行为识别笔记：iDT算法用法与代码解析

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在上一篇笔记：iDT算法 中，对iDT算法的原理做了简单的介绍。由于iDT算法提供了算法源码，自己也用它做了不少实验，因此介绍一下其代码的使用方法，并对源代码做一些解析。iDT算法的代码在作者个人主页可以下载到，也可以点击此处下载：iDT算法源码 。

除了本篇博客之外，还有iDT用法及源码剖析 这篇文章介绍的也不错，供参考。

基本功能

iDT算法框架中还包括Fisher Vector编码和SVM分类两阶段的工作，但作者提供的代码只包括到输出iDT特征的阶段，后续步骤需要使用其他代码或工具。其中有人编写了专门用与DT特征的FV编码C++程序：DTFV 。SVM则可以使用liblinear，对于高维度数据速度比较快。
因此，此处要讨论的iDT算法代码的输入为一段视频，输出为iDT特征的列表，每行为1个特征，对应视频中的某段轨迹。每个特征的维度为426维：Trajectory-30, HOG-96, HOF-108, MBH-192。每种特征的维数是如何得到的见iDT算法那篇博客。

编译与基本使用

详细内容见文件夹中的README。

iDT代码的依赖包括两个库：

• OpenCV: readme中推荐用2.4.2， 实际上用最新的2.4.13也没问题。但OpenCV3就不知道能不能用了，没有试过。
• ffmpeg: readme中推荐用0.11.1。实际上装最新的版本也没有问题

这两个库的安装教程网上很多，就不再多做介绍了。而且也都是很常用的库。

在安装完以上两个库后，就可以进行代码编译了。只需要在代码文件夹下make一下就好，编译好的可执行文件在./release/下。

使用时输入 视频文件的路径作为参数即可./release/DenseTrackStab ./test_sequences/person01_boxing_d1_uncomp.avi。

代码结构

iDT代码中主要包括如下几个代码文件

• DenseTrackStab.cpp:iDT算法主程序
• DenseTrackStab.h:轨迹跟踪的一些参数，以及一些数据结构体的定义
• Descriptors.h:特征相关的各种函数
• Initialize.h:初始化相关的各种函数
• OpticalFlow.h:光流相关的各种函数
• Video.cpp: 这个程序与iDT算法无关，只是作者提供用来测试两个依赖库是否安装成功的。

bound box相关内容

bound box即提供视频帧中人体框的信息，在计算前后帧的投影变换矩阵时，不使用人体框中的匹配点对。从而排除人体运动干扰，使得对相机运动的估计更加准确。

作者提供的文件中没有bb_file的格式，代码中也没有读入bb_file的接口，若需要用到需要在代码中添加一条读入文件语句（下面的代码解析中已经添加）。bb_file的格式如下所示

frame_id a1 a2 a3 a4 a5 b1 b2 b3 b4 b5

其中frame_id是帧的编号，从0开始。代码中还有检查步骤，保证bb_file的长度与视频的帧数相同。

后面的数据5个一组，为人体框的参数。按顺序分别为：框左上角点的x，框左上角点的y，框右下角点的x，框右下角点的y，置信度。需要注意的是虽然要输入置信度，但实际上这个置信度在代码里也没有用上的样子，所以取任意值也不影响使用。

至于如何获得这些bound box的数据，最暴力的方法当然是手工标注，不过这样太辛苦了。在项目中我们采用了SSD（single shot multibox detector）算法检测人体框的位置。

主程序代码解析

iDT算法代码的大致思路为：

1. 读入新的一帧
2. 通过SURF特征和光流计算当前帧和上一帧的投影变换矩阵
3. 使用求得的投影变换矩阵对当前帧进行warp，消除相机运动影响
4. 利用warp后的当前帧图像和上一帧图像计算光流
5. 在各个图像尺度上跟踪轨迹并计算特征
6. 保存当前帧的相关信息，跳到1

以下通过一些简单的注释对代码进行解析

#include "DenseTrackStab.h"
#include "Initialize.h"
#include "Descriptors.h"
#include "OpticalFlow.h"

#include <time.h>

using namespace cv;

//如果要可视化轨迹，将show_track设置为1
int show_track = 0;

int main(int argc, char** argv)
{
    //读入并打开视频文件
    VideoCapture capture;
    char* video = argv[1];
    int flag = arg_parse(argc, argv);
    capture.open(video);
    if(!capture.isOpened()) {
        fprintf(stderr, "Could not initialize capturing..\n");
        return -1;
    }

    //这句代码是我自己添加的，源代码中没有提供bb_file的输入接口
    char* bb_file = argv[2];

    int frame_num = 0;
    TrackInfo trackInfo;
    DescInfo hogInfo, hofInfo, mbhInfo;

    //初始化轨迹信息变量
    InitTrackInfo(&trackInfo, track_length, init_gap);
    InitDescInfo(&hogInfo, 8, false, patch_size, nxy_cell, nt_cell);
    InitDescInfo(&hofInfo, 9, true, patch_size, nxy_cell, nt_cell);
    InitDescInfo(&mbhInfo, 8, false, patch_size, nxy_cell, nt_cell);

    SeqInfo seqInfo;
    InitSeqInfo(&seqInfo, video);

    //初始化bb信息，将bb_file中的信息加载到bb_list中
    std::vector<Frame> bb_list;
    if(bb_file) {
        LoadBoundBox(bb_file, bb_list);
        assert(bb_list.size() == seqInfo.length);
    }

    if(flag)
        seqInfo.length = end_frame - start_frame + 1;



    if(show_track == 1)
        namedWindow("DenseTrackStab", 0);

    //初始化surf特征检测器
    //此处200为阈值，数值越小则用于匹配的特征点越多，效果越好（不一定），速度越慢
    SurfFeatureDetector detector_surf(200);
    SurfDescriptorExtractor extractor_surf(true, true);

    std::vector<Point2f> prev_pts_flow, pts_flow;
    std::vector<Point2f> prev_pts_surf, pts_surf;
    std::vector<Point2f> prev_pts_all, pts_all;

    std::vector<KeyPoint> prev_kpts_surf, kpts_surf;
    Mat prev_desc_surf, desc_surf;
    Mat flow, human_mask;

    Mat image, prev_grey, grey;

    std::vector<float> fscales(0);
    std::vector<Size> sizes(0);

    std::vector<Mat> prev_grey_pyr(0), grey_pyr(0), flow_pyr(0), flow_warp_pyr(0);
    std::vector<Mat> prev_poly_pyr(0), poly_pyr(0), poly_warp_pyr(0);

    std::vector<std::list<Track> > xyScaleTracks;
    int init_counter = 0; // 记录何时应该计算新的特征点
    while(true) {
        Mat frame;
        int i, j, c;

        // 读入新的帧
        capture >> frame;
        if(frame.empty())
            break;

        if(frame_num < start_frame || frame_num > end_frame) {
            frame_num++;
            continue;
        }

        /*-----------------------对第一帧做处理-------------------------*/
        //由于光流需要两帧进行计算，故第一帧不计算光流
        if(frame_num == start_frame) {
            image.create(frame.size(), CV_8UC3);
            grey.create(frame.size(), CV_8UC1);
            prev_grey.create(frame.size(), CV_8UC1);

            InitPry(frame, fscales, sizes);

            BuildPry(sizes, CV_8UC1, prev_grey_pyr);
            BuildPry(sizes, CV_8UC1, grey_pyr);
            BuildPry(sizes, CV_32FC2, flow_pyr);
            BuildPry(sizes, CV_32FC2, flow_warp_pyr);
            BuildPry(sizes, CV_32FC(5), prev_poly_pyr);
            BuildPry(sizes, CV_32FC(5), poly_pyr);
            BuildPry(sizes, CV_32FC(5), poly_warp_pyr);

            xyScaleTracks.resize(scale_num);

            frame.copyTo(image);
            cvtColor(image, prev_grey, CV_BGR2GRAY);

            //对于每个图像尺度分别密集采样特征点
            for(int iScale = 0; iScale < scale_num; iScale++) {
                if(iScale == 0)
                    prev_grey.copyTo(prev_grey_pyr[0]);
                else
                    resize(prev_grey_pyr[iScale-1], prev_grey_pyr[iScale], prev_grey_pyr[iScale].size(), 0, 0, INTER_LINEAR);
                // 密集采样特征点
                std::vector<Point2f> points(0);
                DenseSample(prev_grey_pyr[iScale], points, quality, min_distance);
                // 保存特征点
                std::list<Track>& tracks = xyScaleTracks[iScale];
                for(i = 0; i < points.size(); i++)
                    tracks.push_back(Track(points[i], trackInfo, hogInfo, hofInfo, mbhInfo));
            }
            // compute polynomial expansion
            my::FarnebackPolyExpPyr(prev_grey, prev_poly_pyr, fscales, 7, 1.5);
            //human_mask即将人体框外的部分记作1,框内部分记作0
            //在计算surf特征时不计算框内特征（即不使用人身上的特征点做匹配）
            human_mask = Mat::ones(frame.size(), CV_8UC1);
            if(bb_file)
                InitMaskWithBox(human_mask, bb_list[frame_num].BBs);
            detector_surf.detect(prev_grey, prev_kpts_surf, human_mask);
            extractor_surf.compute(prev_grey, prev_kpts_surf, prev_desc_surf);

            frame_num++;
            continue;
        }
        /*-----------------------对后续帧做处理-------------------------*/
        init_counter++;
        frame.copyTo(image);
        cvtColor(image, grey, CV_BGR2GRAY);

        // 计算新一帧的surf特征，并与前一帧的surf特帧做匹配
        // surf特征只在图像的原始尺度上计算
        if(bb_file)
            InitMaskWithBox(human_mask, bb_list[frame_num].BBs);
        detector_surf.detect(grey, kpts_surf, human_mask);
        extractor_surf.compute(grey, kpts_surf, desc_surf);
        ComputeMatch(prev_kpts_surf, kpts_surf, prev_desc_surf, desc_surf, prev_pts_surf, pts_surf);
        // 在所有尺度上计算光流，并用光流计算前后帧的匹配
        my::FarnebackPolyExpPyr(grey, poly_pyr, fscales, 7, 1.5);
        my::calcOpticalFlowFarneback(prev_poly_pyr, poly_pyr, flow_pyr, 10, 2);
        MatchFromFlow(prev_grey, flow_pyr[0], prev_pts_flow, pts_flow, human_mask);
        // 结合SURF的匹配和光流的匹配
        MergeMatch(prev_pts_flow, pts_flow, prev_pts_surf, pts_surf, prev_pts_all, pts_all);

        //用上述点匹配计算前后两帧图像之间的投影变换矩阵H
        //为了避免由于匹配点多数量过少造成 投影变换矩阵计算出错，当匹配很少时直接取单位矩阵作为H
        Mat H = Mat::eye(3, 3, CV_64FC1);
        if(pts_all.size() > 50) {
            std::vector<unsigned char> match_mask;
            Mat temp = findHomography(prev_pts_all, pts_all, RANSAC, 1, match_mask);
            if(countNonZero(Mat(match_mask)) > 25)
                H = temp;
        }

        //使用上述得到的投影变换矩阵H对当前帧图像进行warp，从而消除相机造成的运动
        Mat H_inv = H.inv();
        Mat grey_warp = Mat::zeros(grey.size(), CV_8UC1);
        MyWarpPerspective(prev_grey, grey, grey_warp, H_inv); // warp the second frame

        // 用变换后的图像重新计算各个尺度上的光流图像
        my::FarnebackPolyExpPyr(grey_warp, poly_warp_pyr, fscales, 7, 1.5);
        my::calcOpticalFlowFarneback(prev_poly_pyr, poly_warp_pyr, flow_warp_pyr, 10, 2);

        //在每个尺度分别计算特征
        for(int iScale = 0; iScale < scale_num; iScale++) {
            //尺度0不缩放，其余尺度使用插值方法缩放
            if(iScale == 0)
                grey.copyTo(grey_pyr[0]);
            else
                resize(grey_pyr[iScale-1], grey_pyr[iScale], grey_pyr[iScale].size(), 0, 0, INTER_LINEAR);

            int width = grey_pyr[iScale].cols;
            int height = grey_pyr[iScale].rows;

            // compute the integral histograms
            DescMat* hogMat = InitDescMat(height+1, width+1, hogInfo.nBins);
            HogComp(prev_grey_pyr[iScale], hogMat->desc, hogInfo);

            DescMat* hofMat = InitDescMat(height+1, width+1, hofInfo.nBins);
            HofComp(flow_warp_pyr[iScale], hofMat->desc, hofInfo);

            DescMat* mbhMatX = InitDescMat(height+1, width+1, mbhInfo.nBins);
            DescMat* mbhMatY = InitDescMat(height+1, width+1, mbhInfo.nBins);
            MbhComp(flow_warp_pyr[iScale], mbhMatX->desc, mbhMatY->desc, mbhInfo);

            // 在当前尺度 追踪特征点的轨迹，并计算相关的特征
            std::list<Track>& tracks = xyScaleTracks[iScale];
            for (std::list<Track>::iterator iTrack = tracks.begin(); iTrack != tracks.end();) {
                int index = iTrack->index;
                Point2f prev_point = iTrack->point[index];
                int x = std::min<int>(std::max<int>(cvRound(prev_point.x), 0), width-1);
                int y = std::min<int>(std::max<int>(cvRound(prev_point.y), 0), height-1);

                Point2f point;
                point.x = prev_point.x + flow_pyr[iScale].ptr<float>(y)[2*x];
                point.y = prev_point.y + flow_pyr[iScale].ptr<float>(y)[2*x+1];

                if(point.x <= 0 || point.x >= width || point.y <= 0 || point.y >= height) {
                    iTrack = tracks.erase(iTrack);
                    continue;
                }

                iTrack->disp[index].x = flow_warp_pyr[iScale].ptr<float>(y)[2*x];
                iTrack->disp[index].y = flow_warp_pyr[iScale].ptr<float>(y)[2*x+1];

                // get the descriptors for the feature point
                RectInfo rect;
                GetRect(prev_point, rect, width, height, hogInfo);
                GetDesc(hogMat, rect, hogInfo, iTrack->hog, index);
                GetDesc(hofMat, rect, hofInfo, iTrack->hof, index);
                GetDesc(mbhMatX, rect, mbhInfo, iTrack->mbhX, index);
                GetDesc(mbhMatY, rect, mbhInfo, iTrack->mbhY, index);
                iTrack->addPoint(point);

                // 在原始尺度上可视化轨迹
                if(show_track == 1 && iScale == 0)
                    DrawTrack(iTrack->point, iTrack->index, fscales[iScale], image);

                // 若轨迹的长度达到了预设长度,在iDT中应该是设置为15
                // 达到长度后就可以输出各个特征了
                if(iTrack->index >= trackInfo.length) {
                    std::vector<Point2f> trajectory(trackInfo.length+1);
                    for(int i = 0; i <= trackInfo.length; ++i)
                        trajectory[i] = iTrack->point[i]*fscales[iScale];

                    std::vector<Point2f> displacement(trackInfo.length);
                    for (int i = 0; i < trackInfo.length; ++i)
                        displacement[i] = iTrack->disp[i]*fscales[iScale];

                    float mean_x(0), mean_y(0), var_x(0), var_y(0), length(0);
                    if(IsValid(trajectory, mean_x, mean_y, var_x, var_y, length) && IsCameraMotion(displacement)) {
                        // output the trajectory
                        printf("%d\t%f\t%f\t%f\t%f\t%f\t%f\t", frame_num, mean_x, mean_y, var_x, var_y, length, fscales[iScale]);

                        // for spatio-temporal pyramid
                        printf("%f\t", std::min<float>(std::max<float>(mean_x/float(seqInfo.width), 0), 0.999));
                        printf("%f\t", std::min<float>(std::max<float>(mean_y/float(seqInfo.height), 0), 0.999));
                        printf("%f\t", std::min<float>(std::max<float>((frame_num - trackInfo.length/2.0 - start_frame)/float(seqInfo.length), 0), 0.999));

                        // output the trajectory
                        for (int i = 0; i < trackInfo.length; ++i)
                            printf("%f\t%f\t", displacement[i].x, displacement[i].y);
                        //实际上，traj特征的效果一般，可以去掉，那么输出以下几个就好了
                        //如果需要保存输出的特征，可以修改PrintDesc函数
                        PrintDesc(iTrack->hog, hogInfo, trackInfo);
                        PrintDesc(iTrack->hof, hofInfo, trackInfo);
                        PrintDesc(iTrack->mbhX, mbhInfo, trackInfo);
                        PrintDesc(iTrack->mbhY, mbhInfo, trackInfo);
                        printf("\n");
                    }

                    iTrack = tracks.erase(iTrack);
                    continue;
                }
                ++iTrack;
            }
            ReleDescMat(hogMat);
            ReleDescMat(hofMat);
            ReleDescMat(mbhMatX);
            ReleDescMat(mbhMatY);

            if(init_counter != trackInfo.gap)
                continue;

            // detect new feature points every gap frames
            std::vector<Point2f> points(0);
            for(std::list<Track>::iterator iTrack = tracks.begin(); iTrack != tracks.end(); iTrack++)
                points.push_back(iTrack->point[iTrack->index]);

            DenseSample(grey_pyr[iScale], points, quality, min_distance);
            // save the new feature points
            for(i = 0; i < points.size(); i++)
                tracks.push_back(Track(points[i], trackInfo, hogInfo, hofInfo, mbhInfo));
        }

        //这里有好多个copyTo prev_xxx
        //因为计算光流，surf匹配等都需要上一帧的信息，故在每帧处理完后保存该帧信息，用作下一帧计算时用
        init_counter = 0;
        grey.copyTo(prev_grey);
        for(i = 0; i < scale_num; i++) {
            grey_pyr[i].copyTo(prev_grey_pyr[i]);
            poly_pyr[i].copyTo(prev_poly_pyr[i]);
        }

        prev_kpts_surf = kpts_surf;
        desc_surf.copyTo(prev_desc_surf);

        frame_num++;

        if( show_track == 1 ) {
            imshow( "DenseTrackStab", image);
            c = cvWaitKey(3);
            if((char)c == 27) break;
        }
    }

    if( show_track == 1 )
        destroyWindow("DenseTrackStab");

    return 0;
}
<std::list

以上只是对程序代码的简单解析，如果需要使用到iDT的代码还是需要自己好好研究代码的，此篇笔记也只算是自己的一个笔记啦。个人感受iDT算法的思路非常经典，有很多值得参考的地方，代码也写的很好，可以进行修改用到别的地方。