CN104331874B - 一种背景图像提取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种背景图像提取方法及系统。上述方法包括以下步骤：获取图像序列；根据背景提取策略对所述图像序列进行处理，得到基于所述图像序列的背景图像。通过本发明，能够实时获取准确的背景图像。

Description

一种背景图像提取方法及系统

技术领域

本发明属于图像处理领域，尤其涉及一种背景图像提取方法及系统。

背景技术

背景差分法是一种很好的运动目标追踪方法，可用于提取出运动目标，因此能否准确的提取背景图像决定了跟踪结果的准确性。

背景图像提取技术是视频检测领域最关键的技术。现有的背景提取技术计算比较复杂，比较成熟的是高斯背景提取法，尤其是混合高斯模型背景提取法。由于混合高斯模型的方法的计算方法较为复杂，因此应用到嵌入式系统中是非常困难的。因此，对于目前的实时视频监控系统来说，还没有一种新的简单有效的背景图像提取技术。

发明内容

本发明提供一种背景图像提取方法及系统，以解决上述问题。

本发明提供一种背景图像提取方法。上述方法包括以下步骤：获取图像序列；根据背景提取策略对所述图像序列进行处理，得到基于所述图像序列的背景图像。

其中，所述背景提取策略包括：根据已获取的对应于所述图像序列中的任一帧图像的背景图像和所述任一帧图像的下一帧图像，获得对应于所述下一帧图像的背景图像，以此递归处理，得到基于所述图像序列的背景图像。

其中，所述根据已获取的对应于所述图像序列中的任一帧图像的背景图像和所述任一帧图像的下一帧图像，得到对应于所述下一帧图像的背景图像，包括：按照以下公式计算出对应于所述下一帧图像的背景图像：其中，是对应于所述任一帧图像的下一帧图像的背景图像，是对应于所述任一帧图像的背景图像，f_n是所述任一帧图像的下一帧图像，n为正整数，在n是1时，背景图像是所述图像序列中的第一帧图像。

根据本发明的背景图像提取方法还可以包括：根据所述图像序列中相邻两帧图像的像素值变化状态判断是否对获取的背景图像进行修正。

其中，在相邻两帧图像的所有像素值按位置一一对应相减的绝对值之和大于等于预设值时，对获取的背景图像进行修正。

其中，根据以下公式对所述背景图像进行修正：

其中，是经过修正的背景图像，是对应于所述图像序列中第n帧图像的背景图像，k是小于等于n大于等于2的正整数，n为正整数，

对于(f_k-f_k-1)的值大于0的像素，取sign(f_k-f_k-1)的值为1，在获取的背景图像中，将对应位置像素的像素值加1，

对于(f_k-f_k-1)的值小于0的像素，取sign(f_k-f_k-1)的值为-1，在获取的背景图像中，将对应位置像素的像素值减1，

对于(f_k-f_k-1)的值等于0的像素，取sign(f_k-f_k-1)的值为0，在获取的背景图像中，对应位置像素的像素值不变。

本发明还提供了一种背景图像提取系统，包括：

图像采集单元，用于获取图像序列，并将所述图像序列发送至背景图像提取单元；

所述背景图像提取单元，连接至所述图像采集单元，用于根据背景提取策略对所述图像序列进行处理，得到基于所述图像序列的背景图像。

本发明还提供了一种背景图像提取系统，包括：

图像采集单元，用于获取图像序列，并将所述图像序列发送至背景图像提取单元；

所述背景图像提取单元，连接至所述图像采集单元，用于接收到所述图像采集单元发送的所述图像序列后，从背景提取策略控制单元中获取背景提取策略；

所述背景提取策略控制单元，连接至所述背景图像提取单元，用于将存储的背景提取策略发送至所述背景图像提取单元。

相较于先前技术，根据本发明提供的背景图像提取方法及系统，能够根据实时采集的视频图像序列实时获取背景图像，并且由于采用了特殊的背景图像提取策略，因此计算量大大减少，提取结果准确，从而能够提高目标追踪的准确性。

另外，通过在相邻两帧图像的所有像素值按位置一一对应相减的绝对值之和大于等于预设值时，对获取的背景图像进行修正的方案，使得提取的结果更加符合实际，进一步保证了提取结果的准确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1所示为根据本发明的较佳实施例提供的背景图像提取方法的流程图；

图2所示为根据本发明的较佳实施例提供的对背景图像进行修正的示意图；

图3所示为根据本发明的一较佳实施例提供的背景图像提取系统的示意图；

图4所示为根据本发明的又一较佳实施例提供的背景图像提取系统的示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1所示为根据本发明的较佳实施例提供的背景图像提取方法的流程图。如图1所示，本发明的较佳实施例提供的背景图像提取方法包括步骤102～104。

在步骤102，获取图像序列。

该图像序列可以是由监测系统实时获取的，该图像序列可以是连续的，也可以是非连续的。在优选情况下，该图像序列是基于稳定监测的摄像头在长时间的监控的基础上采集的。

在步骤104，根据背景提取策略对在步骤102中获取的图像序列进行处理，得到基于该图像序列的背景图像。

上述背景提取策略有多种策略，较为优选的背景提取策略为：根据已获取的对应于图像序列中的任一帧图像的背景图像和任一帧图像的下一帧图像，计算出对应于下一帧图像的背景图像，以此递归处理，得到基于图像序列的背景图像。也就是说，在本实施例中，通过之前获取的背景图像以及当前帧图像能够得到最新的背景图像，无需采用高斯提取算法，大大减少了计算量，从而提高实时性，并且考虑到之前的背景图像以及当前获取的图像，因此所获取的背景图像是准确的。

上述优选背景提取策略可进一步采用以下公式来描述。

其中，是对应于所述任一帧图像的下一帧图像的背景图像，是对应于所述任一帧图像的背景图像，f_n是所述任一帧图像的下一帧图像，n为正整数，在n是1时，背景图像是所述图像序列中的第一帧图像。

具体而言，假设获取的图像序列描述为f₁，f₂，f₃，f₄，f₅，其中，1，2，3，4，5代表了图像在该图像序列中的位置。

在初始状态下，对于第一帧图像，对应的背景图像即第一帧图像。对于第二帧图像，对应的背景图像即对应于第二帧图像的背景图像需要用到上一步获取的背景图像。以此类推，对于第三帧图像，对应的背景图像对于第四帧图像，对应的背景图像对于第五帧图像，对应的背景图像根据以上公式在比较稳定的环境中准确地提取出背景图像。

在上述例子中仅列举了5帧连续的图像序列，在实际应用中，可根据实时获取的任意数量的视频序列提取出背景图像，提取方式相同，在此不再赘述。

此外，在上述实施例中，由于没有考虑外界因素例如环境光照的变化的影响，因此提取出的背景图像在稳定不变的环境中较为准确，为了使上述背景图像提取方法能够适用于更加复杂的环境中，在下述实施中增加了相应的修正方法。

当然，并不是在所有情况下都需要进行修正，为了提高效率，需要判断在当前环境下是否需要进行修正。

在一优选例子中，可以根据图像序列中相邻两帧图像的像素值变化状态判断是否对获取的背景图像进行修正。

如果相邻两帧图像的所有像素值按位置一一对应相减的绝对值之和大于等于预设值，则确定需要对获取的背景图像进行修正。相邻两帧图像的所有像素值相减的绝对值大于等于预设值，说明受外界影响较大，例如环境光线强度变化较大，在确定受外界影响较大时，就对获取的背景图像进行修正。

相邻两帧图像的所有像素相减的意思是假设每帧图像包含6个像素，那么两帧图像相减即将第一帧图像的6个像素与第二帧图像的6个像素相减，并且是相同位置的像素进行相减，这样就得到像素值的变化范围。

如果相邻两帧图像的所有像素值按位置一一对应相减的绝对值之和小于预设值，则确定不需要对获取的背景图像进行修正。相邻两帧图像的所有像素值相减的绝对值之和小于预设值，说明受外界影响不大，可以忽略不计。例如摄像头在室内，而室内的光线较为稳定，且摄像头也不会随意摆动。

修正方式也有多种，在正常情况下根据以下公式对背景图像进行修正：

其中，是经过修正的背景图像，是对应于所述图像序列中第n帧图像的背景图像，k是小于等于n大于等于2的正整数，n为正整数，

对于(f_k-f_k-1)的值大于0的像素，取sign(f_k-f_k-1)的值为1，在获取的背景图像中，将对应位置像素的像素值加1，

对于(f_k-f_k-1)的值小于0的像素，取sign(f_k-f_k-1)的值为-1，在获取的背景图像中，将对应位置像素的像素值减1，

对于(f_k-f_k-1)的值等于0的像素，取sign(f_k-f_k-1)的值为0，在获取的背景图像中，对应位置像素的像素值不变。

继续以5帧图像的序列帧为例，在获取对应于第5帧图像的背景图像之后，可以判断第3帧与第4帧图像之间的像素值变化状态，也可以判断第4帧与第5帧图像之间的像素值变化状态。假设在本实施例中将第3帧图像与第4帧图像的像素值相减得到的像素值之差的绝对值之和大于预设值，则需要对最终获取的背景图像进行修正。

需要说明的是，该预设值可以是根据实验经验设置的一个值，也可以是将对应于第4帧图像的背景图像的所有像素值之和乘以某个比例得到的一个值。

下面参考图2，举例说明修正过程。在图2中，左边的图像是提取出的背景图像，右边的图像是经修正的背景图像。该图像包含9个像素，假设经过之前的判断过程可知，在像素值是100和50的这两个位置上的像素值需要修正，则根据判断结果对背景图像中这两个位置上的像素值进行修正，如果趋势是光线变亮(即(f_k-f_k-1)的值大于0)，则在原来的基础上加1，如果趋势是光线变暗(即(f_k-f_k-1)的值小于0)，则在原来的基础上减1。经过上述修正之后，相应位置上像素的像素值被修改，从而得到如图2中右边的背景图像。

图3所示为根据本发明的一较佳实施例提供的背景图像提取系统的示意图，包括：

图像采集单元302，用于获取图像序列，并将所述图像序列发送至背景图像提取单元304；

所述背景图像提取单元304，连接至所述图像采集单元302，用于根据背景提取策略对所述图像序列进行处理，得到基于所述图像序列的背景图像。

图4所示为根据本发明的一较佳实施例提供的背景图像提取系统的示意图，包括：

图像采集单元302，用于获取图像序列，并将所述图像序列发送至背景图像提取单元；

所述背景图像提取单元304，连接至所述图像采集单元302，用于接收到所述图像采集单元发送的所述图像序列后，从背景提取策略控制单元中获取背景提取策略；

所述背景提取策略控制单元402，连接至背景图像提取单元304，用于将存储的背景提取策略发送至所述背景图像提取单元304。

其中，所述背景图像提取单元304，接收到所述图像采集单元302发送的所述图像序列后，从背景提取策略控制单元402中获取背景提取策略的过程为：

所述背景图像提取单元304接收到所述图像采集单元302发送的所述图像序列后，向所述背景提取策略控制单元402发送背景提取策略请求消息；所述背景提取策略控制单元402接收到所述背景提取策略请求消息后，将自身存储的背景提取策略发送至所述背景图像提取单元304；

或者，

所述背景图像提取单元304，接收到所述图像采集单元302发送的所述图像序列后，向所述背景提取策略控制单元402发送通知消息；

所述背景提取策略控制单元402接收到所述通知消息后，主动将自身存储的背景提取策略发送至所述背景图像提取单元304。

综上所述，本发明较佳实施例提供的背景图像提取方法及系统，根据视频图像序列实时提取背景图像并更新，在进行背景图像提取时，采用递归处理方法，在提取当前图像的背景图像时需要使用上一步获取的背景图像，因此当场景中有不断运动的物体时仍可以提取出清晰的背景图像，为后续进行目标物体追踪提供了良好的基础。此外，为了进一步提高准确性，对提取的背景图像进行修正，在修正时根据环境光照的影响确定修改方向，从而使最终得到的背景图像能够不受光照以及天气变化等因素的影响，如此，提高了背景图像提取的准确性和稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种背景图像提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取图像序列；

根据背景提取策略对所述图像序列进行处理，得到基于所述图像序列的背景图像；

所述背景提取策略包括：

根据已获取的对应于所述图像序列中的任一帧图像的背景图像和所述任一帧图像的下一帧图像，获得对应于所述下一帧图像的背景图像，以此递归处理，得到基于所述图像序列的背景图像；

所述根据已获取的对应于所述图像序列中的任一帧图像的背景图像和所述任一帧图像的下一帧图像，得到对应于所述下一帧图像的背景图像，包括：

按照以下公式计算出对应于所述下一帧图像的背景图像：

其中，是对应于所述任一帧图像的下一帧图像的背景图像，是对应于所述任一帧图像的背景图像，f_n是所述任一帧图像的下一帧图像，n为正整数，在n是1时，背景图像是所述图像序列中的第一帧图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

根据所述图像序列中相邻两帧图像的像素值变化状态判断是否对获取的背景图像进行修正。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在相邻两帧图像的所有像素值按位置一一对应相减的绝对值之和大于等于预设值时，对获取的背景图像进行修正。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据以下公式对所述背景图像进行修正：

其中，是经过修正的背景图像，是对应于所述图像序列中第n帧图像的背景图像，k是小于等于n大于等于2的正整数，n为正整数，

对于(f_k-f_k-1)的值大于0的像素，取sign(f_k-f_k-1)的值为1，在获取的背景图像中，将对应位置像素的像素值加1，

对于(f_k-f_k-1)的值小于0的像素，取sign(f_k-f_k-1)的值为-1，在获取的背景图像中，将对应位置像素的像素值减1，

对于(f_k-f_k-1)的值等于0的像素，取sign(f_k-f_k-1)的值为0，在获取的背景图像中，对应位置像素的像素值不变。

5.一种背景图像提取系统，其特征在于，包括：

图像采集单元，用于获取图像序列，并将所述图像序列发送至背景图像提取单元；

所述背景图像提取单元，连接至所述图像采集单元，用于根据背景提取策略对所述图像序列进行处理，得到基于所述图像序列的背景图像；

所述背景提取策略包括：

根据已获取的对应于所述图像序列中的任一帧图像的背景图像和所述任一帧图像的下一帧图像，获得对应于所述下一帧图像的背景图像，以此递归处理，得到基于所述图像序列的背景图像；

所述根据已获取的对应于所述图像序列中的任一帧图像的背景图像和所述任一帧图像的下一帧图像，得到对应于所述下一帧图像的背景图像，包括：

按照以下公式计算出对应于所述下一帧图像的背景图像：

其中，是对应于所述任一帧图像的下一帧图像的背景图像，是对应于所述任一帧图像的背景图像，f_n是所述任一帧图像的下一帧图像，n为正整数，在n是1时，背景图像是所述图像序列中的第一帧图像。