基于改進(jìn)三幀差法的微小目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)方法研究

孫清濤，趙欣悅，張曉萌

（沈陽(yáng)理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110159）

0 引言

激光廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量和軍事目標(biāo)的準(zhǔn)確對(duì)抗。在激光應(yīng)用領(lǐng)域，激光點(diǎn)檢測(cè)和跟蹤技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。激光光斑作為沒(méi)有明顯特征和紋理的點(diǎn)通常被淹沒(méi)在復(fù)雜的背景中并且難以檢測(cè)。因此，跟蹤和檢測(cè)這種小目標(biāo)的激光點(diǎn)被認(rèn)為是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，檢測(cè)激光點(diǎn)類型的微小目標(biāo)的方法的主要有光流法[1-3]、幀間差分法[4]和背景差分法[5，6]。但是光流法不能定位運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輪廓，需要使用其他算法來(lái)定位目標(biāo)。這將使計(jì)算任務(wù)對(duì)于具有大量計(jì)算的光流方法更加沉重[7]。背景差分法計(jì)算量很大，通常需要2～3個(gè)小時(shí)才能更新背景，無(wú)法實(shí)時(shí)更新。幀差分方法具有計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常用于檢測(cè)物體。但是，兩幀差分法檢測(cè)激光點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生很多噪聲。

因此，本文提出了一種將三幀差分[8]方法與顏色閾值分割相結(jié)合的新算法。利用三幀差分法檢測(cè)運(yùn)動(dòng)激光點(diǎn)可以有效降低噪聲，然后在HSV（Hue，Saturation，Value）顏色空間中使用顏色閾值分割方法。通過(guò)干涉檢測(cè)到的其他移動(dòng)物體被移除以獲得激光軌跡的連續(xù)和完整坐標(biāo)。實(shí)踐證明，該算法對(duì)快速移動(dòng)激光點(diǎn)的檢測(cè)效果非常好，完全滿足工業(yè)等行業(yè)的要求。利用了Visual Studio軟件平臺(tái)中的OpenCV實(shí)現(xiàn)。

1 改進(jìn)的三幀差法

針對(duì)幀間差分中目標(biāo)快速運(yùn)動(dòng)時(shí)的誤檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域的空洞問(wèn)題，在對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理之后，使用改進(jìn)的幀差異即三幀差異來(lái)檢測(cè)移動(dòng)目標(biāo)。對(duì)于攝像機(jī)靜止時(shí)拍攝的視頻序列，對(duì)第一個(gè)k幀和k-1幀圖像進(jìn)行平滑處理，然后使用幀間差分的方法進(jìn)行幀減法。從第k幀圖像中減去k-1幀圖像以獲得二值圖像。公式表示為：

其中，T是預(yù)設(shè)閾值，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇。如果T選擇得太大，那么目標(biāo)的檢測(cè)可能是一個(gè)較大的空洞甚至是漏檢，如果T選擇太小，會(huì)有很多噪聲。然而，由幀間差分法檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)包含兩幀中的運(yùn)動(dòng)信息，從而檢測(cè)到更多目標(biāo)點(diǎn)。為了改善幀差分方法的不足，提出了三幀差分方法。

三幀差分方法首先平滑圖像的三個(gè)連續(xù)幀，然后分別執(zhí)行幀差分處理。從k幀圖像中減去k-1幀圖像以獲得二值圖像D1（x，y）從第k圖像中減去第k圖像以獲得二值圖像D2（x，y）。最后，AND操作的結(jié)果是 D1（x，y）和 D2（x，y）圖像 D（x，y），公式表示為：

2 實(shí)驗(yàn)方法

將室內(nèi)激光點(diǎn)檢測(cè)作為微小目標(biāo)，在不同環(huán)境背景和速度情況下進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)。其中算法實(shí)現(xiàn)流程如下：

（1）通過(guò)攝像頭采集紅外激光筆射出的激光在不同環(huán)境背景和不同速度情況下的激光點(diǎn)視頻圖像。

（2）將采集到的視頻圖像應(yīng)用均值濾波器進(jìn)行預(yù)處理，去除圖像采集過(guò)程中的環(huán)境噪聲。均值濾波方法是：對(duì)待處理的當(dāng)前像素，選擇一個(gè)模板，該模板為其鄰近的若干個(gè)像素組成，用模板的均值來(lái)替代原像素的值的方法。因此可以幫助消除圖像尖銳噪聲。

（3）應(yīng)用改進(jìn)的三幀差分法進(jìn)行激光點(diǎn)的粗檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。

（4）將檢測(cè)到的激光點(diǎn)以1.5倍分辨率進(jìn)行目標(biāo)選定。從RGB（Red、Green、Blue）顏色空間轉(zhuǎn)換到HSV顏色空間，進(jìn)行目標(biāo)的精確識(shí)別。

應(yīng)該注意的是，通常的三幀差法每三幀處理一次，但這將失去視頻中三分之一的信息。在本文中，使用移動(dòng)窗口來(lái)讀取三幀視頻，每次讀取窗口后向下移動(dòng)一幀。視頻信息不會(huì)因此而丟失，如圖1所示。

圖1 三幀差分方法

在三幀差分方法得到二值化圖像后，使用邊緣檢測(cè)和輪廓檢測(cè)來(lái)定位動(dòng)態(tài)目標(biāo)。由于檢測(cè)目標(biāo)是小型目標(biāo)，因此對(duì)識(shí)別的輪廓畫(huà)出最小外接圓，用圓心坐標(biāo)代替目標(biāo)的位置，半徑代替目標(biāo)的大小。

在確定動(dòng)態(tài)目標(biāo)的位置后，在原始圖像的對(duì)應(yīng)位置對(duì)檢測(cè)到的目標(biāo)進(jìn)行顏色識(shí)別。在HSV顏色空間中確定每一個(gè)目標(biāo)的顏色、飽和度、明度，濾除掉不符合要求的目標(biāo)。最后留下的就是所需檢測(cè)到的目標(biāo)。

3 仿真分析

本實(shí)驗(yàn)分別比較了HSV顏色空間中使用顏色（H）、明度（V）、顏色與明度組合（H&V）三種閾值模式下的不同去噪效果。由于在該實(shí)驗(yàn)中噪聲的飽和度和測(cè)試對(duì)象的飽和度（S）沒(méi)有顯著差異，因此該實(shí)驗(yàn)不測(cè)試飽和度。

在強(qiáng)光和弱光條件下，在兩組實(shí)驗(yàn)視頻中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每組包含一個(gè)只有激光點(diǎn)的視頻和一個(gè)只有噪音的視頻如圖2、圖3。改變限制目標(biāo)的閾值范圍，運(yùn)行算法的過(guò)程中用計(jì)數(shù)器記錄可識(shí)別到的總數(shù)（N總）和可濾除的噪點(diǎn)數(shù)（n濾除或n未識(shí)別）。并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，該范圍下算出：

計(jì)算結(jié)果如表1～表4所示。

圖2 噪音視頻（圖中綠色點(diǎn)）

表1 H-閾值模式檢測(cè)效果

表2 V閾值模式檢測(cè)效果

表3 黑暗環(huán)境中的H＆V閾值模式檢測(cè)效果

表4 明亮環(huán)境中的H＆V閾值模式檢測(cè)效果

從上表可以看出：

1）與Hue和Value的綜合利用相比，只有Hue值用于去噪，去噪能力和識(shí)別率都略有下降。這可能是由于少量噪聲在有限的顏色范圍內(nèi)。

2）當(dāng)僅使用Value值時(shí)，雖然識(shí)別率會(huì)相對(duì)增加，但噪聲會(huì)顯著增加，尤其是在明亮的環(huán)境中。這是因?yàn)閮H使用Value值不會(huì)消除高光噪聲

3）隨著閾值的不斷提高，雖然識(shí)別率會(huì)繼續(xù)上升，但去噪能力也會(huì)明顯降低，達(dá)到一定限度后，噪音會(huì)明顯增加。同樣，如果不斷縮小閾值并達(dá)到某個(gè)閾值，識(shí)別率將急劇下降。經(jīng)過(guò)上述數(shù)據(jù)表明，亮度和顏色的共同區(qū)別將使最佳的噪聲去除效果幾乎不影響識(shí)別目標(biāo)的需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用一種新的識(shí)別小物體的方法，即采用改進(jìn)的三幀差分法檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。在確定目標(biāo)位置之后，使用顏色識(shí)別來(lái)消除干擾。在一定程度上，該方法解決了三幀差分方法無(wú)法區(qū)分被檢測(cè)物體是否為被測(cè)目標(biāo)的問(wèn)題。該算法的特點(diǎn)是計(jì)算量小，應(yīng)用范圍廣泛。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文算法具有很強(qiáng)的適用性。