数据增广:旋转,缩放,平移以及错切

在深度学习(图像领域)中,为了提升训练样本数量数据增广是非常常见的手段。比如:

  • 随机水平翻转
  • 随机色调(H)、饱和度(S)、明度(V)调整
  • 随机旋转,缩放,平移以及错切
  • 还有近几年常用的mixup,mosaic等等。

今天简单讲讲随机旋转,缩放,平移以及错切方法,因为在之前yolov3 spp项目的数据读取部分有涉及到相关知识。本文会结合opencv来进行演示。



仿射变换

仿射变换的原理不在这里赘述,变换前后满足平直性(变换前是直线变换后还是直线)和平行性(变换前平行的线变换后依旧平行),参考博文。在opencv中可以通过仿射变换来实现旋转,缩放,平移以及错切等一系列操作。仿射变换的矩阵乘法形式如下,其中 x , y x,y x,y是变换前的坐标, x ′ , y ′ {x}',{y}' x,y是变换后的坐标。其中 m 11 , m 12 , m 21 , m 22 m_{11},m_{12},m_{21},m_{22} m11,m12,m21,m22为线性变换参数, m 13 , m 23 m_{13},m_{23} m13,m23为平移参数。如果仿射矩阵是对角矩阵,相当于不做任何操作。看到公式不要怕,后面会针对具体示例进行解释
[ x ′ y ′ 1 ] = [ m 11    m 12    m 13 m 21    m 22    m 23 0        0        1 ] [ x y 1 ] \begin{bmatrix} {x}' \\ {y}'\\ 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} m_{11}\ \ m_{12}\ \ m_{13} \\ m_{21}\ \ m_{22}\ \ m_{23} \\ 0\ \ \ \ \ \ 0\ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x\\ y\\ 1 \end{bmatrix} xy1=m11  m12  m13m21  m22  m230      0      1xy1


旋转、平移与缩放

首先再次强调下图像处理中的坐标系,水平向右为x轴正方向,竖直向下为y轴正方向

对于图像的旋转,缩放,平移都可以直接通过使用opencv提供的getRotationMatrix2D方法来求得仿射矩阵,需要传入旋转中心center,旋转角度angle(逆时针为正),以及缩放因子scale,假设以图片中心为旋转中心,顺时针旋转30度(opencv里是以逆时针为正,所以angle=-30),并缩放0.5倍:

import cv2


img = cv2.imread("1.png")
h, w = img.shape[0], img.shape[1]
m = cv2.getRotationMatrix2D(center=(w // 2, h // 2), angle=-30, scale=0.5)
print(m)

得到的旋转矩阵参数如下:

[[0.433    -0.25     198.14]
 [0.25      0.433     16.25]]

接着使用opencv中的cv2.warpAffine的方法利用求得的仿射矩阵做仿射变换,其中src为原图像,M为仿射矩阵,dsize为输出图像的大小,borderValue为边界填充颜色(注意是BGR顺序, ( 0 , 0 , 0 ) (0,0,0) (0,0,0)代表黑色):

import cv2


img = cv2.imread("1.png")
h, w = img.shape[0], img.shape[1]
m = cv2.getRotationMatrix2D(center=(w // 2, h // 2), angle=-30, scale=0.5)
r_img = cv2.warpAffine(src=img, M=m, dsize=(w, h), borderValue=(0, 0, 0))
cv2.imshow("origin", img)
cv2.imshow("rotation_scale_trans", r_img)
cv2.waitKey(0)

如图,左边是原图,右边是旋转、缩放、平移后的图片(注意,旋转后如果有超出指定范围dsize的像素都会被截去)。

rotation

接着结合上面的仿射变换公式来讲(不想看理论的可以跳过)。其中 m 11 , m 12 , m 21 , m 22 m_{11},m_{12},m_{21},m_{22} m11,m12,m21,m22为线性变换参数(沿坐标原点旋转就是一个简单的线性变换), m 13 , m 23 m_{13},m_{23} m13,m23为平移参数(分别对应x轴方向平移和y轴方向平移)。
[ m 11    m 12    m 13 m 21    m 22    m 23 0        0        1 ] \begin{bmatrix} m_{11}\ \ m_{12}\ \ m_{13} \\ m_{21}\ \ m_{22}\ \ m_{23} \\ 0\ \ \ \ \ \ 0\ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} m11  m12  m13m21  m22  m230      0      1

上面的操作其实可以分解成三步,第一步沿坐标原点旋转,第二步缩放图片,第三步平移图片

在这里插入图片描述

对于第一步的原点旋转对应的仿射矩阵为(通过cv2.getRotationMatrix2D(center=(0, 0), angle=-30, scale=1.0)求得):
[ 0.866    − 0.5    0 0.5        0.866     0 0            0           1 ] \begin{bmatrix} 0.866\ \ -0.5\ \ 0 \\ 0.5\ \ \ \ \ \ 0.866\ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} 0.866  0.5  00.5      0.866   00          0         1
当然这里也可以直接使用旋转矩阵模板来计算,但需要注意的是模板里的旋转矩阵默认y轴是竖直向上的,但图像处理中y轴是竖直向下的,且都是以逆时针旋转为正,所以这里的 θ = 30 ° \theta=30\degree θ=30°
[ c o s ( θ )    − s i n ( θ )    0 s i n ( θ )        c o s ( θ )     0 0                0              1 ] \begin{bmatrix} cos(\theta)\ \ -sin(\theta)\ \ 0 \\ sin(\theta)\ \ \ \ \ \ cos(\theta)\ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} cos(θ)  sin(θ)  0sin(θ)      cos(θ)   00              0            1

对于第二步图片的缩放,直接使用如下缩放矩阵:
[ S x      0      0 0      S y      0 0      0      1 ] \begin{bmatrix} S_x\ \ \ \ 0 \ \ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ S_y\ \ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ 0\ \ \ \ 1 \end{bmatrix} Sx    0    00    Sy    00    0    1
假设要将图片缩放0.5倍,那么缩放矩阵为:
[ 0.5      0       0 0       0.5      0 0        0        1 ] \begin{bmatrix} 0.5\ \ \ \ 0 \ \ \ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ \ 0.5\ \ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ \ \ 0\ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} 0.5    0     00     0.5    00      0      1
将旋转和缩放结合起来就是(注意顺序),由于矩阵乘法满足结合律所以可以将两个仿射矩阵相乘:
[ x ′ y ′ 1 ] = [ 0.5      0       0 0       0.5      0 0        0        1 ] ( [ 0.866    − 0.5    0 0.5        0.866     0 0            0           1 ] [ x y 1 ] )   = [ 0.433    − 0.25    0 0.25        0.433     0 0             0            1 ] [ x y 1 ] \begin{bmatrix} {x}' \\ {y}'\\ 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0.5\ \ \ \ 0 \ \ \ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ \ 0.5\ \ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ \ \ 0\ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} \left ( \begin{bmatrix} 0.866\ \ -0.5\ \ 0 \\ 0.5\ \ \ \ \ \ 0.866\ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x\\ y\\ 1 \end{bmatrix} \right ) \\ \ \\ = \begin{bmatrix} 0.433\ \ -0.25\ \ 0 \\ 0.25\ \ \ \ \ \ 0.433\ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x\\ y\\ 1 \end{bmatrix} xy1=0.5    0     00     0.5    00      0      10.866  0.5  00.5      0.866   00          0         1xy1 =0.433  0.25  00.25      0.433   00           0          1xy1

对于第三步图片的平移,即将旋转、缩放后的图像中心移至原图像中心。这里示例中的图片 w = 564 , h = 307 w=564,h=307 w=564,h=307,故原图片中心点坐标是 ( 282 , 153 ) (282, 153) (282,153),旋转后的中心点坐标是 ( 83.86 , 136.75 ) (83.86, 136.75) (83.86,136.75)
[ 83.86 136.75 1 ] = [ 0.433    − 0.25    0 0.25        0.433     0 0             0            1 ] [ 282 153 1 ] \begin{bmatrix} 83.86 \\ 136.75\\ 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0.433\ \ -0.25\ \ 0 \\ 0.25\ \ \ \ \ \ 0.433\ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 282\\ 153\\ 1 \end{bmatrix} 83.86136.751=0.433  0.25  00.25      0.433   00           0          12821531

所以需要向x轴正方向平移 282 − 83.73 = 198.14 282-83.73=198.14 28283.73=198.14,向y轴正方向平移 153 − 136.75 = 16.25 153-136.75=16.25 153136.75=16.25,刚上面说了 m 13 , m 23 m_{13},m_{23} m13,m23为平移参数(分别对应x轴方向平移和y轴方向平移)所以 m 13 = 198.14 , m 23 = − 16.25 m_{13}=198.14, m_{23}=-16.25 m13=198.14,m23=16.25(在对角矩阵的基础上设置 m 13 , m 23 m_{13},m_{23} m13,m23即可)
[ 1      0       198.14 0      1        16.25 0      0               1 ] \begin{bmatrix} 1\ \ \ \ 0 \ \ \ \ \ 198.14 \\ 0\ \ \ \ 1\ \ \ \ \ \ 16.25 \\ 0\ \ \ \ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} 1    0     198.140    1      16.250    0             1
和旋转缩放后的仿射矩阵进一步结合起来:
[ x ′ y ′ 1 ] = [ 1      0       198.14 0      1        16.25 0      0               1 ] ( [ 0.433    − 0.25    0 0.25        0.433     0 0             0            1 ] [ x y 1 ] )   = [ 0.433    − 0.25    198.14 0.25        0.433     16.25 0             0            1 ] [ x y 1 ] \begin{bmatrix} {x}' \\ {y}'\\ 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1\ \ \ \ 0 \ \ \ \ \ 198.14 \\ 0\ \ \ \ 1\ \ \ \ \ \ 16.25 \\ 0\ \ \ \ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} \left ( \begin{bmatrix} 0.433\ \ -0.25\ \ 0 \\ 0.25\ \ \ \ \ \ 0.433\ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x\\ y\\ 1 \end{bmatrix} \right ) \\ \ \\ = \begin{bmatrix} 0.433\ \ -0.25\ \ 198.14 \\ 0.25\ \ \ \ \ \ 0.433\ \ \ 16.25 \\ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x\\ y\\ 1 \end{bmatrix} xy1=1    0     198.140    1      16.250    0             10.433  0.25  00.25      0.433   00           0          1xy1 =0.433  0.25  198.140.25      0.433   16.250           0          1xy1

这个矩阵刚好和前面使用opencv方法cv2.getRotationMatrix2D(center=(w // 2, h // 2), angle=-30, scale=0.5)得到的矩阵是一样的(前两行)。注意处理的顺序,先旋转,在缩放,最后平移(顺序不一样结果不同)。opencv中得到的矩阵是 2 × 3 2\times3 2×3的,我们自己刚刚算的是 3 × 3 3\times3 3×3的仿射矩阵,最后使用cv2.warpAffine时只用传入前两行就行了。这是使用 3 × 3 3\times3 3×3的矩阵是为了方便将多个仿射矩阵进行相乘操作。


错切

图像的错切变换实际上是平面景物在投影平面上的非垂直投影效果。图像错切变换也称为图像剪切、错位或错移变换,参考博文。一般错切分为横向错切,纵向错切,当然也可以两个方向同时进行错切。下图分别展示了沿x轴方向错切,y轴方向错切,以及同时沿x,y轴两个方向错切的效果。

在这里插入图片描述

在opencv中并没有直接针对错切生成仿射矩阵的方法,所以我们自己可以构建错切对应的仿射矩阵,然后利用cv2.warpAffine进行仿射变换即可。下面是错切对应的仿射矩阵,其中 θ \theta θ表示错切角度, t a n ( θ 1 ) tan(\theta_{1}) tan(θ1)是x轴方向的错切参数, t a n ( θ 2 ) tan(\theta_{2}) tan(θ2)是y轴方向的错切参数。
[ x ′ y ′ 1 ] = [ 1             t a n ( θ 1 )       0 t a n ( θ 2 )            1        0 0                     0        1 ] [ x y 1 ] \begin{bmatrix} {x}' \\ {y}'\\ 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ tan(\theta_{1}) \ \ \ \ \ 0 \\ tan(\theta_{2})\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 1\ \ \ \ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 0 \ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x\\ y\\ 1 \end{bmatrix} xy1=1           tan(θ1)     0tan(θ2)          1      00                   0      1xy1

假设要沿水平方向错切 30 ° 30\degree 30°,那么仿射矩阵为:
[ 1        0.577       0 0             1         0 0             0         1 ] \begin{bmatrix} 1\ \ \ \ \ \ 0.577 \ \ \ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 1\ \ \ \ \ \ \ 0 \\ 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 0 \ \ \ \ \ \ \ 1 \end{bmatrix} 1      0.577     00           1       00           0       1

import math
import cv2
import numpy as np


img = cv2.imread("1.png")
cv2.imshow("origin", img)
h, w = img.shape[0], img.shape[1]
origin_coord = np.array([[0, 0, 1], [w, 0, 1], [w, h, 1], [0, h, 1]])

theta = 30  # shear角度
tan = math.tan(math.radians(theta))

# x方向错切
m = np.eye(3)
m[0, 1] = tan
shear_coord = (m @ origin_coord.T).T.astype(np.int)
shear_img = cv2.warpAffine(src=img, M=m[:2],
                           dsize=(np.max(shear_coord[:, 0]), np.max(shear_coord[:, 1])),
                           borderValue=(0, 0, 0))
cv2.imshow("shear_x", shear_x)
cv2.waitKey(0)

猜你喜欢

转载自blog.csdn.net/qq_37541097/article/details/119420860
今日推荐