OPenCV CUDA模块光流------高效地执行光流估计的类BroxOpticalFlow

操作系统：ubuntu22.04
OpenCV版本：OpenCV4.9
IDE:Visual Studio Code
编程语言：C++11

算法描述

cv::cuda::BroxOpticalFlow 是 OpenCV CUDA 模块中实现Brox光流算法的类。该类用于在 GPU 上高效地计算两帧图像之间的稠密光流（Dense Optical Flow）。

什么是 Brox 光流？

Brox 光流算法是由 Thomas Brox 等人在 2004 年提出的一种基于变分法的稠密光流估计方法，它结合了：

亮度一致性约束（Brightness Constancy Constraint）
运动平滑性约束（Smoothness Constraint）
梯度一致性约束（Gradient Constancy Constraint）

这个算法在准确性和鲁棒性方面表现良好，尤其适用于小到中等运动的场景。

cv::cuda::BroxOpticalFlow 类概述

属性	描述
头文件	<opencv2/cudaoptflow.hpp>
命名空间	cv::cuda
继承自	cv::cuda::DenseOpticalFlow
用途	计算两个图像帧之间的稠密光流（每个像素都有一个运动向量）
GPU 加速	支持 CUDA GPU 加速

创建与初始化

创建对象

cv::Ptr<cv::cuda::BroxOpticalFlow> brox = cv::cuda::BroxOpticalFlow::create
(float alpha,float gamma,float scale_factor,int inner_iterations,int outer_iterations,int solver_iterations
);

参数说明：

参数名	类型	含义
alpha	float	控制光流平滑程度的正则化参数（越大越平滑）
gamma	float	控制梯度一致性的权重
scale_factor	float	图像金字塔缩放因子（通常为 0.5 表示每层缩小一半）
inner_iterations	int	内部迭代次数（求解线性系统）
outer_iterations	int	外部迭代次数（优化整体光流场）
solver_iterations	int	求解器每次迭代的次数（Jacobi 迭代次数）

使用流程

准备输入图像（必须是灰度图）

cv::Mat frame1_gray, frame2_gray;
cv::cvtColor(frame1, frame1_gray, cv::COLOR_BGR2GRAY);
cv::cvtColor(frame2, frame2_gray, cv::COLOR_BGR2GRAY);

转换为浮点格式并归一化（[0, 1] 区间）

cv::Mat frame1_32f, frame2_32f;
frame1_gray.convertTo(frame1_32f, CV_32F, 1.0 / 255.0);
frame2_gray.convertTo(frame2_32f, CV_32F, 1.0 / 255.0);

上传图像到 GPU

cv::cuda::GpuMat d_frame1, d_frame2;
d_frame1.upload(frame1_32f);
d_frame2.upload(frame2_32f);

初始化 BroxOpticalFlow 对象

cv::Ptr<cv::cuda::BroxOpticalFlow> brox = cv::cuda::BroxOpticalFlow::create(0.197f,   // alpha50.0f,    // gamma0.8f,     // scale_factor10,       // inner_iterations77,       // outer_iterations10        // solver_iterations
);

创建输出矩阵（类型为 CV_32FC2）

cv::cuda::GpuMat d_flow;  // 输出光流，每个像素是一个 (dx, dy) 向量

执行光流计算

brox->calc(d_frame1, d_frame2, d_flow);

分离 flow_x 和 flow_y（可选）

std::vector<cv::cuda::GpuMat> flow_parts(2);
cv::split(d_flow, flow_parts);  // flow_parts[0] = dx, flow_parts[1] = dy

下载结果到 CPU（显示或保存用）

cv::Mat host_flowx, host_flowy;
flow_parts[0].download(host_flowx);
flow_parts[1].download(host_flowy);

代码示例

#include <opencv2/cudaimgproc.hpp>  // for split
#include <opencv2/cudaoptflow.hpp>  // for BroxOpticalFlow
#include <opencv2/opencv.hpp>       // core OpenCVusing namespace cv;
using namespace cv::cuda;int main()
{// Step 1: 加载图像std::string path1 = "/media/dingxin/data/study/OpenCV/sources/images/frame1.png";std::string path2 = "/media/dingxin/data/study/OpenCV/sources/images/frame2.png";Mat frame1 = imread(path1, IMREAD_GRAYSCALE);Mat frame2 = imread(path2, IMREAD_GRAYSCALE);if (frame1.empty() || frame2.empty()){std::cerr << "无法加载图像！路径：" << path1 << " 或 " << path2 << std::endl;return -1;}// Step 2: 转换为浮点格式 CV_32FC1 并归一化到 [0,1]Mat frame1_32f, frame2_32f;frame1.convertTo(frame1_32f, CV_32F, 1.0 / 255.0);frame2.convertTo(frame2_32f, CV_32F, 1.0 / 255.0);// Step 3: 上传到 GPUGpuMat d_frame1, d_frame2;d_frame1.upload(frame1_32f);d_frame2.upload(frame2_32f);// Step 4: 创建 BroxOpticalFlow 对象Ptr<BroxOpticalFlow> brox = BroxOpticalFlow::create();// Step 5: 创建输出矩阵（CV_32FC2 类型）GpuMat d_flow;// Step 6: 执行光流计算brox->calc(d_frame1, d_frame2, d_flow);// Step 7: 下载光流结果到CPUMat host_flow;d_flow.download(host_flow);  // 先下载到CPU// Step 8: 分离 flow_x 和 flow_y (在CPU上进行)std::vector<Mat> flow_parts(2);split(host_flow, flow_parts);  // 现在使用的是CPU上的cv::splitMat host_flowx = flow_parts[0];Mat host_flowy = flow_parts[1];// Step 9: 归一化显示Mat flowx_show, flowy_show;normalize(host_flowx, flowx_show, 0, 1, NORM_MINMAX, CV_32F);normalize(host_flowy, flowy_show, 0, 1, NORM_MINMAX, CV_32F);imshow("Flow X", flowx_show);imshow("Flow Y", flowy_show);// Step 10: 合成彩色光流图（HSV 表示方向和强度）Mat mag, ang;cartToPolar(host_flowx, host_flowy, mag, ang, true);  // 计算 magnitude & angleMat hsv_channels[3];hsv_channels[0] = ang;                              // Hue 表示方向hsv_channels[1] = Mat::ones(ang.size(), CV_32F);    // Saturation 固定最大hsv_channels[2] = mag;                              // Value 表示运动强度Mat hsv_merged, bgr_out;merge(hsv_channels, 3, hsv_merged);                    // 合并通道hsv_merged.convertTo(hsv_merged, CV_8U, 255);          // 转换为 0~255cv::cvtColor(hsv_merged, bgr_out, cv::COLOR_HSV2BGR);  // 显式使用 CPU 版本imshow("Optical Flow Color Map", bgr_out);waitKey(0);  // 等待按键关闭窗口return 0;
}