動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)在智能監(jiān)控中的應(yīng)用研究

孫丕波，周利江

（1. 青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，青島 266100；2. 青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心， 青島 266071）

0 引言

隨著數(shù)字視頻技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，安防行業(yè)正經(jīng)歷著“二次革命”的革新。通過(guò)技術(shù)開(kāi)發(fā)手段逐步完善智能監(jiān)控系統(tǒng)已成為本行業(yè)的熱點(diǎn)。尤其是最新的智能化監(jiān)控中出現(xiàn)了“防御層”的概念，使被動(dòng)式防范轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)式防范成為可能。目前按照我國(guó)市場(chǎng)的要求，進(jìn)一步改進(jìn)視頻智能化技術(shù)，整合視頻監(jiān)控設(shè)備和報(bào)警設(shè)備，提高監(jiān)控錄像的效率，提高報(bào)警的有效性，降低設(shè)備復(fù)雜度，降低誤報(bào)漏報(bào)等問(wèn)題迫在眉睫。本文就監(jiān)控視頻的智能識(shí)別引入一種基于背景模板的視頻動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)一步提高了視頻檢測(cè)的識(shí)別效率。

1 視頻檢測(cè)的特點(diǎn)

安防系統(tǒng)中，視頻動(dòng)態(tài)檢測(cè)實(shí)際上是一種視頻報(bào)警手段，只需系統(tǒng)在硬件或軟件上進(jìn)行支持，不需增加任何附加設(shè)備，當(dāng)有活動(dòng)目標(biāo)侵入攝像機(jī)所監(jiān)視的區(qū)域，系統(tǒng)的視頻動(dòng)態(tài)檢測(cè)單元便會(huì)感知視頻信號(hào)的變化，并啟動(dòng)數(shù)字單元對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行錄像和高清拍攝，同時(shí)通過(guò)輸出控制單元啟動(dòng)報(bào)警關(guān)聯(lián)設(shè)備。

因此，視頻檢測(cè)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

1）每一個(gè)視頻通道都可獨(dú)立設(shè)置動(dòng)態(tài)檢測(cè)區(qū)域和靈敏度；

2）可根據(jù)環(huán)境情況對(duì)檢測(cè)靈敏度進(jìn)行靈活設(shè)置；

3）不需增加附加報(bào)警設(shè)備，有較高抗干擾性能；

4）產(chǎn)生報(bào)警后可對(duì)音視頻信號(hào)跟蹤記錄，且跟蹤時(shí)間靈活可調(diào)；

5）采用視頻動(dòng)態(tài)檢測(cè)機(jī)制可有效地節(jié)約硬盤(pán)存儲(chǔ)空間，延長(zhǎng)系統(tǒng)的錄像時(shí)間；

6）可以聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)監(jiān)控拍照系統(tǒng)自動(dòng)拍攝清晰圖像照片，提高監(jiān)控效力；

7）可以對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、管理、查閱和打印，且可為其他關(guān)聯(lián)設(shè)備提供控制接口。

2 視頻檢測(cè)的一般原理

傳統(tǒng)的智能安防系統(tǒng)的視頻動(dòng)態(tài)檢測(cè)是根據(jù)圖像的內(nèi)容在視頻顯示區(qū)域內(nèi)設(shè)定若干個(gè)矩形的隱形檢測(cè)區(qū)域，當(dāng)視頻監(jiān)視的現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生異常情況時(shí)，會(huì)使檢測(cè)區(qū)域內(nèi)圖像的亮度、對(duì)比度及圖像的內(nèi)容（即視頻信號(hào)的幅度）發(fā)生變化，當(dāng)這一變化超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值（靈敏度）時(shí)，即產(chǎn)生報(bào)警。

數(shù)字硬盤(pán)錄像系統(tǒng)的視頻動(dòng)態(tài)檢測(cè)單元的機(jī)理是直接對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行取樣與常態(tài)數(shù)據(jù)比較，當(dāng)比較結(jié)果超過(guò)閾值時(shí)，就產(chǎn)生報(bào)警。

后來(lái)又出現(xiàn)了基于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)，如差值法，這種方法的缺點(diǎn)是：兩幅圖像相減得到的是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的部分輪廓或是變粗的輪廓，因此提取出的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)失真大；并且在監(jiān)控環(huán)境復(fù)雜，特別是一天當(dāng)中光照條件多變的現(xiàn)實(shí)情況下，效果并不理想。如果能將這個(gè)缺點(diǎn)克服，應(yīng)該能很好地從運(yùn)動(dòng)圖像序列中提取出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

本文結(jié)合安防監(jiān)控通常用于靜態(tài)背景或者背景變化不大的室內(nèi)環(huán)境的特點(diǎn)，提出了一種基于背景模板的視頻動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)算法。這種算法的關(guān)鍵有：1）背景模板的獲取；2）運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的析取；3）目標(biāo)跟蹤。

3 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 背景模板的獲取

在檢測(cè)到有運(yùn)動(dòng)發(fā)生(目標(biāo)出現(xiàn)或移動(dòng))前，通過(guò)記錄連續(xù)幾幀圖像的變化情況，獲取背景模板，供運(yùn)動(dòng)目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)進(jìn)行目標(biāo)析取。

首先通過(guò)比較前后幀的基本圖像的差值判斷是否為準(zhǔn)模板，如果滿足條件，后一幀圖像判定為準(zhǔn)模板并保存到存儲(chǔ)器備用。對(duì)于檢測(cè)圖像序列f(x ，y，t)，準(zhǔn)模板的判定條件：

接下來(lái)，通過(guò)比較前后準(zhǔn)模板的差值（二次差值）判斷是否為背景模板，如果滿足條件，后一個(gè)準(zhǔn)模板判定為背景模板，判定條件類似準(zhǔn)模板的判定。

最少三幀基本圖像可以判定兩個(gè)準(zhǔn)模板，一個(gè)背景模板，如果攝像機(jī)幀頻較高，可以每隔一幀取一幀基本圖像。

3.2 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的析取

利用當(dāng)前運(yùn)動(dòng)幀與背景模板幀間差分算法檢測(cè)視頻中的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，可以將圖像中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)從背景中分割出來(lái)，得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)候選區(qū)域。其算法的主要思想是計(jì)算出兩幀圖像中每一點(diǎn)的視頻差（灰度差值），然后通過(guò)設(shè)定一個(gè)閾值判斷哪些像素點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。該算法可以描述為：

式中Δt為處理幀的時(shí)間間隔；f(x，y，t)和f(x，y，t-Δt)分別為時(shí)刻t和t-Δt的連續(xù)兩幀圖像，如果兩幀圖像對(duì)應(yīng)像素灰度的絕對(duì)差值大于閾值，則表明該像素是運(yùn)動(dòng)點(diǎn)，將其值置1；否則為非運(yùn)動(dòng)點(diǎn)，將其值置0。

如果采用連續(xù)2幀序列圖像與背景模板幀進(jìn)行分別差分，計(jì)算圖像序列中連續(xù)2幀圖像f(x，y，t)和f(x，y，t+Δt)的圖像灰度與模板幀的絕對(duì)差分圖像，然后把差分結(jié)果進(jìn)行疊加，可以進(jìn)一步提高算法的可靠性。

對(duì)上式得到的兩幅二值圖像D(x，y，t)和D(x，y，t+Δt)，按照對(duì)應(yīng)像素進(jìn)行運(yùn)算，這種方法可以更精確地提取運(yùn)動(dòng)區(qū)域。

運(yùn)動(dòng)區(qū)域提取結(jié)果如圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)區(qū)域提取

圖2 系統(tǒng)原理構(gòu)成方框圖

3.3 目標(biāo)跟蹤

目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)有其空間連續(xù)性和規(guī)律性，通過(guò)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)可以大大提高拍照系統(tǒng)的工作效率，提高拍照有效性。針對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用要求，為了實(shí)時(shí)地跟蹤目標(biāo)，本文運(yùn)用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的幾何中心比較法，確定攝像機(jī)目標(biāo)跟蹤的方向角度。計(jì)算相鄰兩幀中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的幾何中心位置差異向量，可以得出目標(biāo)某時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)趨向；計(jì)算連續(xù)多幀差異向量，求向量的和，可以最終得出某段時(shí)間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3.4 系統(tǒng)原理構(gòu)成方框圖

系統(tǒng)原理構(gòu)成如圖2所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤技術(shù)與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，針對(duì)監(jiān)視場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的智能化和監(jiān)控的有效性。充分利用背景模板和視頻圖像的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠的目標(biāo)檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤。實(shí)驗(yàn)表明，本文中給出的基于背景模板的視頻動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)，可以有效地檢測(cè)監(jiān)控場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并實(shí)時(shí)反饋運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，控制云臺(tái)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，捕獲有效的運(yùn)動(dòng)信息。

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