OpenCV Matlab生成視頻倒放功能

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引言

相信不少朋友在各大短視頻平臺看到很多運動健身達人的訓練視頻，本人比較喜歡的運動達人有搬磚小偉、大師兄歐克等，街頭徒手健身實則美妙，既能考驗人的意志 ，又能強健體魄。不得不說，運動（UFC競技、武術、拳擊）和藝術（書法、繪畫、歌曲、舞蹈）著實能給人帶來直觀的真實體驗，也能激發自身的運動潛力，對於經常久坐從事腦力運動的人，他們的閑暇時間除瞭關註科技、軍事、生活娛樂，還應該接受藝術和體育的熏陶，適當地進行體力勞動也是長壽的秘訣，有利於個人和社會的可持續發展。每天鍛煉一小時，健康工作五十年，幸福生活一輩子！！！

1、需求分析

互聯網上海量的文本（plain text）、圖片(picture or image)、聲音(audio)、視頻(video)等文件大量湧入，層出不窮，這些數據在網絡上存儲、傳輸和下載，各種硬件設備、傳感器技術的發展使得數據獲取方式變得越來越多樣化。這裡關註視頻文件，視頻是由一系列連續的幀按照時間順序組合排列而形成的，因此它的本質還是一個又一個幀，一個幀就是一個畫面，一個畫面就是一張圖片，因此連續流暢的視頻需要保證每秒的幀數大於等於24，而對於經常玩大型網絡三維遊戲（如吃雞PLAYERUNKNOWN'S BATTLEGROUNDS、CSGO、CF）的玩傢而言，他們可能對這個更有瞭解，就是遊戲實時畫面都會顯示當前幀率FPS（Frame Per Second，每秒的幀數），更高的幀率（普通電腦60以上，遊戲本150~220，發燒本可能達到300）能給高端玩傢帶來精致的遊戲體驗。因此視頻處理的本質源於對各張圖片（每幀畫面）的處理。
與此對應，視頻倒放的核心思想就是將原始視頻中的圖片倒序，主要分為兩個步驟：
（1）獲取原始視頻的每一幀圖片以從小到大的序號命名後保存到本地；
（2）將所有圖片按照從大到小的順序，設置與原始視頻同樣或自定義的幀率FPS，寫入視頻。

2、環境配置（Win11+ VS 2015 + OpenCV 2.4.9 / Matlab R2021a）

Win 11 64位

Visual Studio 2015

OpenCV 2.4.9

Matlab R2021a

3、OpenCV實現視頻倒放(C++)

3.1 輸入原始視頻（帶聲音）

原始視頻文件VID_20210801_205259.mp4展示瞭我國短跑飛人蘇炳添在2020東京奧運會男子100米半決賽中以9.83秒刷新亞洲紀錄，一站封神，他創造瞭亞洲人百米賽跑的記錄，成為瞭首位跑進10秒大關的亞洲本土選手、首位踏上世界大賽百米飛人大戰決賽的亞洲選手、亞洲紀錄保持者。身高1米72的蘇神在百米賽道上要比博爾特多跑7步，因此他隻有付出比別人更多的努力，才能和其他選手站到同一起跑線上。讓我們向蘇神致敬，向蘇神學習，功夫不負有心人，勇敢拼搏無極限，不設限的人生更精彩！！！

3.2 原始視頻轉聲音（mp4轉mp3）

不少帶聲音視頻的後綴名往往都是.mp4，那麼如何獲取裡面的音頻呢？其實有一種簡單取巧的方法，隻需將mp4視頻文件的後綴名.mp4改為mp3音頻文件的後綴名.mp3就可以瞭，實測證明該辦法具有一定的有效性。

3.3 OpenCV代碼

#include<iostream>
#include<opencv2/opencv.hpp>

using namespace std;
using namespace cv;

string GetFileNameString(string inputfilename)
{
	string s = "";
	int length = 0;
	while (inputfilename[length] != '\0')
	{
		length++;
	}
	for (length = length - 1; length >= 0; length--)
	{
		if (inputfilename[length] == '\\')
			break;
	}
	while (inputfilename[++length] != '\0')
	{
		if (inputfilename[length] != '.')
			s += inputfilename[length];
		else
			break;
	}
	return s;
}

string GetFolderString(string inputfilename)//Obtain Path in FileNameWithPathString
{
	string s = "";
	int length = 0;
	while (inputfilename[length] != '\0')
	{
		length++;
	}
	for (length = length-1; length >= 0; length--)
	{
		if (inputfilename[length] == '\\')
			break;
	}
	for (int i = 0; i <= length; i++)
		s += inputfilename[i];
	return s;
}

string Replace_folder(string inputfilename) // replace \\ to /
{
	string s = "";
	int length = 0;
	bool flag = true;
	while (inputfilename[length] != '\0')
	{
		if (inputfilename[length] != '\\')
		{
			s += inputfilename[length];
		}
		else
		{
			s += '/';
		}
		length++;
	}
	return s;
}

int main()
{
	string inputVideofilename = "F:\\Users\\VID_20210801_205259.mp4";
	string videopath = GetFolderString(inputVideofilename);
	string picspath = videopath + ("pics_" + GetFileNameString(inputVideofilename));
	string command = "mkdir " + picspath;
	system(command.c_str());//Create the folder which is named pics in current folder
	string picfolder = Replace_folder(picspath) + "/", suffixname = ".jpg";
	cout << "圖片和視頻保存位置為："+picfolder << endl;
	VideoCapture inputVideo(inputVideofilename);//Obtain input video
	if (!inputVideo.isOpened())
	{
		cout << "Could not open the input video." << inputVideofilename << endl;
		return -1;
	}
	else
	{
		double width = inputVideo.get(CV_CAP_PROP_FRAME_WIDTH);  // width of frame
		double height = inputVideo.get(CV_CAP_PROP_FRAME_HEIGHT); //height of frame
		double frameRate = inputVideo.get(CV_CAP_PROP_FPS);  //frame per second
		double totalFrames = inputVideo.get(CV_CAP_PROP_FRAME_COUNT); //total number of frames

		cout << "視頻寬度=" << width << endl;
		cout << "視頻高度=" << height << endl;
		cout << "視頻總幀數=" << totalFrames << endl;
		cout << "幀率=" << frameRate << endl;

		namedWindow("RGB視頻", CV_WINDOW_NORMAL);
		namedWindow("B通道", CV_WINDOW_NORMAL);
		namedWindow("G通道", CV_WINDOW_NORMAL);
		namedWindow("R通道", CV_WINDOW_NORMAL);
		namedWindow("被Canny後的視頻", CV_WINDOW_NORMAL);
		Mat lastframe;
		int i = 0;
		while (1)
		{
			Mat frame;// 定義一個Mat變量，用於存儲每一幀的圖像
			inputVideo >> frame;//讀取當前幀
			if (frame.data)
			{
				i++;
				int num_channels = frame.channels();//通道數
				Mat channels[3];
				split(frame, channels);
				Mat zeroRChannel = channels[2].clone();//將R通道全部置0
				zeroRChannel.setTo(0);
				Mat zeroGChannel = channels[1].clone();//將G通道全部置0
				zeroGChannel.setTo(0);
				Mat zeroBChannel = channels[0].clone();//將B通道全部置0
				zeroBChannel.setTo(0);

				Mat BChannels[3] = { channels[0] , zeroGChannel , zeroRChannel };
				Mat mergedBImage;
				merge(BChannels, 3, mergedBImage);

				Mat GChannels[3] = { zeroBChannel , channels[1] , zeroRChannel };
				Mat mergedGImage;
				merge(GChannels, 3, mergedGImage);
				
				Mat RChannels[3] = { zeroBChannel , zeroGChannel , channels[2] };
				Mat mergedRImage;
				merge(RChannels, 3, mergedRImage);

				Mat edges;
				cvtColor(frame, edges, COLOR_BGR2GRAY);
				blur(edges, edges, Size(5, 5));
				Canny(edges, edges, 0, 30, 3);
				imshow("RGB視頻", frame);//顯示當前幀
				imshow("B通道", mergedBImage);
				imshow("G通道", mergedGImage);
				imshow("R通道", mergedRImage);
				imshow("被Canny後的視頻", edges);//顯示經過處理後的當前幀
				imwrite(picfolder + to_string(i) + suffixname, frame);
			}
			else
				break;
			waitKey(2);
		}
		cout << i << "張圖片生成成功，開始逆序合成視頻！" << endl;
		Mat frame;
		Mat src0 = imread(picfolder + to_string(i) + suffixname);
		Size size = src0.size();
		VideoWriter writer;
		writer.open(Replace_folder(videopath) + GetFileNameString(inputVideofilename)+"_NiZhuan.avi", CV_FOURCC('M', 'J', 'P', 'G'), frameRate, size, true);
		int j = i;
		for (; j >0; j--)
		{
			string path = picfolder + to_string(j) + suffixname;
			Mat src = imread(path);
			if (!src.empty())
			{
				writer.write(src);
				cout << "正在合成第" << j << "張照片" << endl;
			}
			else
				break;
		}
		if (j == 0)
			std::cout << "合成逆序視頻    Successed!" << std::endl;
		else
			std::cout << "合成逆序視頻    Failed!" << std::endl;
		return 0;
	}
}

3.4 OpenCV運行結果

（a）前20米

（b）後80米

（c）開始讀取視頻

（d）讀取視頻結束

（e）結果文件

（f）圖片文件夾

代碼支持mp4、wmv格式的輸入視頻，在原始視頻文件夾中會看到生成的視頻文件結果VID_20210801_205259_NiZhuan.avi，將avi後綴名改為mp4後綴名也可播放。

4、Matlab實現視頻倒放

首先介紹一個Matlab生成動態視頻示例：

Z = peaks;
surf(Z); 
axis tight manual 
set(gca,'nextplot','replacechildren'); 
v = VideoWriter('peaks.avi');
v.Quality = 95;
v.FrameRate = 40;
open(v);
for k = 1:200 
   surf(sin(2*pi*k/20)*Z,Z)
   frame = getframe(gcf);
   writeVideo(v,frame);
end
close(v);

4.1 Matlab代碼

4.1.1 Matlab讀取視頻並播放（三選一）

vidObj = VideoReader('1234.wmv');
vidWidth = vidObj.Width;
vidHeight = vidObj.Height;
vidFps = vidObj.FrameRate;
% 第一種播放方式
while hasFrame(vidObj)
    vidFrame = readFrame(vidObj);
    imshow(vidFrame)
    pause(1/vidObj.FrameRate);
end
% 第二種播放方式
currAxes = axes;
while hasFrame(vidObj)
    vidFrame = readFrame(vidObj);
    image(vidFrame, 'Parent', currAxes);
    currAxes.Visible = 'off';
    pause(1/vidFps);
end
% 第三種播放方式(推薦使用）
mov = struct('cdata',zeros(vidHeight,vidWidth,3,'uint8'),'colormap',[]);
vidObj.CurrentTime = 2.5; % 可設置開始時間
k = 1;
while hasFrame(vidObj)
    mov(k).cdata = readFrame(vidObj);
    imwrite(mov(k).cdata,['pics/', num2str(k),'.jpg']);
    k = k+1;
end
hf = figure;
set(hf,'position',[90 60 vidWidth vidHeight]);
movie(hf,mov,1,vidFps);

4.1.2 Matlab讀取視頻並逆轉

需要在原視頻文件夾新建一個pics文件夾，然後運行以下代碼(實測適用於.mp4和.wmv格式的輸入視頻文件)：
VideoProcessTest.m

filepath = 'D:/Program Files (x86)/MATLAB/myworkspace/';
filename = 'VID_20210801_205259';
suffixname = '.mp4';
vidObj = VideoReader([filepath,filename,suffixname]);
vidWidth = vidObj.Width;
vidHeight = vidObj.Height;
vidFps = vidObj.FrameRate;
% vidObj.CurrentTime = 2.5; % 可設置開始時間
k = 1;
while hasFrame(vidObj)
    frame = readFrame(vidObj);
    imwrite(frame,['pics/', num2str(k),'.jpg']);
    k = k+1;
end

v_all = VideoWriter([filepath,filename,'_NiZhuanMovie_ALL.avi']);
v_all.Quality = 95;
v_all.FrameRate = vidFps;
open(v_all);

v_rgb = VideoWriter([filepath,filename,'_NiZhuanMovie_RGB.avi']);
v_rgb.Quality = 95;
v_rgb.FrameRate = vidFps;
open(v_rgb);

v_r = VideoWriter([filepath,filename,'_NiZhuanMovie_R.avi']);
v_r.Quality = 95;
v_r.FrameRate = vidFps;
open(v_r);
v_g = VideoWriter([filepath,filename,'_NiZhuanMovie_G.avi']);
v_g.Quality = 95;
v_g.FrameRate = vidFps;
open(v_g);

v_b = VideoWriter([filepath,filename,'_NiZhuanMovie_B.avi']);
v_b.Quality = 95;
v_b.FrameRate = vidFps;
open(v_b);

set(gca,'nextplot','replacechildren'); 
for i = k-1:-1:1
    filename = ['D:/Program Files (x86)/MATLAB/myworkspace/pics/', num2str(i),'.jpg'];
    img = imread(filename);
    [m,n]=size(img(:,:,1));
    zero=zeros(m,n);
    rgb_r=img(:,:,1);
    rgb_g=img(:,:,2);
    rgb_b=img(:,:,3);
    R_img=cat(3,rgb_r,zero,zero);
    G_img=cat(3,zero,rgb_g,zero);
    B_img=cat(3,zero,zero,rgb_b);
    RGB_img=cat(3,rgb_r,rgb_g,rgb_b);
    subplot(2,2,1),imshow(R_img),title('紅色分量');
    subplot(2,2,2),imshow(G_img),title('綠色分量');
    subplot(2,2,3),imshow(B_img),title('藍色分量');
    subplot(2,2,4),imshow(RGB_img);
    frame = getframe(gcf);
    imwrite(frame.cdata,['./pics/ALL',num2str(i),'.jpg']);
    imwrite(RGB_img,['./pics/RGB',num2str(i),'.jpg']);
    imwrite(R_img,['./pics/R',num2str(i),'.jpg']);
    imwrite(G_img,['./pics/G',num2str(i),'.jpg']);
    imwrite(B_img,['./pics/B',num2str(i),'.jpg']);
    writeVideo(v_all,frame.cdata);
    writeVideo(v_rgb,RGB_img);
    writeVideo(v_r,R_img);
    writeVideo(v_g,G_img);
    writeVideo(v_b,B_img);
end
close(v_all);
close(v_rgb);
close(v_r);
close(v_g);
close(v_b);

4.2 Matlab運行結果


R分量

G分量

B分量

RGB視頻

5、總結及應用

本文主要通過利用OpenCV和Matlab兩種工具來實現視頻中圖片R、G、B三分量的提取、保存和逆轉，同時視頻加工本質是對圖片幀的處理，利用這兩種圖像處理API還可實現視頻截取（通過幀率fps和時間計算所需的幀並拼接成視頻）、多張圖片合成自定義視頻、多個視頻拼接、分類、目標提取追蹤、特征檢測、視頻邊緣檢測、添加字幕等功能，可應用於短視頻剪輯、創作、應用系統演示、錄課、科研、公共安全等多個領域。

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