利用python进行识别相似图片(一)

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文章简介

在网上看到python做图像识别的相关文章后,真心感觉python的功能实在太强大,因此将这些文章总结一下,建立一下自己的知识体系。
当然了,图像识别这个话题作为计算机科学的一个分支,不可能就在本文简单几句就说清,所以本文只作基本算法的科普向

如有错误,请多包涵和多多指教。

参考的文章和图片来源会在底部一一列出。

以及本篇文章所用的代码都会在底下给出github地址。

安装相关库

python用作图像处理的相关库主要有openCV(C++编写,提供了python语言的接口),PIL,但由于PIL很早就停了,所以不支持python3.x,所以建议使用基于PIL的pillow,本文也是在python3.4和pillow的环境下进行实验。

pillow下载地址
PIL的下载地址
openCV的官网

至于opencv,在做人脸识别的时候会用到,但本文不会涉及到,在本专栏的后续中会谈及openCV的人脸识别和基于此的python图片爬虫,有兴趣的朋友可以关注本专栏。

相关背景

要识别两张相似图像,我们从感性上来谈是怎么样的一个过程?首先我们会区分这两张相片的类型,例如是风景照,还是人物照。风景照中,是沙漠还是海洋,人物照中,两个人是不是都是国字脸,还是瓜子脸(还是倒瓜子脸……哈哈……)。

那么从机器的角度来说也是这样的,先识别图像的特征,然后再相比。

很显然,在没有经过训练的计算机(即建立模型),那么计算机很难区分什么是海洋,什么是沙漠。但是计算机很容易识别到图像的像素值。

因此,在图像识别中,颜色特征是最为常用的。(其余常用的特征还有纹理特征形状特征空间关系特征等)

其中又分为

  • 直方图

  • 颜色集

  • 颜色矩

  • 聚合向量

  • 相关图

直方图计算法

这里先用直方图进行简单讲述。

先借用一下恋花蝶的图片,
图片1
图片2

从肉眼来看,这两张图片大概也有八成是相似的了。

在python中可以依靠Image对象的histogram()方法获取其直方图数据,但这个方法返回的结果是一个列表,如果想得到下图可视化数据,需要另外使用 matplotlib,这里因为主要介绍算法思路,matplotlib的使用这里不做介绍。

直方图

是的,我们可以明显的发现,两张图片的直方图是近似重合的。所以利用直方图判断两张图片的是否相似的方法就是,计算其直方图的重合程度即可。

计算方法如下:

计算公式

其中gi和si是分别指两条曲线的第i个点。

最后计算得出的结果就是就是其相似程度。

不过,这种方法有一个明显的弱点,就是他是按照颜色的全局分布来看的,无法描述颜色的局部分布和色彩所处的位置。

也就是假如一张图片以蓝色为主,内容是一片蓝天,而另外一张图片也是蓝色为主,但是内容却是妹子穿了蓝色裙子,那么这个算法也很可能认为这两张图片的相似的。

缓解这个弱点有一个方法就是利用Imagecrop方法把图片等分,然后再分别计算其相似度,最后综合考虑。

图像指纹与汉明距离

在介绍下面其他判别相似度的方法前,先补充一些概念。第一个就是图像指纹

图像指纹和人的指纹一样,是身份的象征,而图像指纹简单点来讲,就是将图像按照一定的哈希算法,经过运算后得出的一组二进制数字。

说到这里,就可以顺带引出汉明距离的概念了。

假如一组二进制数据为101,另外一组为111,那么显然把第一组的第二位数据0改成1就可以变成第二组数据111,所以两组数据的汉明距离就为1

简单点说,汉明距离就是一组二进制数据变成另一组数据所需的步骤数,显然,这个数值可以衡量两张图片的差异,汉明距离越小,则代表相似度越高。汉明距离为0,即代表两张图片完全一样。

如何计算得到汉明距离,请看下面三种哈希算法

平均哈希法(aHash)

此算法是基于比较灰度图每个像素与平均值来实现的

一般步骤

  • 1.缩放图片,可利用Image对象的resize(size)改变,一般大小为8*8,64个像素值。

  • 2.转化为灰度图
    转灰度图的算法。

    • 1.浮点算法:Gray=Rx0.3+Gx0.59+Bx0.11

    • 2.整数方法:Gray=(Rx30+Gx59+Bx11)/100

    • 3.移位方法:Gray =(Rx76+Gx151+Bx28)>>8;

    • 4.平均值法:Gray=(R+G+B)/3;

    • 5.仅取绿色:Gray=G;

python中,可用Image的对象的方法convert('L')直接转换为灰度图

  • 3.计算平均值:计算进行灰度处理后图片的所有像素点的平均值。

  • 4.比较像素灰度值:遍历灰度图片每一个像素,如果大于平均值记录为1,否则为0.

  • 5.得到信息指纹:组合64个bit位,顺序随意保持一致性。

最后比对两张图片的指纹,获得汉明距离即可。

感知哈希算法(pHash)

平均哈希算法过于严格,不够精确,更适合搜索缩略图,为了获得更精确的结果可以选择感知哈希算法,它采用的是DCT(离散余弦变换)来降低频率的方法

一般步骤:

  • 缩小图片:32 * 32是一个较好的大小,这样方便DCT计算

  • 转化为灰度图:把缩放后的图片转化为256阶的灰度图。(具体算法见平均哈希算法步骤)

  • 计算DCT:DCT把图片分离成分率的集合

  • 缩小DCT:DCT计算后的矩阵是32 * 32,保留左上角的8 * 8,这些代表的图片的最低频率

  • 计算平均值:计算缩小DCT后的所有像素点的平均值。

  • 进一步减小DCT:大于平均值记录为1,反之记录为0.

  • 得到信息指纹:组合64个信息位,顺序随意保持一致性。

最后比对两张图片的指纹,获得汉明距离即可。

这里给出别人的DCT的介绍和计算方法(离散余弦变换的方法)

DCT的维基百科
luoweifu的博客

dHash算法

相比pHash,dHash的速度要快的多,相比aHash,dHash在效率几乎相同的情况下的效果要更好,它是基于渐变实现的。

步骤:

  • 缩小图片:收缩到9*8的大小,以便它有72的像素点

  • 转化为灰度图:把缩放后的图片转化为256阶的灰度图。(具体算法见平均哈希算法步骤)

  • 计算差异值:dHash算法工作在相邻像素之间,这样每行9个像素之间产生了8个不同的差异,一共8行,则产生了64个差异值

  • 获得指纹:如果左边的像素比右边的更亮,则记录为1,否则为0.
    最后比对两张图片的指纹,获得汉明距离即可。

总结

这几种算法是识别相似图像的基础,显然,有时两图中的人相似比整体的颜色相似更重要,所以我们有时需要进行人脸识别,
然后在脸部区进行局部哈希,或者进行其他的预处理再进行哈希,这里涉及其他知识本文不作介绍。

下一次将讲述利用opencv和以训练好的模型来进行人脸识别。

本文算法的实现在下面,点一下下面的连接就好

我的github仓库

各位亲,走过路过给一个star鼓励一下呗,当然也欢迎提意见。

本文参考文章和图片来源

wbj0110的文章
赖勇浩的文章

下一篇地址
利用python进行识别相似图片(二)

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11 条评论
肥肥的兔子 作者 · 2016年02月26日

我查看了一下文档和做了一下实验,和你说的没错,github的代码已经修改

+2 回复

dawncold · 2016年02月23日

pillow下载地址的链接漏了个冒号

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肥肥的兔子 作者 · 2016年02月23日

已改

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csrgxtu · 2016年02月24日

文章很简单明了,请问你的后续文章在哪里,就是这个主题的,我想继续阅读。

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肥肥的兔子 作者 · 2016年02月24日

因为我自己也还在学习整理,所以后续文章仍未更新,你可以关注我的专栏。

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zhengw · 2016年02月25日

dHash部分有几个疑问。

  1. “缩小图片:收缩到9*8的大小,一遍它有72的像素点”,里的“一遍”是否是“以便”?

  2. “如果左边的像素比右边的更亮”,但看了一下源码,也是对y进行比较,是否应改为 “如果下方的像素比上方的更亮”?

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肥肥的兔子 作者 · 2016年02月25日

第一个问题,为了偷懒是直接复制了参考文章的内容(参考文章地址在本文结束的部分已给出),所以没有留意,已经改正。第二个问题,二维数组arrayx,x代表的是行,从上到下,y代表列,从左到右,你可能与数学坐标上的xy弄混了。

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zhengw · 2016年02月26日

感谢楼主的回复,对于第二个问题我想再坚持一下。
如果用numpy/scipy把图片读取成为一个矩阵时,的确是像你说的先行后列的关系。
但PIL中似乎并不是这样,就是坐标。
如果在dHash.getCode中加入print(len(result))会看到,得到的Hash值只有63位。
文章里写得是对的,但你的代码里可能有点小问题。

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zhengw · 2016年02月26日

刚刚查了一下文档
里面提到了(x,y)是定义在直角坐标系下的,而800x600的图片的的右下角是(800,600)。
因此这里应该不是二维数组的关系。
我是初学,对我自己说的也不太有把握,在这和楼主一起探讨一下。

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超自然祈祷 · 2018年08月01日

博主,我用你的一些算法做成了一个文件夹内识图的exe,可以试试看~
度盘链接https://pan.baidu.com/s/1BSFG...

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之前版本可能打不开,重新打包:https://pan.baidu.com/s/11Vp0...

超自然祈祷 · 2018年10月22日
载入中...