Opencv探索之路（二十）：制作一个简易手动图像配准工具

近日在做基于sift特征点的图像配准时遇到匹配失败的情况，失败的原因在于两幅图像分辨率相差有点大，而且这两幅图是不同时间段的同一场景的图片，所以基于sift点的匹配已经找不到匹配点了。然后老师叫我尝试手动选择控制点来支持仿射变换。

很可惜opencv里没有这类似的库，查了下资料，看看有没有现成的手动配准软件，找到了arcgis这款软件可以做手动配准，不过这软件也都太大了吧我要的只是一个简单的功能而已！然后想了想，还是自己写个手动配准工具吧。

首先简单通俗说一下什么是图像配准。先观察一下下面两张图片。

这是两张从不同角度拍的场景，他们有大部分的重合，如果我们需要把这两张图拼接成一幅更大的图，我们需要做第一件事就是对他们进行配准，即对图二进行变换，令图二的物体转换到图一的坐标系，使得像素一一对应，这就是图像配准。

现在图像的配准方法有很多，比如基于特征点的配准，也有基于互信息的配准，都有广泛应用。现在我们使用特征点来配准，关键就在于找出两幅图像尽可能多对应的特征点，来求出变换矩阵，然后将待配准图进行变换。

现在实现一个简易的手动选择控制点的配准工具第一个版本，步骤有：

1. 搭建交互界面，可以对两幅图自由选点，并把点坐标存储起来
2. 求出变换矩阵
3. 利用变换矩阵对待配准图进行仿射变换

根据以上思路，有以下代码

#include "opencv2/highgui/highgui.hpp"
#include "opencv2/imgproc/imgproc.hpp"

#include <cv.h>
#include <cxcore.h>
#include <highgui.h>  

#include <iostream>

using namespace std;
using namespace cv;

vector<Point2f> imagePoints1, imagePoints2;

Mat ref_win, src_win;
int pcount = 0;

void on_mouse1(int event, int x, int y, int flags, void *ustc) //event鼠标事件代号，x,y鼠标坐标，flags拖拽和键盘操作的代号
{
    if (event == CV_EVENT_LBUTTONDOWN)//左键按下，读取初始坐标，并在图像上该点处打点
    {
        Point  p = Point(x, y);
        circle(ref_win, p, 1, Scalar(0, 0, 255), -1);
        imshow("基准图", ref_win);
        imagePoints1.push_back(p);   //将选中的点存起来
        cout << "基准图: " << p << endl;
        pcount++;
        cout << "ponit num:" << pcount << endl;
    }
}

void on_mouse2(int event, int x, int y, int flags, void *ustc) //event鼠标事件代号，x,y鼠标坐标，flags拖拽和键盘操作的代号
{
    if (event == CV_EVENT_LBUTTONDOWN)//左键按下，读取初始坐标，并在图像上该点处打点
    {
        Point  p = Point(x, y);
        circle(src_win, p, 1, Scalar(0, 0, 255), -1);
        imshow("待配准图", src_win);
        imagePoints2.push_back(p);   //将选中的点存起来
        cout << "待配准图: " << p << endl;
    }
}

int main()
{
    Mat ref = imread("ref.png");  //基准图
    Mat src = imread("src.png");  //待配准图

    ref_win = ref.clone();
    src_win = src.clone();

    namedWindow("待配准图");
    namedWindow("基准图");
    imshow("待配准图", src_win);
    imshow("基准图", ref_win);
    setMouseCallback("待配准图", on_mouse2);
    setMouseCallback("基准图", on_mouse1);

    waitKey();
    string str;
    printf("往下执行？\n");
    cin >> str;

    //求变换矩阵
    Mat homo = findHomography(imagePoints2, imagePoints1, CV_RANSAC);

    Mat imageTransform1;
    warpPerspective(src, imageTransform1, homo, Size(ref.cols, ref.rows));   //变换
    imshow("transform", imageTransform1);
    imshow("基准图打点", ref_win);
    imshow("待配准图打点", src_win);
    imshow("变换图", imageTransform1);

    imwrite("result.jpg", imageTransform1);
    imwrite("src_p.jpg", src_win);
    imwrite("ref_p.jpg", ref_win);

    waitKey();
    return 0;
}

运行一下，弹出两幅图，一张是基准图，一张待配准图，我们仔细找出两者的匹配点，然后用鼠标左键点击该点，那么这个点的坐标信息就被记录下来了。注意匹配点的顺序必须一一对应，比如用鼠标在基准图点击了一个点，那么我们也必须在待配准图也点击对应的匹配点。

效果如下：

手动选择控制点（红点就是我们选中的点）

配准效果

再换个图试试吧

控制点选择

配准效果

这么一个简易手动配准工具1.0算是完成了。但是我们使用时遇到了新的问题，那就是需要两幅图的尺寸太大了，显示器根本没法显示完整个图像！有人会说，把图像缩小再配准不行吗？缩小再配准的话，精度就不能保证了，因为配准时像素级别的。要精确配准，就得用原图。

可惜opencv没有提供浏览大图的工具，那就只能自己再写一写了。

好在可以借助前辈们的经验

http://blog.csdn.net/chenyusiyuan/article/details/6565424

那就在原来代码的基础加点东西，来适应这种“浏览大图的效果”。但是其中需要改动的东西很多，所以1.0的代码几乎全改了。因为前辈的这种浏览大图的效果是拥塞的，只能在一幅图操作完之后才可以操作另一幅图，这个限制对于我们配准操作而言是无法接受的，所以我使用了多线程来操作这个窗口，使得我们可以随意在任何一张图片打点，随时切换。

下面是手动配准工具2.0版本的代码

main.cpp

#include "opencv2/highgui/highgui.hpp"
#include "opencv2/imgproc/imgproc.hpp"
#include "opencv2/opencv.hpp"
#include <Windows.h>
#include <iostream>
#include "NewWindows.h"

using namespace std;
using namespace cv;

void CreateWindows(char* s, char* pic);
void CreateWindows2(char* s, char* pic);

vector<Point2f> imagePoints1, imagePoints2;  //记录匹配点

DWORD WINAPI ThreadFun1(LPVOID pM)
{
    NewWindow ref_obj("基准", "ref.jpg");
    ref_obj.CreateWindows();
    imagePoints1 = ref_obj.imagePoints;
    return 0;
}

DWORD WINAPI ThreadFun2(LPVOID pM)
{
    NewWindow src_obj("待变换", "src.jpg");
    src_obj.CreateWindows();
    imagePoints2 = src_obj.imagePoints;
    return 0;
}

int HandSlectPoint()
{

    Mat tsrc1 = imread("ref.jpg");  //基准图
    Mat tsrc2 = imread("src.jpg");

    while (1)
    {
#if 1
        imagePoints1.clear();
        imagePoints2.clear();

        HANDLE handle1 = CreateThread(NULL, 0, ThreadFun1, NULL, 0, NULL);  //创建线程

        HANDLE handle2 = CreateThread(NULL, 0, ThreadFun2, NULL, 0, NULL);

        printf("往下执行？\n");

        //先拥塞住，点选完再进行计算变换矩阵
        string s;
        cin >> s;

        Mat homo = findHomography(imagePoints2, imagePoints1, CV_RANSAC);

        Mat imageTransform1;
        warpPerspective(tsrc2, imageTransform1, homo, Size(tsrc1.cols, tsrc1.rows));
        imwrite("trans.jpg", imageTransform1); //把配准后结果存起来

        CloseHandle(handle1);//销毁线程1
        CloseHandle(handle2);//销毁线程1  

#endif
        printf("是否结束？\n");

        //判断是否结束，如果点选得不好，就再来一次
        string str;
        cin >> str;
        if (str == "yes")
            break;

    }

    return 0;
}

int main()
{
    HandSlectPoint();

    return 0;
}

NewWindows.cpp

#include "NewWindows.h"

NewWindow::NewWindow(char* label, char* pic_name)
{
    this->pic_name = pic_name;
    this->label = label;
}

void NewWindow::mouse_callback(int event, int x, int y, int flags, void* param)
{

    p = Point(x, y);
	pp = Point(x + x_offset, y + y_offset);
    if (needScroll)
    {
        switch (event)
        {
        case CV_EVENT_RBUTTONDOWN:
            mx = x, my = y;
            dx = 0, dy = 0;
            // 按下左键时光标定位在水平滚动条区域内
            if (x >= rect_bar_horiz.x && x <= rect_bar_horiz.x + rect_bar_horiz.width
                && y >= rect_bar_horiz.y && y <= rect_bar_horiz.y + rect_bar_horiz.height)
            {
                clickHorizBar = true;
            }
            // 按下左键时光标定位在垂直滚动条区域内
            if (x >= rect_bar_verti.x && x <= rect_bar_verti.x + rect_bar_verti.width
                && y >= rect_bar_verti.y && y <= rect_bar_verti.y + rect_bar_verti.height)
            {
                clickVertiBar = true;
            }
            break;
        case CV_EVENT_MOUSEMOVE:
            if (clickHorizBar)
            {
                dx = fabs(x - mx) > 1 ? (int)(x - mx) : 0;
                dy = 0;
            }
            if (clickVertiBar)
            {
                dx = 0;
                dy = fabs(y - my) > 1 ? (int)(y - my) : 0;
            }
            mx = x, my = y;
            break;
        case CV_EVENT_RBUTTONUP:
            mx = x, my = y;
            dx = 0, dy = 0;
            clickHorizBar = false;
            clickVertiBar = false;
            break;
		case CV_EVENT_LBUTTONDOWN:

			//cvShowImage("jizuhn",dst_img);
			imagePoints.push_back(pp);
			cout << label <<": "<< pp << endl;
			//_p1count++;
			//cout << "zhihuan count:" << _p1count << endl;
			flag = 1;
			//dx = 0, dy = 0;
			break;
        default:
            dx = 0, dy = 0;
            break;
        }
    }
}

void NewWindow::myShowImageScroll(char* title, IplImage* src_img, int winWidth, int winHeight ) // 显示窗口大小默认为 1400×700
{
    CvRect  rect_dst,   // 窗口中有效的图像显示区域
        rect_src;   // 窗口图像对应于源图像中的区域
    int imgWidth = src_img->width,
        imgHeight = src_img->height,
        barWidth = 25;  // 滚动条的宽度（像素）
    double  scale_w = (double)imgWidth / (double)winWidth,    // 源图像与窗口的宽度比值
        scale_h = (double)imgHeight / (double)winHeight;  // 源图像与窗口的高度比值  

    if (scale_w<1)
        winWidth = imgWidth + barWidth;
    if (scale_h<1)
        winHeight = imgHeight + barWidth;

    int showWidth = winWidth, showHeight = winHeight; // rect_dst 的宽和高
    int src_x = 0, src_y = 0;   // 源图像中 rect_src 的左上角位置
    int horizBar_width = 0, horizBar_height = 0,
        vertiBar_width = 0, vertiBar_height = 0;

    needScroll = scale_w>1.0 || scale_h>1.0 ? TRUE : FALSE;
    // 若图像大于设定的窗口大小，则显示滚动条
    if (needScroll)
    {
		IplImage* dst_img = cvCreateImage(cvSize(winWidth, winHeight), src_img->depth, src_img->nChannels);
        cvZero(dst_img);
        // 源图像宽度大于窗口宽度，则显示水平滚动条
        if (1)
        {
            showHeight = winHeight - barWidth;
            horizBar_width = (int)((double)winWidth / scale_w);
            horizBar_height = winHeight - showHeight;
            horizBar_x = min(
                max(0, horizBar_x + dx),
                winWidth - horizBar_width);
            rect_bar_horiz = cvRect(
                horizBar_x,
                showHeight + 1,
                horizBar_width,
                horizBar_height);
            // 显示水平滚动条
            cvRectangleR(dst_img, rect_bar_horiz, cvScalarAll(255), -1);
        }

        // 源图像高度大于窗口高度，则显示垂直滚动条
        if (scale_h > 1.0)
        {
            // printf("come!\n");
            showWidth = winWidth - barWidth;
            vertiBar_width = winWidth - showWidth;
            vertiBar_height = (int)((double)winHeight / scale_h);
            vertiBar_y = min(
                max(0, vertiBar_y + dy),
                winHeight - vertiBar_height);
            //printf("vertiBar_width:%d vertiBar_height:%d\n", vertiBar_width, vertiBar_height);
            //printf("x:%d y:%d\n", showWidth + 1, vertiBar_y);
            rect_bar_verti = cvRect(
                showWidth + 1,
                vertiBar_y,
                vertiBar_width,
                vertiBar_height);
            // 显示垂直滚动条
            //printf("w:%d h:%d\n", dst_img->width, dst_img->height);
            cvRectangleR(dst_img, rect_bar_verti, cvScalarAll(255), -1);
        }

        showWidth = min(showWidth, imgWidth);
        showHeight = min(showHeight, imgHeight);
        // 设置窗口显示区的 ROI
        rect_dst = cvRect(0, 0, showWidth, showHeight);
        cvSetImageROI(dst_img, rect_dst);
        // 设置源图像的 ROI
        src_x = (int)((double)horizBar_x*scale_w);
        src_y = (int)((double)vertiBar_y*scale_h);
        src_x = min(src_x, imgWidth - showWidth);
        src_y = min(src_y, imgHeight - showHeight);
        rect_src = cvRect(src_x, src_y, showWidth, showHeight);
		x_offset = src_x;
		y_offset = src_y;
        cvSetImageROI(src_img, rect_src);
		if (flag == 1)
		{
			cvCircle(src_img, p, 3, Scalar(0, 0, 255), -1);
			flag = 0;
		}
        // 将源图像内容复制到窗口显示区
        cvCopy(src_img, dst_img);

        cvResetImageROI(dst_img);
        cvResetImageROI(src_img);
        // 显示图像和滚动条
        cvShowImage(title, dst_img);

        cvReleaseImage(&dst_img);
    }
    // 源图像小于设定窗口，则直接显示图像，无滚动条
    else
    {
        cvShowImage(title, src_img);
    }
}

void m_callback(int event, int x, int y, int flags, void* param)
{
    NewWindow* p_win = (NewWindow*)param;
    p_win->mouse_callback(event, x, y, flags, NULL);
}

void NewWindow::CreateWindows()
{
    int width = 1200, height = 700;  //显示的图片大小

    cvNamedWindow(label, 1);

    cvSetMouseCallback(label, m_callback, this);

    image = cvLoadImage(pic_name, CV_LOAD_IMAGE_COLOR);

	while (1)
	{
		myShowImageScroll(label, image, width, height);
		//Sleep(100);
		int KEY = cvWaitKey(10);
		if ((char)KEY == 27)
			break;
	}

	cvDestroyWindow(label);
}

NewWindows.h

#ifndef __NEW_WINDOWS_H__
#define __NEW_WINDOWS_H__

#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>
#include <opencv2/imgproc/imgproc_c.h>
#include <Windows.h>
#include <iostream>
#include <vector>  

#define FALSE 0
#define TRUE 1

using namespace std;
using namespace cv;

class NewWindow
{
public:
    vector<Point2f> imagePoints;
    void CreateWindows();
    void mouse_callback(int event, int x, int y, int flags, void* param);
    NewWindow(char* label, char* pic_name);

private:
    double mx = 0, my = 0;
    int dx = 0, dy = 0, horizBar_x = 0, vertiBar_y = 0;
    bool clickVertiBar = false, clickHorizBar = false, needScroll = false;
    CvRect rect_bar_horiz, rect_bar_verti;
    IplImage* image;

    Point  p;
    Point pp;
    int flag = 0;
    int x_offset;
    int y_offset;
    char* pic_name;
    char* label;

    void myShowImageScroll(char* title, IplImage* src_img,
        int winWidth = 1400, int winHeight = 700); // 显示窗口大小默认为 1400×700  

};

#endif

看看效果吧，现在我们需要对两张2000*2000的图像进行配准，因为我们的显示器无法完全显示整张图片，所以使用了这个带浏览大图的工具来进行配准。可以看到，显示图的右侧和下侧都有滚动条，我们只需按住鼠标右键拖动即可浏览到显示不到的区域，同样地，我们是点击鼠标左键实现选点。

点的坐标一一记录

配准之后，可以看出图像发生了轻微形变，与基准图一对比，发现配准成功。

【2017.9.23更新】

有几个园友发信息给我，说不知这个程序怎么用，那我在这里总结一下使用步骤：

1.左键选择控制点，右键是用于滚动条的。选择控制点的时候注意在图一选了点后需要在图二也选好对应点，形成控制点对。

2.当控制点对全部选好后按“esc”关闭窗口。要按两次，因为要关闭两个窗口。

3.按键盘任意键开始透视变换。

4.如果你觉得这次变换OK，就按yes退出