OpenCV 图像拼接

一、图像拼接的介绍

图像拼接是一种将多幅具有部分重叠内容的图像合并成一幅完整、无缝且具有更广阔视野或更高分辨率图像的技术。其目的是通过整合多个局部图像来获取更全面、更具信息价值的图像内容。

二、图像拼接的原理
图像拼接的核心目标是将多幅有重叠区域的图像进行准确对齐和融合，形成一个连续、无缝的大图像。其基本原理主要包括以下几个关键步骤：
特征提取：在每幅图像中寻找具有代表性的特征点，如角点、边缘点等。常用的特征提取算法有 SIFT（尺度不变特征变换）、SURF（加速稳健特征）和 ORB（Oriented FAST and Rotated BRIEF）等。这些特征点具有独特的属性，能够在不同的光照、尺度和旋转条件下保持相对稳定。
特征匹配：对不同图像中的特征点进行匹配，找出它们之间的对应关系。这一步骤的目的是确定哪些特征点来自同一物理位置，从而为后续的图像对齐提供基础。常见的特征匹配方法有暴力匹配（Brute-Force Matching）和基于快速最近邻搜索库（FLANN）的匹配等。
图像对齐：根据特征匹配的结果，计算出图像之间的变换关系，如旋转、平移和缩放等。然后使用这些变换关系将图像进行对齐，使得它们的重叠区域能够精确重合。常用的变换模型有仿射变换和透视变换。
图像融合：将对齐后的图像进行融合，消除拼接处的明显痕迹，使拼接后的图像看起来自然、连续。融合的方法有多种，如简单的平均融合、渐入渐出融合等。

三、代码实现

1.导入库与定义辅助函数

import cv2
import numpy as np
import sys

def cv_show(name,img):
    cv2.imshow(name,img)
    cv2.waitKey(0)

def detectAndDescribe(image):
    gray = cv2.cvtColor(image,cv2.COLOR_BGR2GRAY)  # 将彩色图片转换成灰度图
    descriptor = cv2.SIFT_create()
    (kps, des) = descriptor.detectAndCompute(gray, None)  # 将结果转换成NumPy数组
    kps_float = np.float32([kp.pt for kp in kps])
    return (kps, kps_float, des)

导入库：cv2 是 OpenCV 库，用于图像处理；numpy 用于数值计算；sys 用于系统相关操作，如退出程序。
cv_show 函数：该函数用于显示图像，cv2.imshow 用于在窗口中显示图像，cv2.waitKey(0) 表示无限等待用户按下任意键，以保持窗口显示。
detectAndDescribe 函数：将输入的彩色图像转换为灰度图像，然后使用 SIFT（尺度不变特征变换）算法检测关键点并计算描述符。最后将关键点的坐标转换为 float32 类型的 NumPy 数组，返回关键点、关键点坐标数组和描述符。

2.读取图像并提取特征

imageA = cv2.imread("1.jpg")
cv_show('imageA', imageA)
imageB = cv2.imread("2.jpg")
cv_show('imageB', imageB)
(kpsA, kps_floatA, desA) = detectAndDescribe(imageA)
(kpsB, kps_floatB, desB) = detectAndDescribe(imageB)

读取图像：使用 cv2.imread 函数读取两张图像 1.jpg 和 2.jpg，并使用 cv_show 函数显示这两张图像。
提取特征：调用 detectAndDescribe 函数分别对两张图像进行特征提取，得到每张图像的关键点、关键点坐标数组和描述符。

3.特征匹配与筛选

matcher = cv2.BFMatcher()
rawMatches = matcher.knnMatch(desB, desA, 2)
good = []
matches = []
for m in rawMatches:
    if len(m) == 2 and m[0].distance < 0.65 * m[1].distance:
        good.append(m)
        matches.append((m[0].queryIdx, m[0].trainIdx))
print(len(good))
print(matches)
vis = cv2.drawMatchesKnn(imageB, kpsB, imageA, kpsA, good, None, flags=cv2.DRAW_MATCHES_FLAGS_NOT_DRAW_SINGLE_POINTS)
cv_show("Keypoint Matches", vis)

特征匹配：创建一个暴力匹配器 cv2.BFMatcher，使用 knnMatch 方法对图像 B 和图像 A 的描述符进行匹配，k=2 表示为每个描述符找到两个最近邻匹配。
筛选匹配结果：遍历所有匹配结果，若匹配结果包含两个元素且第一个匹配的距离小于第二个匹配距离的 0.65 倍，则认为该匹配是可靠的，将其添加到 good 列表中，并记录匹配点的索引到 matches 列表中。
显示匹配结果：打印可靠匹配的数量和匹配点的索引，使用 cv2.drawMatchesKnn 函数绘制匹配点，并使用 cv_show 函数显示匹配结果。

4.透视变换矩阵计算

# 透视变换
if len(matches) > 4:
    ptsB = np.float32([kps_floatB[i] for (i, _) in matches])  # matches是通过阈值筛选之后的特征点对象
    ptsA = np.float32([kps_floatA[i] for (_, i) in matches])
    (H, mask) = cv2.findHomography(ptsB, ptsA, cv2.RANSAC, 10)
else:
    print('图片未找到4个以上的匹配点')
    sys.exit()

判断匹配点数量：如果可靠匹配点的数量大于 4，则可以进行透视变换矩阵的计算。
提取匹配点坐标：从关键点坐标数组中提取可靠匹配点的坐标，分别存储在 ptsB 和 ptsA 中。
计算透视变换矩阵：使用 cv2.findHomography 函数，采用 RANSAC 算法计算图像 B 到图像 A 的透视变换矩阵 H。
处理匹配点不足的情况：如果可靠匹配点的数量小于等于 4，则打印提示信息并退出程序。

5.图像拼接与显示

result = cv2.warpPerspective(imageB, H, (imageB.shape[1] + imageA.shape[1], imageB.shape[0]))
cv_show('resultB', result)
result[0:imageA.shape[0], 0:imageA.shape[1]] = imageA
cv_show('result', result)

透视变换：使用 cv2.warpPerspective 函数将图像 B 进行透视变换，变换后的图像大小为图像 B 和图像 A 的宽度之和，高度为图像 B 的高度。
显示透视变换后的图像：使用 cv_show 函数显示透视变换后的图像。
图像拼接：将图像 A 复制到透视变换后的图像的左上角，实现图像拼接。
显示拼接结果：使用 cv_show 函数显示最终的拼接结果。

综上所述，这段代码的主要功能是读取两张图像，提取图像的 SIFT 特征，进行特征匹配和筛选，计算透视变换矩阵，将图像 B 进行透视变换并与图像 A 进行拼接，最后显示拼接结果。

完整代码：

import cv2
import numpy as np
import sys
def cv_show(name,img):
    cv2.imshow(name,img)
    cv2.waitKey(0)
def detectAndDescribe(image):
    gray =cv2.cvtColor(image,cv2.COLOR_BGR2GRAY)# 将彩色图片转换成灰度图
    descriptor =cv2.SIFT_create()#
    (kps, des) = descriptor.detectAndCompute(gray, None)  # 将结果转换成NumPy数组
    kps_float = np.float32([kp.pt for kp in kps])
    return (kps,kps_float,des)
imageA = cv2.imread("1.jpg")
cv_show( 'imageA',imageA)
imageB = cv2.imread("2.jpg")
cv_show( 'imageB',imageB)
(kpsA,kps_floatA, desA)= detectAndDescribe(imageA)
(kpsB,kps_floatB,desB)= detectAndDescribe(imageB)
matcher =cv2.BFMatcher()
rawMatches =matcher.knnMatch(desB,desA,2)
good =[]
matches =[]
for m in rawMatches:
    if len(m) == 2 and m[0].distance < 0.65 * m[1].distance:
        good.append(m)
        matches.append((m[0].queryIdx, m[0].trainIdx))
print(len(good))
print(matches)
vis = cv2.drawMatchesKnn(imageB, kpsB, imageA, kpsA, good,  None,flags=cv2.DRAW_MATCHES_FLAGS_NOT_DRAW_SINGLE_POINTS)
cv_show( "Keypoint Matches",vis)
# 透视变换
if len(matches)>4:
    ptsB = np.float32([kps_floatB[i]for(i,_)in matches])# matches是通过阈值鍗选之后的特征点对象
    ptsA = np.float32([kps_floatA[i]for(_,i)in matches])
    (H, mask) = cv2.findHomography(ptsB, ptsA, cv2.RANSAC, 10)
else:
    print('图片未找到4个以上的匹配点')
    sys.exit()
result = cv2.warpPerspective(imageB, H,  (imageB.shape[1]+ imageA.shape[1], imageB.shape[0]))
cv_show( 'resultB',result)
result[0:imageA.shape[0],0:imageA.shape[1]]= imageA
cv_show( 'result', result)

结果显示：

四、图像拼接的优缺点

图像拼接是将多幅具有重叠区域的图像拼接成一幅全景图像或高分辨率图像的技术。以下是图像拼接的一些优缺点：
优点
获得全景视野：可以将多幅局部图像拼接成一幅全景图像，提供更广阔的视野，让人们能够更全面地观察场景。例如，在拍摄大型风景、建筑或活动场景时，通过图像拼接可以将多个局部画面组合成一个完整的全景画面，展现出更宏大的场景。
提高图像分辨率：通过将多幅低分辨率图像拼接在一起，可以在一定程度上提高图像的整体分辨率。这对于一些需要高分辨率图像的应用，如医学图像分析、卫星图像观测等非常有帮助，可以获取更多的细节信息。
增强图像信息：拼接过程中，由于多幅图像的重叠部分包含了相同场景的不同视角信息，拼接后的图像能够融合这些信息，从而增强图像的细节和纹理，使图像更加清晰和准确。
灵活性高：可以根据需要选择不同的图像进行拼接，适应各种不同的拍摄环境和需求。例如，在不同时间、不同角度拍摄的图像，只要有适当的重叠区域，都可以进行拼接，以获得独特的视觉效果或满足特定的分析要求。
缺点
图像配准难度：要实现精确的图像拼接，需要准确地找到多幅图像之间的对应关系，即进行图像配准。如果图像的特征不明显、存在光照变化、视角差异较大等情况，图像配准就会变得困难，可能导致拼接结果出现错位、变形等问题。
拼接算法复杂度：为了获得高质量的拼接效果，需要使用复杂的算法来处理图像的融合、消除拼接缝等问题。这些算法通常需要较高的计算资源和时间成本，特别是对于高分辨率图像或大量图像的拼接，计算量会显著增加，可能导致拼接过程缓慢。
光照和色彩不一致：不同图像之间可能由于拍摄时间、光线条件、相机设置等因素而存在光照和色彩差异。在拼接过程中，如果不进行有效的处理，这些差异会在拼接处形成明显的边界或色彩突变，影响拼接图像的视觉效果和质量。
遮挡和运动模糊：如果在拍摄过程中，场景中有物体发生运动，或者不同图像之间存在遮挡情况，那么在拼接时就会出现问题。运动物体在不同图像中的位置不同，可能导致拼接后出现重影或模糊；而遮挡会使图像的重叠区域信息不完整，影响拼接的准确性。