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        Python+Opencv識別兩張相似圖片

        來源:懂視網 責編:小采 時間:2020-11-27 14:36:46
        文檔

        Python+Opencv識別兩張相似圖片

        Python+Opencv識別兩張相似圖片:在網上看到python做圖像識別的相關文章后,真心感覺python的功能實在太強大,因此將這些文章總結一下,建立一下自己的知識體系。 當然了,圖像識別這個話題作為計算機科學的一個分支,不可能就在本文簡單幾句就說清,所以本文只作基本算法的科普向。 看到一
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        導讀Python+Opencv識別兩張相似圖片:在網上看到python做圖像識別的相關文章后,真心感覺python的功能實在太強大,因此將這些文章總結一下,建立一下自己的知識體系。 當然了,圖像識別這個話題作為計算機科學的一個分支,不可能就在本文簡單幾句就說清,所以本文只作基本算法的科普向。 看到一
        在網上看到python做圖像識別的相關文章后,真心感覺python的功能實在太強大,因此將這些文章總結一下,建立一下自己的知識體系。
        當然了,圖像識別這個話題作為計算機科學的一個分支,不可能就在本文簡單幾句就說清,所以本文只作基本算法的科普向。
        看到一篇博客是介紹這個,但他用的是PIL中的Image實現的,感覺比較麻煩,于是利用Opencv庫進行了更簡潔化的實現。
        相關背景
        要識別兩張相似圖像,我們從感性上來談是怎么樣的一個過程?首先我們會區分這兩張相片的類型,例如是風景照,還是人物照。風景照中,是沙漠還是海洋,人物照中,兩個人是不是都是國字臉,還是瓜子臉(還是倒瓜子臉……哈哈……)。

        那么從機器的角度來說也是這樣的,先識別圖像的特征,然后再相比。

        很顯然,在沒有經過訓練的計算機(即建立模型),那么計算機很難區分什么是海洋,什么是沙漠。但是計算機很容易識別到圖像的像素值。

        因此,在圖像識別中,顏色特征是最為常用的。(其余常用的特征還有紋理特征、形狀特征和空間關系特征等)

        其中又分為

        直方圖
        顏色集
        顏色矩
        聚合向量
        相關圖

        直方圖計算法
        這里先用直方圖進行簡單講述。

        先借用一下戀花蝶的圖片,

        從肉眼來看,這兩張圖片大概也有八成是相似的了。
        在Python中利用opencv中的calcHist()方法獲取其直方圖數據,返回的結果是一個列表,使用matplotlib,畫出了這兩張圖的直方圖數據圖
        如下:


        是的,我們可以明顯的發現,兩張圖片的直方圖還是比較重合的。所以利用直方圖判斷兩張圖片的是否相似的方法就是,計算其直方圖的重合程度即可。
        計算方法如下:

        其中gi和si是分別指兩條曲線的第i個點。

        最后計算得出的結果就是就是其相似程度。

        不過,這種方法有一個明顯的弱點,就是他是按照顏色的全局分布來看的,無法描述顏色的局部分布和色彩所處的位置。

        也就是假如一張圖片以藍色為主,內容是一片藍天,而另外一張圖片也是藍色為主,但是內容卻是妹子穿了藍色裙子,那么這個算法也很可能認為這兩張圖片的相似的。

        緩解這個弱點有一個方法就是利用Image的crop方法把圖片等分,然后再分別計算其相似度,最后綜合考慮。

        圖像指紋與漢明距離
        在介紹下面其他判別相似度的方法前,先補充一些概念。第一個就是圖像指紋

        圖像指紋和人的指紋一樣,是身份的象征,而圖像指紋簡單點來講,就是將圖像按照一定的哈希算法,經過運算后得出的一組二進制數字。

        說到這里,就可以順帶引出漢明距離的概念了。

        假如一組二進制數據為101,另外一組為111,那么顯然把第一組的第二位數據0改成1就可以變成第二組數據111,所以兩組數據的漢明距離就為1

        簡單點說,漢明距離就是一組二進制數據變成另一組數據所需的步驟數,顯然,這個數值可以衡量兩張圖片的差異,漢明距離越小,則代表相似度越高。漢明距離為0,即代表兩張圖片完全一樣。

        如何計算得到漢明距離,請看下面三種哈希算法

        平均哈希法(aHash)
        此算法是基于比較灰度圖每個像素與平均值來實現的

        一般步驟:

        1.縮放圖片,一般大小為8*8,64個像素值。
        2.轉化為灰度圖
        3.計算平均值:計算進行灰度處理后圖片的所有像素點的平均值,直接用numpy中的mean()計算即可。
        4.比較像素灰度值:遍歷灰度圖片每一個像素,如果大于平均值記錄為1,否則為0.
        5.得到信息指紋:組合64個bit位,順序隨意保持一致性。
        最后比對兩張圖片的指紋,獲得漢明距離即可。

        感知哈希算法(pHash)
        平均哈希算法過于嚴格,不夠精確,更適合搜索縮略圖,為了獲得更精確的結果可以選擇感知哈希算法,它采用的是DCT(離散余弦變換)來降低頻率的方法

        一般步驟:

        縮小圖片:32 * 32是一個較好的大小,這樣方便DCT計算
        轉化為灰度圖
        計算DCT:利用Opencv中提供的dct()方法,注意輸入的圖像必須是32位浮點型,所以先利用numpy中的float32進行轉換
        縮小DCT:DCT計算后的矩陣是32 * 32,保留左上角的8 * 8,這些代表的圖片的最低頻率
        計算平均值:計算縮小DCT后的所有像素點的平均值。
        進一步減小DCT:大于平均值記錄為1,反之記錄為0.
        得到信息指紋:組合64個信息位,順序隨意保持一致性。
        最后比對兩張圖片的指紋,獲得漢明距離即可。

        dHash算法
        相比pHash,dHash的速度要快的多,相比aHash,dHash在效率幾乎相同的情況下的效果要更好,它是基于漸變實現的。

        步驟:

        縮小圖片:收縮到9*8的大小,以便它有72的像素點
        轉化為灰度圖
        計算差異值:dHash算法工作在相鄰像素之間,這樣每行9個像素之間產生了8個不同的差異,一共8行,則產生了64個差異值
        獲得指紋:如果左邊的像素比右邊的更亮,則記錄為1,否則為0.
        最后比對兩張圖片的指紋,獲得漢明距離即可。

        整個的代碼實現如下:

        # -*- coding: utf-8 -*- 
        #feimengjuan 
        # 利用python實現多種方法來實現圖像識別 
         
        import cv2 
        import numpy as np 
        from matplotlib import pyplot as plt 
         
        # 最簡單的以灰度直方圖作為相似比較的實現 
        def classify_gray_hist(image1,image2,size = (256,256)): 
         # 先計算直方圖 
         # 幾個參數必須用方括號括起來 
         # 這里直接用灰度圖計算直方圖,所以是使用第一個通道, 
         # 也可以進行通道分離后,得到多個通道的直方圖 
         # bins 取為16 
         image1 = cv2.resize(image1,size) 
         image2 = cv2.resize(image2,size) 
         hist1 = cv2.calcHist([image1],[0],None,[256],[0.0,255.0]) 
         hist2 = cv2.calcHist([image2],[0],None,[256],[0.0,255.0]) 
         # 可以比較下直方圖 
         plt.plot(range(256),hist1,'r') 
         plt.plot(range(256),hist2,'b') 
         plt.show() 
         # 計算直方圖的重合度 
         degree = 0 
         for i in range(len(hist1)): 
         if hist1[i] != hist2[i]: 
         degree = degree + (1 - abs(hist1[i]-hist2[i])/max(hist1[i],hist2[i])) 
         else: 
         degree = degree + 1 
         degree = degree/len(hist1) 
         return degree 
         
        # 計算單通道的直方圖的相似值 
        def calculate(image1,image2): 
         hist1 = cv2.calcHist([image1],[0],None,[256],[0.0,255.0]) 
         hist2 = cv2.calcHist([image2],[0],None,[256],[0.0,255.0]) 
         # 計算直方圖的重合度 
         degree = 0 
         for i in range(len(hist1)): 
         if hist1[i] != hist2[i]: 
         degree = degree + (1 - abs(hist1[i]-hist2[i])/max(hist1[i],hist2[i])) 
         else: 
         degree = degree + 1 
         degree = degree/len(hist1) 
         return degree 
         
        # 通過得到每個通道的直方圖來計算相似度 
        def classify_hist_with_split(image1,image2,size = (256,256)): 
         # 將圖像resize后,分離為三個通道,再計算每個通道的相似值 
         image1 = cv2.resize(image1,size) 
         image2 = cv2.resize(image2,size) 
         sub_image1 = cv2.split(image1) 
         sub_image2 = cv2.split(image2) 
         sub_data = 0 
         for im1,im2 in zip(sub_image1,sub_image2): 
         sub_data += calculate(im1,im2) 
         sub_data = sub_data/3 
         return sub_data 
         
        # 平均哈希算法計算 
        def classify_aHash(image1,image2): 
         image1 = cv2.resize(image1,(8,8)) 
         image2 = cv2.resize(image2,(8,8)) 
         gray1 = cv2.cvtColor(image1,cv2.COLOR_BGR2GRAY) 
         gray2 = cv2.cvtColor(image2,cv2.COLOR_BGR2GRAY) 
         hash1 = getHash(gray1) 
         hash2 = getHash(gray2) 
         return Hamming_distance(hash1,hash2) 
         
        def classify_pHash(image1,image2): 
         image1 = cv2.resize(image1,(32,32)) 
         image2 = cv2.resize(image2,(32,32)) 
         gray1 = cv2.cvtColor(image1,cv2.COLOR_BGR2GRAY) 
         gray2 = cv2.cvtColor(image2,cv2.COLOR_BGR2GRAY) 
         # 將灰度圖轉為浮點型,再進行dct變換 
         dct1 = cv2.dct(np.float32(gray1)) 
         dct2 = cv2.dct(np.float32(gray2)) 
         # 取左上角的8*8,這些代表圖片的最低頻率 
         # 這個操作等價于c++中利用opencv實現的掩碼操作 
         # 在python中進行掩碼操作,可以直接這樣取出圖像矩陣的某一部分 
         dct1_roi = dct1[0:8,0:8] 
         dct2_roi = dct2[0:8,0:8] 
         hash1 = getHash(dct1_roi) 
         hash2 = getHash(dct2_roi) 
         return Hamming_distance(hash1,hash2) 
         
        # 輸入灰度圖,返回hash 
        def getHash(image): 
         avreage = np.mean(image) 
         hash = [] 
         for i in range(image.shape[0]): 
         for j in range(image.shape[1]): 
         if image[i,j] > avreage: 
         hash.append(1) 
         else: 
         hash.append(0) 
         return hash 
         
         
        # 計算漢明距離 
        def Hamming_distance(hash1,hash2): 
         num = 0 
         for index in range(len(hash1)): 
         if hash1[index] != hash2[index]: 
         num += 1 
         return num 
         
         
        if __name__ == '__main__': 
         img1 = cv2.imread('10.jpg') 
         cv2.imshow('img1',img1) 
         img2 = cv2.imread('11.jpg') 
         cv2.imshow('img2',img2) 
         degree = classify_gray_hist(img1,img2) 
         #degree = classify_hist_with_split(img1,img2) 
         #degree = classify_aHash(img1,img2) 
         #degree = classify_pHash(img1,img2) 
         print degree 
         cv2.waitKey(0) 

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        標簽: 圖片 識別 圖像
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