vis=False):
	# grab the dimensions of the image and use the dimensions to
	# derive the center (x, y)-coordinates
	(h, w) = image.shape
	(cX, cY) = (int(w / 2.0), int(h / 2.0))

我们的模糊检测器实现需要matplotlib和NumPy。我们将使用内建在NumPy中的快速傅里叶变换算法作为我们方法的基础；

第4行定义detect_blur_fft函数，接受四个参数：

• 图片image：我们对模糊检测输入图像
• 大小size：以图像中心点为中心的半径的大小，我们将使FFT偏移为零
• 阈值thresh：用于确定图像是否被认为是模糊的，将与震级的平均值(稍后详细说明)进行比较的一个值
• 标识符vis：一个布尔值，指示是否使用matplotlib可视化/绘制原始输入图像和大小图像

给定输入图像，首先获取它的尺寸(第7行)并计算中心(x, y)坐标(第8行)。

接下来，我们将使用NumPy的快速傅里叶变换(FFT)算法实现来计算离散傅里叶变换(DFT):

	# compute the FFT to find the frequency transform, then shift
	# the zero frequency component (i.e., DC component located at
	# the top-left corner) to the center where it will be more
	# easy to analyze
	fft = np.fft.fft2(image)
	fftShift = np.fft.fftshift(fft)

在这里，我们使用NumPy的内置算法计算FFT(第5行)。

然后我们将结果的零频率分量(直流分量)移到中心以便于分析(第6行)。

现在我们已经有了图像的FFT，如果设置了vis标志，让我们可视化一下结果:

	# check to see if we are visualizing our output
	if vis:
		# compute the magnitude spectrum of the transform
		magnitude = 20 * np.log(np.abs(fftShift))
		# display the original input image
		(fig, ax) = plt.subplots(1, 2, )
		ax[0].imshow(image, cmap="gray")
		ax[0].set_title("Input")
		ax[0].set_xticks([])
		ax[0].set_yticks([])
		# display the magnitude image
		ax[1].imshow(magnitude, cmap="gray")
		ax[1].set_title("Magnitude Spectrum")
		ax[1].set_xticks([])
		ax[1].set_yticks([])
		# show our plots
		plt.show()

出于调试和好奇的目的，您可能希望通过设置vis=True来绘制输入图像的FFT幅度谱。

如果你选择这样做，首先我们计算变换的振幅谱(第4行)。

然后，我们将原始输入图像绘制在幅度谱图像旁边(第6-16行)，并显示结果(第19行)。

现在我们有了可视化振幅谱的方法，让我们来确定输入图像是否模糊：

	# zero-out the center of the FFT shift (i.e., remove low
	# frequencies), apply the inverse shift such that the DC
	# component once again becomes the top-left, and then apply
	# the inverse FFT
	fftShift[cY - size:cY + size, cX - size:cX + size] = 0
	fftShift = np.fft.ifftshift(fftShift)
	recon = np.fft.ifft2(fftShift)

在这里,我们：

• 设置我们的FFT移动为0(即，去除低频率)第5行
• 应用反向位移将DC组件放回左上角(第6行)
• 应用逆FFT(第7行)

到此，我们还有三个步骤来确定我们的图像是否模糊:

	# compute the magnitude spectrum of the reconstructed image,
	# then compute the mean of the magnitude values
	magnitude = 20 * np.log(np.abs(recon))
	mean = np.mean(magnitude)
	# the image will be considered "blurry" if the mean value of the
	# magnitudes is less than the threshold value
	return (mean, mean <= thresh

其余步骤包括：

• 在我们已经将中心DC值归零之后，再次计算重建图像的幅度值(第3行)。
• 计算幅度值的平均值(第4行)。
• 返回一个2元组的平均值以及一个指示输入图像是否模糊的布尔值(第8行)。查看代码，我们可以看到，通过比较平均值和阈值，我们已经确定了模糊布尔值(判断图像是否模糊)。

我们实现了一个基于fft的模糊检测算法。但还没有完成。在下一节中，我们将对静态图像应用我们的算法，以确保它按照我们的期望执行。

用FFT检测图像中的模糊

现在我们的detect_blur_fft 辅助函数已经实现，让我们通过创建一个Python驱动程序脚本来使用它，该脚本从磁盘加载一个输入图像，然后对其应用FFT模糊检测。

打开一个新文件，命名为detect_blur_image.py，并插入以下代码：

# import the necessary packages
from pyimagesearch.blur_detector import detect_blur_fft
import numpy as np
import argparse
import imutils
import cv2
# construct the argument parser and parse the arguments
ap = argparse.ArgumentParser()
ap.add_argument("-i", "--image", type=str, required=True,
	help="path input image that we'll detect blur in")
ap.add_argument("-t", "--thresh", type=int, default=20,
	help="threshold for our blur detector to fire")
ap.add_argument("-v", "--vis", type=int, default=-1,
	help="whether or not we are visualizing intermediary steps")
ap.add_argument("-d", "--test", type=int, default=-1,
	help="whether or not we should progressively blur the image")
args = vars(ap.parse_args())

第2-6行进行导入，特别的是，我们需要导入我们在上一节中实现的detect_blur_fft函数。

从这里，我们解析四个命令行参数：

• –image：用于模糊检测的输入图像的路径。
• –thresh：我们的模糊检测器计算阈值。
• –vis：我们的标志符，指示是否将输入图像的幅度值图像可视化。
• –test：为了测试，我们可以逐步模糊输入图像，并对每个示例进行基于fft的模糊检测;此标志指示我们是否将执行此测试。

–image、–thresh和–vis参数分别对应于我们在上一节实现的detect_blur_fft函数的image、thresh和vis参数。

让我们继续，加载我们的输入图像，执行快速傅里叶变换模糊检测:

# load the input image from disk, resize it, and convert it to
# grayscale
orig = cv2.imread(args["image"])
orig = imutils.resize(orig, width=500)
gray = cv2.cvtColor(orig, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
# apply our blur detector using the FFT
(mean, blurry) = detect_blur_fft(gray, size=60,
	thresh=args["thresh"], vis=args["vis"] > 0)

进行FFT模糊检测，我们：

• 加载输入图像–image，并将其转换为灰度(第3-5行)
• 使用detect_blur_fft函数应用我们的FFT模糊检测器(第7和8行)

接下来，我们将注释并显示我们的图像：

# draw on the image, indicating whether or not it is blurry
image = np.dstack([gray] * 3)
color = (0, 0, 255) if blurry else (0, 255, 0)
text = "Blurry ({:.4f})" if blurry else "Not Blurry ({:.4f})"
text = text.format(mean)
cv2.putText(image, text, (10, 25), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7,
	color, 2)
print("[INFO] {}".format(text))
# show the output image
cv2.imshow("Output", image)
cv2.waitKey(0)

在这里,我们：

• 向我们的单通道灰度图像添加两个通道，将结果存储在图像中(第2行)
• 通过第32行将颜色设置为红色(如果模糊)和绿色(如果不模糊)
• 在图像的左上角绘制模糊的文本指示和平均值(第4-7行)，并在终端中打印相同的信息(第37行)
• 显示输出图像，直到按下一个键为止(第11和12行)

至此，我们已经完成了确定输入图像是否模糊的目标。

我们可以就此打住。但是为了更严格地测试我们的算法，让我们实现一个健壮的方法来测试我们的图像在不同层次上的模糊：

# check to see if are going to test our FFT blurriness detector using
# various sizes of a Gaussian kernel
if args["test"] > 0:
	# loop over various blur radii
	for radius in range(1, 30, 2):
		# clone the original grayscale image
		image = gray.copy()
		# check to see if the kernel radius is greater than zero
		if radius > 0:
			# blur the input image by the supplied radius using a
			# Gaussian kernel
			image = cv2.GaussianBlur(image, (radius, radius), 0)
			# apply our blur detector using the FFT
			(mean, blurry) = detect_blur_fft(image, size=60,
				thresh=args["thresh"], vis=args["vis"] > 0)
			# draw on the image, indicating whether or not it is
			# blurry
			image = np.dstack([image] * 3)
			color = (0, 0, 255) if blurry else (0, 255, 0)
			text = "Blurry ({:.4f})" if blurry else "Not Blurry ({:.4f})"
			text = text.format(mean)
			cv2.putText(image, text, (10, 25), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,
				0.7, color, 2)
			print("[INFO] Kernel: {}, Result: {}".format(radius, text))
		# show the image
		cv2.imshow("Test Image", image)
		cv2.waitKey(0

当设置了–test标志时，我们将进入从第3行开始的条件块。第3-31行代码完成了以下工作：

• 在逐渐增加的半径范围内对我们的灰度图像应用高斯模糊
• 对每个人为模糊的图像进行快速的基于傅里叶变换的模糊检测
• 注释并显示结果

为了完成我们的测试特性，第5行开始在[0,30]范围内的所有奇数半径上进行循环。从这里开始，第13行应用OpenCV的GaussianBlur方法有意地在我们的图像中引入模糊。

其他的都是一样的，包括模糊检测算法和注释步骤。您可以通过在屏幕上按一个键来循环测试结果图像，直到模糊半径在该范围内耗尽。

当然，我们测试例程的目的是让我们能够有效地感受和调整模糊阈值参数(—thresh)。

FFT模糊检测在图像结果

现在我们准备使用OpenCV和快速傅里叶变换来检测图像中的模糊。

首先，请确保使用本教程的“下载”部分下载源代码和示例图像。

然后打开终端，执行以下命令：

$ python blur_detector_image.py --image images/adrian_01.png
[INFO] Not Blurry (42.4630)

图3:结合快速傅里叶变换(FFT)算法，使用Python和OpenCV来确定照片是否模糊

这里你可以看到我在锡安国家公园的地铁徒步旅行的输入图像-图像被正确地标记为不模糊。

让我们试试另一张图片，这是我家的狗，Jemma：

$ python blur_detector_image.py --image images/jemma.png
[INFO] Blurry (12.4738)

图4:基于Python、OpenCV和NumPy的快速傅里叶变换(FFT)模糊检测算法已经自动判定Janie的这张图像模糊。

这幅图像有明显的模糊，因此被标记为模糊。

为了了解当图像变得越来越模糊时，FFT的平均幅度值是如何变化的，让我们提供——test命令行参数：

$ python blur_detector_image.py --image images/adrian_02.png --test 1
[INFO] Not Blurry (32.0934)
[INFO] Kernel: 1, Result: Not Blurry (32.0934)
[INFO] Kernel: 3, Result: Not Blurry (25.1770)
[INFO] Kernel: 5, Result: Not Blurry (20.5668)
[INFO] Kernel: 7, Result: Blurry (13.4830)
[INFO] Kernel: 9, Result: Blurry (7.8893)
[INFO] Kernel: 11, Result: Blurry (0.6506)
[INFO] Kernel: 13, Result: Blurry (-5.3609)
[INFO] Kernel: 15, Result: Blurry (-11.4612)
[INFO] Kernel: 17, Result: Blurry (-17.0109)
[INFO] Kernel: 19, Result: Blurry (-19.6464)
[INFO] Kernel: 21, Result: Blurry (-20.4758)
[INFO] Kernel: 23, Result: Blurry (-20.7365)
[INFO] Kernel: 25, Result: Blurry (-20.9362)
[INFO] Kernel: 27, Result: Blurry (-21.1911)
[INFO] Kernel: 29, Result: Blurry (-21.3853)

图5:使用Python模糊检测器脚本的——测试例程，我们应用了一系列有意的模糊以及快速傅里叶变换(FFT)方法来确定图像是否模糊。这个测试例程非常有用，因为它允许您调优模糊阈值参数。

在这里，你可以看到，当我们的图像变得越来越模糊，FFT的平均幅度值下降。

我们的FFT模糊检测方法也适用于非自然场景图像。

例如，假设我们想要构建一个自动文档扫描器应用程序——这样的计算机视觉项目应该会自动拒绝模糊图像。

然而，文档图像与自然场景图像有很大的不同，从本质上来说，文档图像对模糊更加敏感。

任何类型的模糊都会严重影响OCR的精度。

因此，我们应该增加我们的——thresh值(我还将使用——vis参数，以便我们可以可视化FFT幅度值的变化)：

$ python blur_detector_image.py --image images/resume.png --thresh 27 --test 1 --vis 1
[INFO] Not Blurry (34.6735)
[INFO] Kernel: 1, Result: Not Blurry (34.6735)
[INFO] Kernel: 3, Result: Not Blurry (29.2539)
[INFO] Kernel: 5, Result: Blurry (26.2893)
[INFO] Kernel: 7, Result: Blurry (21.7390)
[INFO] Kernel: 9, Result: Blurry (18.3632)
[INFO] Kernel: 11, Result: Blurry (12.7235)
[INFO] Kernel: 13, Result: Blurry (9.1489)
[INFO] Kernel: 15, Result: Blurry (2.3377)
[INFO] Kernel: 17, Result: Blurry (-2.6372)
[INFO] Kernel: 19, Result: Blurry (-9.1908)
[INFO] Kernel: 21, Result: Blurry (-15.9808)
[INFO] Kernel: 23, Result: Blurry (-20.6240)
[INFO] Kernel: 25, Result: Blurry (-29.7478)
[INFO] Kernel: 27, Result: Blurry (-29.0728)
[INFO] Kernel: 29, Result: Blurry (-37.7561)

图6:OpenCV快速傅里叶变换(FFT)用于图像和视视频中的模糊检测，可以判断简历等文档是否模糊。

在这里，您可以看到我们的图像很快变得模糊和不可读，正如输出所示，我们的OpenCV FFT模糊检测器正确地将这些图像标记为模糊。

下面是一个可视化的快速傅里叶变换幅度值，图像变得越来越模糊：

图7:当图像变得越来越模糊时，我们可以看到幅度谱可视化的变化。本教程使用OpenCV和NumPy在图像和视流中执行快速傅里叶变换(FFT)模糊检测。

利用OpenCV和FFT检测视频中的模糊

到目前为止，我们已经对图像应用了快速傅里叶变换模糊检测器。

但是有可能将FFT模糊检测应用到视频流吗?

整个过程也能实时完成吗?

打开一个新文件，命名为blur_detector_video.py，并插入以下代码：

# import the necessary packages
from imutils.video import VideoStream
from pyimagesearch.blur_detector import detect_blur_fft
import argparse
import imutils
import time
import cv2
# construct the argument parser and parse the arguments
ap = argparse.ArgumentParser()
ap.add_argument("-t", "--thresh", type=int, default=10,
	help="threshold for our blur detector to fire")
args = vars(ap.parse_args())

我们从导入开始，特别是我们的VideoStream类和detect_blur_fft函数。

对于这个Python脚本，我们只有一个命令行参数：FFT模糊检测的阈值(——thresh)。

从这里，我们准备初始化我们的视频流，并开始循环从我们的摄像头的帧：

# initialize the video stream and allow the camera sensor to warm up
print("[INFO] starting video stream...")
vs = VideoStream(src=0).start()
time.sleep(2.0)
# loop over the frames from the video stream
while True:
	# grab the frame from the threaded video stream and resize it
	# to have a maximum width of 400 pixels
	frame = vs.read()
	frame = imutils.resize(frame, width=500)
	# convert the frame to grayscale and detect blur in it
	gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
	(mean, blurry) = detect_blur_fft(gray, size=60,
		thresh=args["thresh"], vis=False)

第3行和第4行初始化了我们的摄像头图像流，并允许相机有时间预热。

从这里开始，我们在第7行开始帧处理循环。在内部，我们抓取一帧并将其转换为灰度(第10-14行)，就像在我们的单一图像模糊检测脚本。

然后，第15和16行应用我们的快速傅里叶变换模糊检测算法，同时传递我们的灰色框架和——thresh命令行参数。我们不会把幅度谱的表示形象化，所以vis=False。

接下来，我们将处理这个特定帧的结果：

	# draw on the frame, indicating whether or not it is blurry
	color = (0, 0, 255) if blurry else (0, 255, 0)
	text = "Blurry ({:.4f})" if blurry else "Not Blurry ({:.4f})"
	text = text.format(mean)
	cv2.putText(frame, text, (10, 25), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,
		0.7, color, 2)
	# show the output frame
	cv2.imshow("Frame", frame)
	key = cv2.waitKey(1) & 0xFF
	# if the `q` key was pressed, break from the loop
	if key == ord("q"):
		break
# do a bit of cleanup
cv2.destroyAllWindows()
vs.stop()

最后一个代码块此时看起来应该非常熟悉，因为这是我们第三次看到这些代码行了。我们在这里：

• 注释模糊(红色文本)或不模糊(绿色文本)以及平均值(第2-6行)
• 显示结果(第9行)
• 如果按下q键就退出(第10-14行)，并执行家务清理(第17和18行)