OpenCV2学习笔记（九）：视频流读取与处理

由于项目需要，计划实现九路视频拼接，因此必须熟悉OpenCV对视频序列的处理。视频信号处理是图像处理的一个延伸，所谓的视频序列是由按一定顺序进行排放的图像组成，即帧(Frame)。在这里，主要记录下如何使用Qt+OpenCV读取视频中的每一帧，之后，在这基础上将一些图像处理的算法运用到每一帧上（如使用Canny算子检测视频中的边缘）。

一. 读取视频序列

OpenCV提供了一个简便易用的框架以提取视频文件和USB摄像头中的图像帧，如果只是单单想读取某个视频，你只需要创建一个cv::VideoCapture实例，然后在循环中提取每一帧。新建一个Qt控制台项目，直接在main函数添加：

#include <QCoreApplication>
#include <opencv2/core/core.hpp>
#include <opencv2/imgproc/imgproc.hpp>
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>
#include <QDebug>

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    // 读取视频流
    cv::VideoCapture capture("e:/BrokeGirls.mkv");
    // 检测视频是否读取成功
    if (!capture.isOpened())
    {
        qDebug() << "No Input Image";
        return 1;
    }

    // 获取图像帧率
    double rate= capture.get(CV_CAP_PROP_FPS);
    bool stop(false);
    cv::Mat frame; // 当前视频帧
    cv::namedWindow("Extracted Frame");

    // 每一帧之间的延迟
    int delay= 1000/rate;

    // 遍历每一帧
    while (!stop)
    {
        // 尝试读取下一帧
        if (!capture.read(frame))
            break;
        cv::imshow("Extracted Frame",frame);
        // 引入延迟
        if (cv::waitKey(delay)>=0)
                stop= true;
    }
        return a.exec();
}

（注意：要正确打开视频文件，计算机中必须安装有对应的解码器，否则cv::VideoCapture无法理解视频格式！）运行后，将出现一个窗口，播放选定的视频（需要在创建cv::VideoCapture对象时指定视频的文件名）。

二. 处理视频帧

为了对视频的每一帧进行处理，这里创建自己的类VideoProcessor，其中封装了OpenCV的视频获取框架，该类允许我们指定每帧调用的处理函数。

首先，我们希望指定一个回调处理函数，每一帧中都将调用它。该函数接受一个cv::Mat对象，并输出处理后的cv::Mat对象，其函数签名如下：

void processFrame(cv::Mat& img, cv::Mat& out);

作为这样一个处理函数的例子，以下的Canny函数计算图像的边缘，使用时直接添加在mian文件中即可：

    // 对视频的每帧做Canny算子边缘检测
void canny(cv::Mat& img, cv::Mat& out) 
{
    // 先要把每帧图像转化为灰度图
    cv::cvtColor(img,out,CV_BGR2GRAY);
    // 调用Canny函数
    cv::Canny(out,out,100,200);
    // 对像素进行翻转
    cv::threshold(out,out,128,255,cv::THRESH_BINARY_INV);
}

现在我们需要创建一个VideoProcessor类，用来部署视频处理模块。而在此之前，需要先另外创建一个类，即VideoProcessor内部使用的帧处理类。这是因为在面向对象的上下文中，更适合使用帧处理类而不是一个帧处理函数，而使用类可以给程序员在涉及算法方面有更多的灵活度（书上介绍的）。将这个内部帧处理类命名为FrameProcessor，其定义如下：

#ifndef FRAMEPROCESSOR_H
#define FRAMEPROCESSOR_H
#include <opencv2/core/core.hpp>
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>

class FrameProcessor {
public:
    virtual void process(cv:: Mat &input, cv:: Mat &output)= 0;
};

#endif // FRAMEPROCESSOR_H

现在可以开始定义VideoProcessor类了，以下为videoprocessor.h中的内容：

#ifndef VIDEOPROCESSOR_H
#define VIDEOPROCESSOR_H
#include <opencv2/core/core.hpp>
#include <opencv2/imgproc/imgproc.hpp>
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>
#include <QDebug>
#include "frameprocessor.h"

class VideoProcessor
{
  private:
      // 创建视频捕获对象
      cv::VideoCapture capture;
      // 每帧调用的回调函数
      void (*process)(cv::Mat&, cv::Mat&);
      // FrameProcessor接口
      FrameProcessor *frameProcessor;
      // 确定是否调用回调函数的bool信号
      bool callIt;
      // 输入窗口的名称
      std::string windowNameInput;
      // 输出窗口的名称
      std::string windowNameOutput;
      // 延迟
      int delay;
      // 已处理的帧数
      long fnumber;
      // 在该帧停止
      long frameToStop;
      // 是否停止处理
      bool stop;

      // 当输入图像序列存储在不同文件中时，可使用以下设置
      // 把图像文件名的数组作为输入
      std::vector<std::string> images;
      // 图像向量的迭加器
      std::vector<std::string>::const_iterator itImg;

      // 得到下一帧
      // 可能来自：视频文件或摄像头
      bool readNextFrame(cv::Mat &frame)
      {
          if (images.size()==0)
              return capture.read(frame);
          else {

              if (itImg != images.end())
              {
                  frame= cv::imread(*itImg);
                  itImg++;
                  return frame.data != 0;
              }
          }
      }

public:

      // 默认设置 digits(0), frameToStop(-1),
      VideoProcessor() : callIt(false), delay(-1),
          fnumber(0), stop(false),
          process(0), frameProcessor(0) {}

      // 创建输入窗口
      void displayInput(std::string wt);
      // 创建输出窗口
      void displayOutput(std::string wn);
      // 不再显示处理后的帧
      void dontDisplay();

      // 以下三个函数设置输入的图像向量
      bool setInput(std::string filename);
      // 若输入为摄像头，设置ID
      bool setInput(int id);
      // 若输入为一组图像序列时，应用该函数
      bool setInput(const std::vector<std::string>& imgs);

      // 设置帧之间的延迟
      // 0意味着在每一帧都等待按键响应
      // 负数意味着没有延迟
      void setDelay(int d);

      // 返回图像的帧率
      double getFrameRate();

      // 需要调用回调函数
      void callProcess();

      // 不需要调用回调函数
      void dontCallProcess();

      // 设置FrameProcessor实例
      void setFrameProcessor(FrameProcessor* frameProcessorPtr);

      // 设置回调函数
      void setFrameProcessor(void (*frameProcessingCallback)(cv::Mat&, cv::Mat&));

      // 停止运行
      void stopIt();

      // 判断是否已经停止
      bool isStopped();

      // 是否开始了捕获设备？
      bool isOpened();

      // 返回下一帧的帧数
      long getFrameNumber();

      // 该函数获取并处理视频帧
      void run();

};

#endif // VIDEOPROCESSOR_H

然后，在videoprocessor.cpp中定义各个函数的功能：

#include "videoprocessor.h"

// 创建输入窗口
void VideoProcessor::displayInput(std::string wt)
{
    windowNameInput= wt;
    cv::namedWindow(windowNameInput);
}

// 创建输出窗口
void VideoProcessor::displayOutput(std::string wn)
{
    windowNameOutput= wn;
    cv::namedWindow(windowNameOutput);
}

// 不再显示处理后的帧
void VideoProcessor::dontDisplay()
{
    cv::destroyWindow(windowNameInput);
    cv::destroyWindow(windowNameOutput);
    windowNameInput.clear();
    windowNameOutput.clear();
}

// 设置输入的图像向量
bool VideoProcessor::setInput(std::string filename)
{
  fnumber= 0;
  // 释放之前打开过的视频资源
  capture.release();
  images.clear();

  // 打开视频
  return capture.open(filename);
}

// 若输入为摄像头，设置ID
bool VideoProcessor::setInput(int id)
{
  fnumber= 0;
  // 释放之前打开过的视频资源
  capture.release();
  images.clear();

  // 打开视频文件
  return capture.open(id);
}

// 若输入为一组图像序列时，应用该函数
bool VideoProcessor::setInput(const std::vector<std::string>& imgs)
{
  fnumber= 0;
  // 释放之前打开过的视频资源
  capture.release();

  // 输入将是该图像的向量
  images= imgs;
  itImg= images.begin();

  return true;
}

// 设置帧之间的延迟
// 0意味着在每一帧都等待按键响应
// 负数意味着没有延迟
void VideoProcessor::setDelay(int d)
{
    delay= d;
}

// 返回图像的帧率
double VideoProcessor::getFrameRate()
{
    if (images.size()!=0) return 0;
    double r= capture.get(CV_CAP_PROP_FPS);
    return r;
}

// 需要调用回调函数
void VideoProcessor::callProcess()
{
    callIt= true;
}

// 不需要调用回调函数
void VideoProcessor::dontCallProcess()
{
    callIt= false;
}

// 设置FrameProcessor实例
void VideoProcessor::setFrameProcessor(FrameProcessor* frameProcessorPtr)
{
    // 使回调函数无效化
    process= 0;
    // 重新设置FrameProcessor实例
    frameProcessor= frameProcessorPtr;
    callProcess();
}

// 设置回调函数
void VideoProcessor::setFrameProcessor(void (*frameProcessingCallback)(cv::Mat&, cv::Mat&))
{
    // 使FrameProcessor实例无效化
    frameProcessor= 0;
    // 重新设置回调函数
    process= frameProcessingCallback;
    callProcess();
}

// 以下函数表示视频的读取状态
// 停止运行
void VideoProcessor::stopIt()
{
    stop= true;
}

// 判断是否已经停止
bool VideoProcessor::isStopped()
{
    return stop;
}

// 是否开始了捕获设备？
bool VideoProcessor::isOpened()
{
    return capture.isOpened() || !images.empty();
}

// 返回下一帧的帧数
long VideoProcessor::getFrameNumber()
{
  if (images.size()==0)
  {
      // 得到捕获设备的信息
      long f= static_cast<long>(capture.get(CV_CAP_PROP_POS_FRAMES));
      return f;

  }
  else // 当输入来自一组图像序列时的情况
  {
      return static_cast<long>(itImg-images.begin());
  }
}

// 该函数获取并处理视频帧
void VideoProcessor::run()
{
    // 当前帧
    cv::Mat frame;
    // 输出帧
    cv::Mat output;

    // 打开失败时
    if (!isOpened())
    {
        qDebug() << "Error!";
        return;
    }
    stop= false;
    while (!isStopped())
    {
        // 读取下一帧
        if (!readNextFrame(frame))
            break;
        // 显示输出帧
        if (windowNameInput.length()!=0)
            cv::imshow(windowNameInput,frame);
        // 调用处理函数
        if (callIt)
        {
          // 处理当前帧
          if (process)
              process(frame, output);
          else if (frameProcessor)
              frameProcessor->process(frame,output);
          // 增加帧数
          fnumber++;
        }
        else
        {
          output= frame;
        }
        // 显示输出帧
        if (windowNameOutput.length()!=0)
            cv::imshow(windowNameOutput,output);
        // 引入延迟
        if (delay>=0 && cv::waitKey(delay)>=0)
          stopIt();
        // 检查是否需要停止运行
        if (frameToStop>=0 && getFrameNumber()==frameToStop)
            stopIt();
    }
}

定义好视频处理类，它将与一个回调函数相关联。使用该类，可以创建一个实例，指定输入的视频文件，绑定回调函数，然后开始对每一帧进行处理，要调用这个视频处理类，只需在main函数中添加：

    // 定义一个视频处理类处理视频帧
    // 首先创建实例
    VideoProcessor processor;
    // 打开视频文件
    processor.setInput("e:/BrokeGirls.mkv");
    // 声明显示窗口
    // 分别为输入和输出视频
    processor.displayInput("Input Video");
    processor.displayOutput("Output Video");
    // 以原始帧率播放视频
    processor.setDelay(1000./processor.getFrameRate());
    // 设置处理回调函数
    processor.setFrameProcessor(canny);
    // 开始帧处理过程
    processor.run();
    cv::waitKey();

效果：