基于OpenCV的車輛變道檢測
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本期教程我們將和小伙伴們一起研究如何使用計算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)來檢測汽車在行駛中時汽車是否在改變車道！大家一定聽說過使用OpenCV 的haar級聯(lián)文件可以檢測到面部、眼睛等，但是如果目標(biāo)是汽車，公共汽車呢？
我們將道路上汽車的視頻文件用作數(shù)據(jù)集。當(dāng)然可以使用圖像數(shù)據(jù)集檢測來汽車，但是由于汽車在變道時我們需要通過彈出窗口提供警報，因此對于這些動態(tài)情況，視頻輸入更為可行。
第一步是提供要在本教程中使用的輸入-OpenCV的haar級聯(lián)文件，用于檢測汽車的坐標(biāo)，道路上的汽車的視頻文件-
cascade_src = 'cascade/cars.xml'video_src = 'dataset/cars.mp4'cap = cv2.VideoCapture(video_src)car_cascade = cv2.CascadeClassifier(cascade_src)
cv2.VideoCapture（）方法用于捕獲輸入視頻，視頻通常為每秒25個圖像/幀（fps）。捕獲輸入后，使用循環(huán)提取幀，并使用汽車的haar級聯(lián)文件檢測到的坐標(biāo)，我們在循環(huán)中在汽車周圍繪制一個矩形，以在對捕獲的幀執(zhí)行其他操作時獲得一致性。
while(1):# Take each frame_, frame = cap.read()cars = car_cascade.detectMultiScale(frame, 1.1, 1)for (x,y,w,h) in cars:roi = cv2.rectangle(frame,(x,y),(x+w,y+h),(0,0,255),2) #ROI is region of interest
在OpenCV中，使用BGR而不是RGB，因此（0,0,255）將在汽車上繪制一個紅色矩形，而不是藍(lán)色。
如果幀的分辨率很高，則會減慢執(zhí)行的操作，此外，該幀還包含噪聲，可以使用模糊降低噪聲，這里使用高斯模糊。
3.1 HSV框架
在此，我們使用從cv2.VideoCapture（）捕獲的幀中獲得的HSV幀僅突出顯示汽車轉(zhuǎn)彎的點(diǎn)，并遮擋其余道路和在道路上直行的汽車。設(shè)置上限和下限閾值是為了定義HSV中的顏色范圍，以查看汽車改變車道的點(diǎn)，并用作框架的遮罩。以下是用于獲取此代碼的代碼段-
#canceling noise in the video frames using blurframe = cv2.GaussianBlur(frame,(21,21),0)# Convert BGR to HSVhsv = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2HSV)# define range of color in HSV to see the points at which the car is changing angleslower_limit = np.array([0,150,150])upper_limit = np.array([10,255,255])# Threshold the HSV image to get only the thresholded colorsmask = cv2.inRange(hsv, lower_limit, upper_limit)
3.2腐蝕與膨脹
腐蝕和膨脹是圖像處理中常使用的兩個基本形態(tài)學(xué)操作。腐蝕算子在內(nèi)核區(qū)域上具有局部最小值的作用。腐蝕用于減少圖像中的斑點(diǎn)噪聲，斑點(diǎn)會從圖像中的對象邊界腐蝕掉。膨脹具有局部最大值運(yùn)算符的作用。當(dāng)添加像素以平滑圖像中對象的邊界時，將使用膨脹來重新獲得一些丟失的區(qū)域。現(xiàn)在，通過基本形態(tài)學(xué)操作（腐蝕和膨脹）處理從HSV幀的第一步生成的蒙版。通過將幀和掩碼之間的按位與運(yùn)算應(yīng)用于獲取 ROI（感興趣區(qū)域），可以生成結(jié)果幀。
kernel = np.ones((3,3),np.uint8)kernel_lg = np.ones((15,15),np.uint8)# image processing technique called the erosion is used for noise reductionmask = cv2.erode(mask,kernel,iterations = 1)# image processing technique called the dilation is used to regain some lost areamask = cv2.dilate(mask,kernel_lg,iterations = 1)# Bitwise-AND to get black everywhere else except the region of interestresult = cv2.bitwise_and(frame,frame, mask= mask)
3.3車道檢測
canny邊緣檢測器與霍夫線變換一起用于檢測車道。
canny邊緣檢測（作者提供的圖像）
諸如canny邊緣檢測器之類的算法用于查找將圖像中的邊緣像素，但是由于我們無法融合某些點(diǎn)和邊緣，因此它無法找到實(shí)際對象，在這里我們可以使用OpenCV中的cv2.findContours（）實(shí)現(xiàn)輪廓的查找。
定義-“輪廓是代表圖像中曲線的點(diǎn)的列表。”?等高線由序列表示（序列是結(jié)構(gòu)的鏈表），每個序列都編碼有關(guān)下一點(diǎn)位置的信息。我們在ROI中多次運(yùn)行cv2.findContours（）以獲得實(shí)體，然后使用cv2.drawContours（）繪制輪廓區(qū)域。等高線可以是點(diǎn)，邊，多邊形等，因此在繪制等高線時，我們進(jìn)行多邊形近似，以找到邊的長度和區(qū)域的面積。函數(shù)cv2.drawContours（）的工作方式是從根節(jié)點(diǎn)開始繪制一棵樹（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），然后將后續(xù)點(diǎn)，邊界框和freeman鏈代碼連接在一起。
找到輪廓后的另一個重要任務(wù)是匹配它們。輪廓匹配意味著我們有兩個單獨(dú)的計算輪廓相互比較，或者輪廓與抽象模板相比較。
thresh = maskcontours, hierarchy = cv2.findContours(thresh,cv2.RETR_TREE,cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)# define a minimum area for a contour (ignoring all values below min)min_area = 1000cont_filtered = []# filter out all contours below a min_areafor cont in contours:if cv2.contourArea(cont) > min_area:cont_filtered.append(cont)cnt = cont_filtered[0]# draw the rectangles around contoursrect = cv2.minAreaRect(cnt)box = cv2.boxPoints(rect)box = np.int0(box)cv2.drawContours(frame,[box],0,(0,0,255),2)rows,cols = thresh.shape[:2][vx,vy,x,y] = cv2.fitLine(cnt, cv2.DIST_L2,0,0.01,0.01)lefty = int((-x*vy/vx) + y)righty = int(((cols-x)*vy/vx)+y)cv2.line(frame,(cols-1,righty),(0,lefty),(0,255,0),2)
我們可以通過計算輪廓矩來比較兩個輪廓。“中心矩是通過將輪廓的所有像素相加而得出的輪廓的總體特征。”
中心矩型-
空間矩：?m00，m10，m01，m20，m11，m02，m30，m21，m12，m03。
中心矩：?mu20，mu11，mu02，mu30，mu21，mu12，mu03。
Hu矩：有七個Hu矩（h0 — h6）或（h1 — h7），兩種表示法都使用。
我們使用cv2.fitEllipse（）計算矩并將橢圓擬合在這些點(diǎn)上。從輪廓和力矩中得出角度，因?yàn)楦淖冘嚨佬枰?5度旋轉(zhuǎn)，這被認(rèn)為是汽車轉(zhuǎn)彎角度的閾值。
現(xiàn)在，我們不僅可以打印檢測變化的車道，還可以使用Tkinter作為一個簡單的彈出窗口來提醒更改。
使用Greenline測量角度，并在框架中的汽車上繪制矩形
彈出警報（作者提供的圖片）
輸出
在本教程中，使用車道變更檢測方法探索了智能汽車導(dǎo)航的小型演示。計算機(jī)視覺正在迅速發(fā)展，其應(yīng)用不僅在汽車的本地導(dǎo)航中而且在火星導(dǎo)航和產(chǎn)品檢查領(lǐng)域中也在不斷發(fā)展，甚至醫(yī)療應(yīng)用也正在開發(fā)中，并可以在早期用于檢測X射線圖像中的癌癥和腫瘤階段。
代碼鏈接：https://github.com/Hitesh-Valecha/Car_Opencv
參考文獻(xiàn)：
Bradski, Gary and Kaehler, Adrian,?Learning OpenCV: Computer Vision in C++ with the OpenCV Library, O’Reilly Media, Inc., 2nd edition, 2013, @10.5555/2523356, ISBN — 1449314651.
Laganiere, Robert, OpenCV Computer Vision Application Programming Cookbook, Packt Publishing, 2nd edition, 2014, @10.5555/2692691, ISBN — 1782161481.
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