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Opencv计算机视觉编程攻略-第十二节处理视频序列

news 来源：原创 2025/9/20 16:21:15

视频由一系列图像构成，这些图像称为帧，帧是以固定时间间隔获取的（称为帧速率，通常用帧/秒表示，例如大疆无人机抽取每一帧），本文将介绍如何读取、处理和存储视频序列。如果从视频序列中提取出独立的帧，就可以对其应用各种图像处理函数，还将学习对视频序列做时序分析的算法，即比较相邻的帧并根据时间累计图像统计数据，以提取前景物体。

1. 读取视频序列

3. 写入视频帧

4. 提取视频前景物体

1. 读取视频序列

OpenCV 提供了一个便于使用的框架来提取帧，帧的来源可以是视频文件，也可以是USB 或IP 摄像机。

// 1. 打开视频文件 可以设置为相机
cv::VideoCapture capture("bike.avi");// 2. 检查视频是否成功打开
if (!capture.isOpened())return 1;
// 取得帧速率 CV_CAP_PROP_FPS -> 10
double rate= capture.get(CV_CAP_PROP_FPS);
bool stop(false);cv::Mat frame; // 当前视频帧
cv::namedWindow("Extracted Frame");
// 根据帧速率计算帧之间的等待时间，单位为ms
int delay= 1000/rate;
// 循环遍历视频中的全部帧
while (!stop) {
// 读取下一帧（如果有）
if (!capture.read(frame))break;
cv::imshow("Extracted Frame",frame);
// 等待一段时间，或者通过按键停止if (cv::waitKey(delay)>=0)stop= true;}
// 关闭视频文件
// 不是必须的，因为类的析构函数会调用
capture.release();

还可以连接摄像机和计算机，读取摄像机（例如USB 摄像机）生成的视频流。只需在open
函数中指定一个ID（整数）取代原来的文件名即可。ID 为0 表示打开默认摄像机。

2. 处理视频帧

视频帧处理通过指定一个函数（回调函数），让视频序列的每一帧都调用它。

          // current framecv::Mat frame;// output framecv::Mat output;// if no capture device has been setif (!isOpened())return;stop= false;while (!isStopped()) {// read next frame if anyif (!readNextFrame(frame))break;// display input frameif (windowNameInput.length()!=0) cv::imshow(windowNameInput,frame);// calling the process function or methodif (callIt) {// process the frameif (process)process(frame, output);else if (frameProcessor) frameProcessor->process(frame,output);// increment frame numberfnumber++;} else {output= frame;}// write output sequenceif (outputFile.length()!=0)writeNextFrame(output);// display output frameif (windowNameOutput.length()!=0) cv::imshow(windowNameOutput,output);// introduce a delayif (delay>=0 && cv::waitKey(delay)>=0)stopIt();// check if we should stopif (frameToStop>=0 && getFrameNumber()==frameToStop)stopIt();}}

视频处理性能要求较高，一般使用多线程进行处理，GitHub 上的项目https://github.com/asolis/vivaVideo 展示了一个在OpenCV中用多线程处理视频框架。

3. 写入视频帧

Opecv::VideoWriter 类写视频文件，构建实例时需指定文件名、播放视频的帧速
率、每个帧的尺寸以及是否为彩色视频：

writer.open(outputFile, // 文件名codec, // 所用的编解码器framerate, // 视频的帧速率frameSize, // 帧的尺寸isColor); // 彩色视频？另外，必须指明保存视频数据的方式，即codec 参数。

可以通过反复地调用write 方法，在视频文件中加入帧：writer.write(frame); // 在视频文件中加入帧。在把视频写入文件时，需要使用一个编解码器。编解码器是一个软件模块，用于编码和解码
视频流。编解码器定义了文件格式和用于存储信息的压缩方案。很明显，用某种编解码器进行编
码的视频，必须用同一种编解码器才能解码。因此人们使用四个字符的代码来指定一种编解码器。
这样，软件工具在写入视频文件之前，需要先读取这个四字符代码，以决定采用哪种编解码器。

4. 提取视频前景物体

对视频序列进行时序分析，以提取运动中的前景物体，用固定位置的像机拍摄时，背景部分基本上是保持不变的，这种情况下，可以提取出场景中的移动物体。

// 计算当前图像与背景图像之间的差异
cv::absdiff(backgroundImage,currentImage,foreground);

首先，在计算背景之前需要存储大量的图像；其次，在为计算平均值而累计图像的时候，并没有提取到前景物体。为了计算可靠的背景模型，需要累计何时的、多少数量的图像。更好的策略是用定时更新的方式，动态地构建背景模型。实现方法是计算滑动平均值（又叫移动平均值）。这是一种计算时间信号平均值的方法，该方法还考虑了最新收到的数值。假设pt是时间t 的像素值，μt-1 是当前的平均值，那么要用下面的公式来更新平均值：

其中参数α 称为学习速率，它决定了当前值对计算平均值有多大影响。这个值越大，滑动平
均值对当前值变化的响应速度就越快；但如果学习速率太大，缓慢移动的物体就可能会消失在背
景中。

用cv::accumulateWeighted 函数计算图像的滑动平均值非常方便，它在图像的每个像素上应用滑动平均值计算公式。注意，作为结果的图像必须是浮点数类型的。所以，在比较背景模型与当前帧之前，必须先把前者转换成背景图像。对差异绝对值进行阈值化（先用cv::absdiff计算，再用cv::threshold）以提取前景图像。然后把这个前景图像作为cv::accumulateWeighted 函数的掩码，防止修改已被认定为前景的像素。之所以能这么做，是因为在前景图像中，已被认定为前景的像素值为false，即0。

混合高斯方法是这些改进型算法中的一种。它的处理方式与前面介绍的基本一致，但做了几
项改进。首先，该方法适用于每个像素有不止一个模型（即不止一个滑动平均值）的情况。这样的话，如果一个背景像素在两个值之间波动，那么就会存储两个滑动平均值。只有当新的像素值不属于任何一个频繁出现的模型时，才会认为这个像素是前景。模型的数量可以在参数中设置，通常为5 个。其次，每个模型不仅保存了滑动平均值，还保存了滑动方差。它的计算方法如下所示：

计算得到的平均值和方差用于构建高斯模型，根据高斯模型就可计算某个像素值属于背景的
概率。用概率替代绝对差值后，阈值的选择就会更加容易。这样，如果某个区域的背景波动较大，
就需要有更大的差值才能被认定为前景物体。

Opencv计算机视觉编程攻略-第十二节处理视频序列

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