基于三幀差法的靜態(tài)視頻目標(biāo)跟蹤技術(shù)的改進(jìn)

趙海東

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心

基于三幀差法的靜態(tài)視頻目標(biāo)跟蹤技術(shù)的改進(jìn)

趙海東

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心

隨著國家對安全問題重視程度的不斷提升，靜態(tài)視頻中多目標(biāo)跟蹤技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控中的應(yīng)用已逐步成為該領(lǐng)域研究重點(diǎn)。三幀差法以其簡單、高效的特點(diǎn)在目標(biāo)跟蹤算法中得到廣泛應(yīng)用。本文重點(diǎn)論述三幀差法的具體實(shí)現(xiàn)原理，針對該方法在目標(biāo)低速運(yùn)動、由靜止逐步加速、由低速運(yùn)動到靜止的運(yùn)動過程中的技術(shù)缺陷，提出了通過背景減法與三幀差法相結(jié)合的方法對三幀差法做出改進(jìn)。

靜態(tài)視頻；三幀差法；背景減法；目標(biāo)跟蹤；低速

一、三幀差法的實(shí)現(xiàn)原理概述

幀間差分法是通過計(jì)算相鄰兩幀圖像之間的差值來獲得運(yùn)動區(qū)域的，通過差值圖像能夠快速檢測出相鄰圖像中運(yùn)動目標(biāo)所引起的運(yùn)動范圍。常見的幀間差分法有兩幀差法與三幀差法，其中三幀差法是對兩幀差法的改進(jìn)。

兩幀差法主要是針對連續(xù)視頻幀中相鄰兩幀圖像進(jìn)行差值運(yùn)算，由于現(xiàn)有攝像頭所能拍攝的視頻中，連續(xù)兩幀的時間差往往在0.2s至0.5秒之間，因此，當(dāng)視頻中目標(biāo)運(yùn)動速度較慢時，相鄰兩幀圖像中運(yùn)動目標(biāo)的位置變化相對較小，應(yīng)用兩幀差法得到的差值圖像將造成目標(biāo)區(qū)域的不連通，從而很難檢測出運(yùn)動目標(biāo)的準(zhǔn)確范圍。

三幀差法的基本原理[1]與兩幀差法一致，其是兩幀差法的改進(jìn)。其通過計(jì)算相鄰三幀的幀差，并進(jìn)行幀差的與運(yùn)算，有效規(guī)避了幀間時間間隔所造成的區(qū)域不連通問題，能更準(zhǔn)確的檢測出目標(biāo)。三幀差法的具體計(jì)算流程如下：

其中，fk(x, y)、fk+1(x, y)、fk+2(x, y)為三幀連續(xù)的視頻圖像，Gk,k+1(x, y)、Gk+1,k+2(x, y)為三幀圖像中連續(xù)兩幀的幀差。對得到的上述兩幀差做二值化處理：

其中，Dk,k+1(x, y)、Dk+1,k+2(x, y)為上述幀差所對應(yīng)的二值化圖像，對二值化圖像進(jìn)行與操作，得到運(yùn)動目標(biāo)區(qū)域的二值圖像T(x, y)：

二、三幀差法在目標(biāo)跟蹤中的技術(shù)缺陷

采用三幀差法改進(jìn)了兩幀差法的目標(biāo)區(qū)域不連通問題，但其在運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動緩慢，尤其是當(dāng)目標(biāo)處于減速、由靜止逐步啟動階段仍存在一定的弊端[2]，即三幀差法在低速運(yùn)動的目標(biāo)中缺乏魯棒性。

在實(shí)際的視頻監(jiān)控中，運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動過程存在多種情況，以運(yùn)動速度來區(qū)分，主要分為：高速運(yùn)動、低速運(yùn)動、接近于0的運(yùn)動速度。其中，接近于0的運(yùn)動速度主要發(fā)生在運(yùn)動目標(biāo)由靜止到啟動的逐步加速過程、由減速到靜止的逐步減速過程中，此時由于幀間的時間間隔較小，采用三幀差法仍然會導(dǎo)致運(yùn)動目標(biāo)檢測區(qū)域的不連通問題，從而導(dǎo)致目標(biāo)檢測的不準(zhǔn)確。

本文針對三幀差法的上述問題，結(jié)合光流計(jì)算法、背景減法等其他目標(biāo)檢測算法的特點(diǎn)，提出了將背景減法與三幀差法結(jié)合的方式以提升運(yùn)動目標(biāo)在低速行駛過程中的檢測準(zhǔn)確性問題。

三、背景減法對三幀差法的技術(shù)改進(jìn)

背景減法為目標(biāo)跟蹤中的核心方法之一，其在靜態(tài)視頻圖像的目標(biāo)跟蹤中具有簡單、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，尤其是針對低速運(yùn)動的運(yùn)動目標(biāo)，具有高準(zhǔn)確性的檢測效果。

在絕大多數(shù)的視頻監(jiān)控中，攝像頭基本是不動的，因此，視頻監(jiān)控的場景不發(fā)生改變，背景變化量很小。背景減法通過視頻幀與背景圖像進(jìn)行減法運(yùn)算以提取出目標(biāo)區(qū)域，即背景減法應(yīng)用當(dāng)前幀與場景的背景圖像的差異完成目標(biāo)檢測。

本文采用三幀差法與背景減法結(jié)合的方式完成運(yùn)動目標(biāo)檢測，當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)高速行駛時，采用三幀差法進(jìn)行目標(biāo)檢測，當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)低速運(yùn)動、由靜止逐步加速或是由運(yùn)動逐步減速的過程中，采用背景減法完成目標(biāo)檢測。方法實(shí)現(xiàn)流程如下：

1、輸入原始視頻序列。

2、取一幀圖像，采用三幀差法進(jìn)行目標(biāo)檢測，計(jì)算得到含有目標(biāo)區(qū)域的二值圖像。

3、計(jì)算當(dāng)前幀與后5幀的差值k，如果k大于閾值T,執(zhí)行步驟4，如果k小于閾值T，執(zhí)行步驟5。

4、將當(dāng)前幀圖像與背景幀相減。

5、對目標(biāo)區(qū)域的二值圖像進(jìn)行濾波和膨脹處理[3]。

6、得到準(zhǔn)確的運(yùn)動目標(biāo)區(qū)域。

其中，閾值T可根據(jù)實(shí)際圖像像素的數(shù)值進(jìn)行靈活設(shè)置。應(yīng)用上述方法，在運(yùn)動目標(biāo)處于低速運(yùn)行狀態(tài)下，尤其是速度接近于0的情況下，能夠得到相比三幀差法較準(zhǔn)確的運(yùn)動目標(biāo)區(qū)域。

四、結(jié)論

本文針對三幀差法在運(yùn)動目標(biāo)低速運(yùn)動、由靜止逐步加速或是由運(yùn)動逐步減速的過程中所具有的檢測準(zhǔn)確性缺陷，將背景減法與三幀差法相結(jié)合，提出了針對三幀差法的改進(jìn)方案，得到較準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)效果。該方法在靜態(tài)視頻的多目標(biāo)檢測中具有較好的技術(shù)效果，使得在復(fù)雜的目標(biāo)運(yùn)動過程中的區(qū)域檢測具有魯棒性。同時，算法針對運(yùn)動目標(biāo)區(qū)域的二值化圖像進(jìn)行后期處理，消除了區(qū)域輪廓毛刺、有效清除目標(biāo)連通區(qū)域的異值點(diǎn)，使得準(zhǔn)確性得到進(jìn)一步提升。

[1]錢榮榮.監(jiān)控視頻結(jié)構(gòu)分段與視頻摘要技術(shù)研究[D].天津大學(xué),2010.

[2]周小龍.監(jiān)控視頻摘要生成技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].重慶大學(xué), 2010.

[3]李毅, 孫正興, 遠(yuǎn)博, 等.種改進(jìn)的幀差和背景減相結(jié)合的運(yùn)動檢測方法[J].中國圖象圖形學(xué)報, 2009, 4(6).