视频前景提取方法总结

运动前景对象检测是从视频序列图像中将变化区域从背景图像中提取出来,运动前景对象的有效检测对于对象跟踪、目标分类、行为理解等后期处理至关重要,那么区分前景对象,非常关键的一个问题是确定一个非常合适的背景,背景从象素的角度来理解,每一个象素就是有可能是前景点,也有可能是背景点,那么我们就要防止背景中误进入原属于前景点的对象,目前有几种常用的方法,但分别有利弊。

        一、固定背景提取法

|frame(i) - background(i)| > Th,由于背景是预先设定的固定的一幅图像,这里必然引入了四个问题:光照变化,摄像机抖动,高频率振荡背景,运动转静止物体的干扰。优点:计算简单,易于实现。缺点是摄象头要绝对静止,而且不适应光照变化。

       二、由视频序列动态建立背景

        1)均值法、中值法、滑动均值滤波、单高斯 (待实验总结)

        2)帧间差分法。|frame(i) - frame(i-1)| > Th,背景就是上一帧图像。每一帧与上一帧进行差分运算。提取效果显然与运动前景对象的速度和帧率有关(帧率指一秒钟有几张图片)。扩展下,建立在统计模型基础上的有选择的背景建模,实际上就是混合高斯法。优点:速度较快,稳定性较好。缺点是可能出现物体的“空洞现象”,空洞是由于某一大型运动物体,它的两帧之间存在象素十分接近的重合部分,所以导致这部分被差分剪去了。

        3)混合高斯法。基于混合高斯模型的自适应背景差分算法,类似于帧间差分法,使用混合高斯分布模型来表征图像帧中每一个像素点的特征,当获取新的图像帧时,适时更新混合高斯分布模型,某一时刻选取混合高斯模型中的一个子集表征当前背景,如果当前图像帧的某个像素点与混合高斯模型的背景子集匹配,则判定为背景,否则判定为前景点。总体来说是通过学习与训练计算出有没有运动对象时的背景

        4)  能量分析法。在概念上略为复杂,在连续图像序列看成为有二维空间加上时间构成的三维空间,然后计算每一像点在各个时空梯度上的分量,最后通过高斯滤波平滑这些时空梯度分量得到运动能量。由于运动对象所包含的那些象素点基本上都是朝一个方向运动,国此这一方向上的运动能量较大。运动能量法能够消除杂乱运动的影响,检测出真正的运动对象。优点:对于一些背景中存在振荡现象、规律性摆动的前景对象,如水波,树叶。缺点:只能大概估计真正运动前景对象的位置,难以精确提取运动对象。

         5)光流法。光流法概念源自光流场,当运动物体的影象在表面上的模式运动就是所谓的光流场,是一个二维速度场。而光流法根据连续多帧图像序列,计算各象素点运动的大小和方向,它反映了图像上每一像点灰度的变化趋势。优点:不需要背景建模,在无法预先获得场景的任何信息的情况下,也能够检测出独立的运动对象。缺点是计算复杂,往往需要特殊的硬件支持,很难满足实时性要求。

         6)codebook 码本模型

        准确提取前景对象之后,是如何来适当的方法来表示前景对象,为下一步的跟踪做准备:

       A. 对象可以用点来描述。如质心或者点集。一般来说点适合描述在图像中占用比例较小的对象。大的对象容易被肢解为多个对象,或者多个对象被合并为一个质点。

       B. 原始的几何形状,实际使用中,通常使用矩形来表示。用这种方法来存储对象,表示简单,但是丢失对象原有信息,对噪声比较敏感。

       C. 用精确的对象轮廓来进行跟踪,这对于复杂轮廓的对象存储比较困难,并不实用。

在中国安防产业中视频监控作为最重要的信息获取手段之一,能对目标有效的提取是重要而基础的问题,因此本文在此背景下,围绕对监控视频前景目标有效的提取问题,研究了关于1)静态背景、动态背景的前景目标提取,能在背景复杂化的条件下,将运动的目标;2)带抖动视频;3)静态背景下多摄像头对多目标提取;4)出现异常事件视频的判断等问题。给出了在不同情况下的前景目标提取方案。问题一是针对静态背景且摄像头稳定的情况下,如何对前景目标提取的问题。在题目要求的基础上,通过对附件2中几组视频的分析,我们发现所有前景目标的运动短暂且光线明暗变化不明显。由于传统的Vibe算法能抑制鬼影但是运行效果不理想,因此采用建立在帧差法上改进的Vibe算法模型求解问题。并和传统的Vibe算法做对比,结果显示改进的Vibe算法明显优于传统的算法。而且对我们的算法模型做了效果评价。详细数据参考正文与附录。 问题二是在背景为动态(如有水波的产生)的情况下,对前景目标的提取问题。在此问题中,由于动态背景存在使得提取出的图像帧具有大量的干扰噪声,对前景目标的识别和提取造成干扰,因此我们提出一种基于全局外观一致型的运动目标检测法。在用Vibe算法对场景预检测的基础上,建立混合高斯模型分别对前景和背景进行全局外观建模,将运动目标检测出来,再引入超像素去噪,进一步优化结果。详细结果参考正文与附录。 问题三是在问题一、二基础上的进一步深化。问题一及问题二是建立在摄像机自身稳定的基础上,而问题三则是在摄像机抖动的情况下。由于摄像机抖动一般具有旋转和平移,因此我们建立了坐标变换模型,以仿射变换作为模型基础,结合改进的高精度鲁棒的RANSAC算法提取前景目标,并对比灰度投影法,比较两种模型效果。具体效果见正文与附录。 问题四是对前三个问题的综合应用。运用基于混合高斯模型背景建模Vibe算法,对前景目标进行提取;选出具有显著前景目标的参考帧,计算参考帧中显著前景目标所占的面积,并将此面积设定为阈值T,遍历所有的视频帧,计算其前景目标所占的面积,通过相减对比,判定显著前景目标。若判定为显著前景目标则输出其所在视频帧中的帧号,并将显著前景出现的总帧数增加1。 问题五是针对多摄像头多目标的协同跟踪问题。在问题二的混合高斯模型基础上我们建立了动态背景提取法,对不断变化的背景进行实时更新。再利用单应性约束法对多目标发生重叠现象进行投影将重叠目标区分开来,对目标进行定位。由于目标的不断运动,我们采用粒子滤波法对前景目标进行实时跟踪,通过多摄像头的协同通信完成对多前景目标的检测。 问题六是针对监控视频前景目标出现异常情况时判断是否有异常事件的问题。在基于稀疏表示的模型上,引入混合高斯模型用于学习不同类型的运动特征规律,然后通过各个单高斯模型中的均值建立一个相似矩阵作为字典。以测试阶段生成的核矢量为基础,用该局部特征的核矢量计算基于稀疏表示的重构误差,并将其与已设定的阈值进行比较,如果重构误差大于阈值,则判为异常。
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