CN102332167A - 一种智能交通监控中车辆和行人的目标检测方法 - Google Patents

一种智能交通监控中车辆和行人的目标检测方法 Download PDF

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宋雪桦
王利国
袁昕
王昌达
沈廷根
陈景柱
吴朝辉
杨庆庆
尹康民
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Abstract

本发明公开一种智能交通监控中车辆和行人的目标检测方法,对视频帧序列进行背景模型的初始化,独立建立饱和度分量和亮度分量的混合高斯背景分量模型并取分量均值;将视频帧序列中的当前帧跟背景帧相差分,对前景帧进行二值化处理后再去除阴影和噪声并进行形态学滤波;用更新因子更新得到的混合高斯背景模型的分量的权值、均值和方差;将要进行匹配的运动目标像素点值与更新后的混合高斯背景模型中的每一个分布的Jeffrey值进行比较,利用Jeffrey值判断运动目标像素点是否属于前景点;本发明需对饱和度分量和亮度分量更新相关参数,在不影响精度的情况下降低了系统的开销,能适应场景轻微扰动,克服噪声和环境光照的影响,具有鲁棒性高的特点。

Description

一种智能交通监控中车辆和行人的目标检测方法
技术领域
本发明属于数字图像处理技术领域,具体涉及一种智能交通监控中车辆和行人的检测方法,对输入的交通视频中的异常运动目标进行检测。
背景技术
智能视频监控是在不需要人为干预的情况下,通过计算机对图像序列进行自动分析,实现对动态场景中的运动目标检测、跟踪和行为理解等操作,并能够根据分析结果判断是否发出报警。在智能化的视频交通监控系统中,监控场景中的行人和车辆的运动目标是图像分析、图像识别及图像理解的基础,运动目标检测的结果可用于后续的目标跟踪和分类,检测的效果直接影响后续工作,因此必须检测出运动目标的完整信息。 
传统的运动目标检测主要有光流法、相邻帧差法、背景减法等,其中,光流法的计算复杂,光流稀疏,不利于实时实现;相邻帧差法虽然计算简单,但是会产生检测空洞,且对静止目标不能正确处理;背景减法利用当前帧与背景帧相减来检测运动目标,背景减法的关键是背景模型的建立,混合高斯背景模型算法因其具有低复杂度、步骤简单的特点,因此通常使用混合高斯模型来建立背景模型,但在实际生活中由于光照、树叶摇动、水面波光的反射等原因,场景在不停的变化中,目标区域的背景就会不断的变化,而混合高斯模型容易受到光照等条件变化的影响,对场景变化的适应能力不好,进而影响运动目标检测的灵敏度和正确率。
发明内容
本发明针对目前智能视频处理技术中运动目标检测存在的光照比较敏感、虚影现象以及阴影未去除等问题,提出了一种改进的运动目标检测方法,克服把混合高斯背景模型运用到交通智能视频监控时存在的不足之处,对智能交通监控中车辆和行人的目标进行检测,有效提高运动目标检测的灵敏度和正确率。
本发明的技术方案是依次采用如下步骤:(1)通过CCD摄像机采集视频帧,对视频帧序列进行背景模型的初始化,独立建立饱和度分量S和亮度分量V的混合高斯背景分量模型,将视频帧序列中的背景帧的所有像素的亮度分量V值和饱和度分量S值取均值;(2)将视频帧序列中的当前帧跟背景帧相差分,对前景帧进行二值化处理后再去除阴影和噪声并进行形态学滤波;(3)用更新因子                                                
Figure 147219DEST_PATH_IMAGE001
更新进行形态学滤波处理后得到的混合高斯背景模型的饱和度分量S和亮度分量V的权值、均值和方差,并对更新后的权值归一化;(4)将要进行匹配的时刻运动目标的像素点
Figure 811736DEST_PATH_IMAGE003
值与更新后的混合高斯背景模型中的每一个分布的Jeffrey值进行比较,利用Jeffrey值判断运动目标的像素点
Figure 132996DEST_PATH_IMAGE003
是否属于前景点, 若小于阈值
Figure 686654DEST_PATH_IMAGE006
=0.7时,则像素点
Figure 272356DEST_PATH_IMAGE003
和第
Figure 2011103009150100002DEST_PATH_IMAGE007
个高斯分布匹配,为前景点;其中,a取值范围是0~1,Jeffrey值是:
Figure 498938DEST_PATH_IMAGE008
Figure 802880DEST_PATH_IMAGE009
Figure 343583DEST_PATH_IMAGE010
分别是第
Figure 783792DEST_PATH_IMAGE011
个像素的均值和方差;
Figure 384537DEST_PATH_IMAGE012
Figure 972513DEST_PATH_IMAGE013
分别是饱和度分量S和亮度分量V的最小Jeffrey值。
本发明的有益效果是:简化了背景模型初始化的过程,建立饱和度分量和亮度分量的混合高斯背景模型,使后续步骤只需对饱和度分量和亮度分量更新相关参数,在不影响精度的情况下降低了系统的开销,能适应场景轻微扰动,克服噪声和环境光照的影响,具有鲁棒性高的特点。
附图说明
图1是本发明视频采集的流程图。
图2是本发明改进的目标检测算法流程图。
具体实施方式
本发明首先对采集到的视频帧序列像素值的饱和度分量S和亮度分量V初始化,建立亮度分量V和饱和度分量S的混合高斯背景模型,在对前景帧与背景帧差分后,进行二值化,形态学滤波等处理后,引入更新因子更新混合高斯背景模型;然后根据Jeffrey值来判定运动目标。具体如下:
参见图1,本发明的实施是基于硬件设备,硬件设备包括CCD摄像机、DSP数字信号处理器和PC机,DSP数字信号处理器的一端连接CCD摄像机,另一端连接PC机。先通过CCD摄像机采集视频帧(S101),再将采集的视频帧序列数据进行数模转换(S102),然后将转换得到的视频帧序列向DSP申请缓冲空间并入队列(S103),最后,DSP读取缓冲区中的视频帧序列(S104)。
参见图2,对DSP芯片中的视频帧序列进行背景模型的初始化,独立建立饱和度分量S和亮度分量V的混合高斯背景分量模型(S201),将视频帧序列中的背景帧的所有像素的亮度分量V值和饱和度分量S值取均值。根据经验值设置背景模型的初始化的权值
Figure 316907DEST_PATH_IMAGE014
和方差
Figure 877201DEST_PATH_IMAGE015
 ,初始化的权值
Figure 445586DEST_PATH_IMAGE014
要尽量小,如0.001,方差要较大些,如=15,将方差设置大些,可有尽可能多的像素包含到一个模型里面,从而获得最有可能的模型,这样在不影响精确度的情况下,系统的开销也会降低。再将当前帧跟背景帧相差分(S202),对前景帧进行二值化处理(S203),对二值化处理后的前景帧进行去除阴影和噪声、并进行形态学滤波处理(S204)。然后,引入更新因子
Figure 606626DEST_PATH_IMAGE001
来更新进行形态学滤波处理后得到的混合高斯背景模型(S205),用更新因子
Figure 959110DEST_PATH_IMAGE001
分别对饱和度分量S和亮度分量V进行更新。更新时引入更新因子
Figure 698396DEST_PATH_IMAGE016
,更新因子是关于
Figure 884844DEST_PATH_IMAGE017
的单调递增的函数,其中
Figure 154151DEST_PATH_IMAGE018
是像素点的坐标,为该像素点持续落在第个高斯分布上的次数。分别对亮度分量V的混合高斯背景模型和饱和度分量S的混合高斯背景模型的权值、均值和方差均进行更新,其中: 
权值更新:
Figure 479456DEST_PATH_IMAGE019
                                                        
均值更新:
Figure 868849DEST_PATH_IMAGE020
                  
方差更新:
Figure 153200DEST_PATH_IMAGE021
  
其中:
Figure 362464DEST_PATH_IMAGE022
Figure 390463DEST_PATH_IMAGE002
时刻第
Figure 634363DEST_PATH_IMAGE007
个高斯分布的权重;
Figure 89615DEST_PATH_IMAGE023
是t-1时刻第
Figure 51755DEST_PATH_IMAGE007
个高斯分布的权重;
Figure 680182DEST_PATH_IMAGE024
为权值更新率;
为更新因子;
Figure 404741DEST_PATH_IMAGE025
是等于1或0的参数,当像素值符合第
Figure 526281DEST_PATH_IMAGE011
个高斯分布时,,若不符合,则
Figure 114574DEST_PATH_IMAGE027
Figure 973946DEST_PATH_IMAGE028
Figure 582782DEST_PATH_IMAGE002
时刻第个高斯分布的均值;
Figure 563693DEST_PATH_IMAGE029
 是t-1时刻第
Figure 593966DEST_PATH_IMAGE011
个高斯分布的均值;
Figure 690098DEST_PATH_IMAGE030
为参数更新率,取值范围为(0,1);
Figure 464019DEST_PATH_IMAGE031
Figure 594786DEST_PATH_IMAGE024
为权值更新率,
Figure 113809DEST_PATH_IMAGE033
时刻的第
Figure 691421DEST_PATH_IMAGE007
个高斯分布,
Figure 739011DEST_PATH_IMAGE034
为t-1时刻第
Figure 48770DEST_PATH_IMAGE011
个高斯分布的标准差;
Figure 916232DEST_PATH_IMAGE035
 是
Figure 969639DEST_PATH_IMAGE002
时刻像素点值;
 是
Figure 414712DEST_PATH_IMAGE002
时刻第
Figure 35049DEST_PATH_IMAGE011
个高斯分布的方差 ;
是t-1时刻第个高斯分布的方差。
 对权值、均值和方差均更新后,对更新后的高斯分布的权值进行归一化:
Figure 362629DEST_PATH_IMAGE038
Figure 142366DEST_PATH_IMAGE039
,K是K个混合高斯分布,K值一般取3到5之间; 这样,得到了更新的混合高斯背景模型。
对混合高斯背景模型更新后,利用Jeffrey值判断运动目标(S206),Jeffrey值是常用的高斯分布距离参数之一,用来进行高斯分布的比较,运动目标检测具体包括:
通过计算将要进行匹配的目标像素点
Figure 599892DEST_PATH_IMAGE003
与更新后的混合高斯背景模型中的每一个分布的Jeffrey值进行比较,Jeffrey值由下面公式获得:
其中:
Figure 361360DEST_PATH_IMAGE009
Figure 628394DEST_PATH_IMAGE010
为第
Figure 889611DEST_PATH_IMAGE011
个像素的均值和方差。
然后,定义饱和度分量S和亮度分量V的最小Jeffrey值: 
Figure 558490DEST_PATH_IMAGE040
;                   
Figure 614170DEST_PATH_IMAGE041
;                          
其中,
Figure 368500DEST_PATH_IMAGE042
为t时刻第
Figure 433408DEST_PATH_IMAGE011
个高斯分布,是关于饱和度分量S的最小J值,为t时刻第
Figure 487317DEST_PATH_IMAGE011
个高斯分布;
Figure 28020DEST_PATH_IMAGE043
是关于饱和度分量S的J值;
Figure 491666DEST_PATH_IMAGE045
为t时刻第i个高斯分布,
Figure 217045DEST_PATH_IMAGE043
关于亮度分量V的最小J值,
Figure 680388DEST_PATH_IMAGE046
为t时刻第
Figure 87098DEST_PATH_IMAGE011
i个高斯分布,
Figure 319497DEST_PATH_IMAGE043
是关于亮度分量V的最小J值。
取已经存在的K个混合高斯分布中Jeffrey值最小的分布,并设定阈值为
Figure 153460DEST_PATH_IMAGE006
,本发明在智能交通场景中取阈值
Figure 166416DEST_PATH_IMAGE006
=0.7。 
通过比较判断出该目标像素点
Figure 48921DEST_PATH_IMAGE003
是否属于已经存在混合高斯分布中的一个,目标像素点
Figure 463722DEST_PATH_IMAGE003
是否属于前景点、背景点的判断条件如下:      
Figure 406270DEST_PATH_IMAGE048
   
其中:a是根据经验值选定的系数,取值范围(0~1),本发明在智能交通场景中可以为取值0.5,通过设置a的值来控制饱和度分量S和亮度分量V的比例。也就是说只有当
Figure 592718DEST_PATH_IMAGE005
小于阈值=0.7时,才认为像素点
Figure 37792DEST_PATH_IMAGE003
和第
Figure 963022DEST_PATH_IMAGE007
个高斯分布匹配,
Figure 249647DEST_PATH_IMAGE003
为前景点。

Claims (2)

1.一种智能交通监控中车辆和行人的目标检测方法,其特征是依次采用如下步骤:
(1)通过CCD摄像机采集视频帧,对视频帧序列进行背景模型的初始化,独立建立饱和度分量S和亮度分量V的混合高斯背景分量模型,将视频帧序列中的背景帧的所有像素的亮度分量V值和饱和度分量S值取均值;
(2)将视频帧序列中的当前帧跟背景帧相差分,对前景帧进行二值化处理后再去除阴影和噪声并进行形态学滤波;
(3)用更新因子                                               更新进行形态学滤波处理后得到的混合高斯背景模型的饱和度分量S和亮度分量V的权值、均值和方差,并对更新后的权值归一化;
(4)将要进行匹配的
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE004
时刻运动目标的像素点
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE006
值与更新后的混合高斯背景模型中的每一个分布的Jeffrey值进行比较,利用Jeffrey值判断运动目标的像素点
Figure 197415DEST_PATH_IMAGE006
是否属于前景点, 若小于阈值
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE010
=0.7时,则该像素点
Figure 843160DEST_PATH_IMAGE006
和第个高斯分布匹配,为前景点;其中,a取值范围是0~1,Jeffrey值是:
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE016
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE018
分别是第个像素的均值和方差;
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE022
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE024
分别是饱和度分量S和亮度分量V的最小Jeffrey值。
2.根据权利要求1所述的目标检测方法,其特征是:
权值更新:
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE026
;                        
均值更新:
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE028
;                  
方差更新:
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE030
其中:
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE032
Figure 529094DEST_PATH_IMAGE004
时刻第
Figure 514368DEST_PATH_IMAGE012
个高斯分布的权重;
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE034
是t-1时刻第
Figure 886443DEST_PATH_IMAGE012
个高斯分布的权重;
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE036
为权值更新率;
Figure 19484DEST_PATH_IMAGE002
为更新因子;当像素值符合第
Figure 72891DEST_PATH_IMAGE020
个高斯分布时
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE038
,反之则
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE040
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE042
Figure 37305DEST_PATH_IMAGE004
时刻第
Figure 517965DEST_PATH_IMAGE020
个高斯分布的均值;
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE044
 是t-1时刻第
Figure 872723DEST_PATH_IMAGE020
个高斯分布的均值;
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE046
取值范围为(0,1);
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE048
Figure 854454DEST_PATH_IMAGE036
为权值更新率,
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE050
Figure 548741DEST_PATH_IMAGE004
时刻的第
Figure 262619DEST_PATH_IMAGE012
个高斯分布,
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE052
为t-1时刻第个高斯分布的标准差;
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE054
 是
Figure 827778DEST_PATH_IMAGE004
时刻第
Figure 376571DEST_PATH_IMAGE020
个高斯分布的方差 ;
Figure 2011103009150100001DEST_PATH_IMAGE056
是t-1时刻第
Figure 526930DEST_PATH_IMAGE020
个高斯分布的方差。
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