CN104616290A - 一种统计矩阵模型和自适应阈值相结合的目标检测算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种统计矩阵模型和自适应阈值相结合的目标检测算法，首先利用视频前几帧初始化背景图像，利用背景减法初步提取前景，然后利用帧差法不断累计该前景区域中像素值变化幅度小的像素点出现的次数，并用一统计矩阵来存储对应像素点累计变化的次数，当次数超过一定值时，则更新当前前景点为背景点，从而获得准确的背景图像用于后续的背景减法，最后利用自适应阈值二值化分割得到目标区域；其中，各像素点的二值化阈值由该点所在窗口内的所有当前像素值与背景像素值的差值自适应确定。本发明实现了背景的快速更新和目标的准确检测。

Description

一种统计矩阵模型和自适应阈值相结合的目标检测算法

技术领域

本发明涉及智能视频监控算法领域，具体是一种统计矩阵模型和自适应阈值相结合的目标检测算法。

背景技术

智能视频监控系统通过对场景中发生的行为、事件进行分析，判断是否有可疑目标或者危险事件发生并及时报警，起到预防事故发生，减少财产损失的作用。在智能视频监控系统中，一般先通过目标检测及跟踪获得目标在整个运动过程中的位置、大小、方向、速度等状态信息，再基于这些状态信息进行目标识别、行为分析、事件检测及报警，所以运动目标的准确检测是实现智能视频监控的前提。

目标检测的主要目的就是提取运动目标在视频图像中的轮廓，大小，形状和位置信息。监控场景中除了感兴趣的人和车等目标外，往往存在光照变化、阴影、风吹草动、落叶、雨雪等干扰，另外还可能存在目标密集、遮挡等情况。这些复杂性给运动目标的检测带来了极大的挑战。

目前目标检测的主流方法有三种：光流场法、帧差法和背景减法。光流场法是利用图像序列中像素在时间域上的变化以及相邻帧之间的相关性来找到上一帧跟当前帧之间存在的对应关系，从而计算出相邻帧之间物体的运动信息的一种方法。算法可以反映出图像上每一点的灰度的变化趋势，获得各像素点的瞬时运动速度矢量信息，但由于其拥有复杂的计算和过低的检测效率已逐渐被后两种方法取代。帧差法，就是利用相邻视频帧的差值来获得运动目标。算法简单，实时性好，但是仅适用于摄像头静止、背景变化小等简单情况，且提取的目标不完整，特别是当目标静止时，会丢失目标。背景减法，就是将当前帧与背景图像相减得到目标，背景图像可以利用以前的若干视频帧学习得到。该方法提取的目标区域比较完整，算法的复杂度低，得到了广泛应用。

常用的背景减法有高斯混合模型和VIBE目标检测算法。高斯混合模型算法可应用于光照缓慢变化以及存在重复运动目标的复杂场景中背景的准确建模，尤其适用于有光线缓慢变化和天气变化小而目标运动速度较快的目标检测，但其计算复杂度高，目标检测速度低；VIBE目标检测算法，由于引入了随机的思想，它对于不同的视频序列都有一定的适应性，但也因此在检测的结果中产生噪声导致检测结果不准确，而且算法无法解决由光照突变带来的误检情况，另外算法的检测速度也较慢，无法满足实时性的要求。为了得到准确的目标区域，背景减法要解决的根本问题是如何更新得到正确的背景图像，高斯混合模型和VIBE目标检测算法由于不能快速得到正确的背景，导致检测结果不是很理想。考虑到视频中前景与背景相同位置处的像素值有所差异，而且如果图像中某点的像素值在一段时间内的变化幅度一直很小，则应该将其更新至背景中的思想，本发明算法首先基于背景减法初步提取前景区域，然后不断统计视频的相邻两帧中同一位置差值较小的前景像素点出现的次数，超过一定数值则将该点更新至背景，通过调整数值的大小就能实现快速准确更新背景。对于前景与背景同一位置的像素值差异小的情况，通过减小前景判定阈值的方式二值化分割前景就能使检测的目标更加完整。

发明内容

本发明的目的是提供一种统计矩阵模型和自适应阈值相结合的目标检测算法，以解决现有技术背景减法中存在的背景更新慢、目标检测结果不准确的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种统计矩阵模型和自适应阈值相结合的目标检测算法，基于统计矩阵模型的背景建模和局部自适应阈值二值化目标分割，其特征在于：首先利用视频前几帧初始化背景图像，利用背景减法初步提取前景，然后利用帧差法不断累计该前景区域中像素值变化幅度小的像素点出现的次数，并用一统计矩阵来存储对应像素点累计变化的次数，当次数超过一定值时，则更新当前前景点为背景点，从而获得准确的背景图像用于后续的背景减法，最后利用自适应阈值二值化分割得到目标区域；其中，各像素点的二值化阈值由该点所在窗口内的所有当前像素值与背景像素值的差值自适应确定，具体步骤如下：

(1)、采用统计矩阵模型进行背景建模，包括以下步骤：

1)、利用初始视频初始化背景图像B、前景标记矩阵O和统计矩阵S；

2)、读入下一帧图像，若某像素点当前像素值与对应背景像素值绝对差值大于前景判定阈值，则确定其为前景像素点并更新前景标记矩阵O：

O_i,j(k)＝1；|D_i,j(k)|＞Tf     (1)，

若该点还同时满足相邻帧像素值变化幅度小，则增加统计矩阵S中对应点的值：

S_i,j(k)＝S_i,j(k-1)+1；|F_i,j(k)|＜Tb && |D_i,j(k)|＞Tf     (2)，

若确定当前帧中的某点为前景像素点，同时该点与前一帧像素值相差较大或者统计矩阵S中当前位置值大于累计上限值，则将矩阵S中当前位置的值清零：

S_i,j(k)＝0；|D_i,j(k)|＞Tf && (|F_i,j(k)|＞Tb||S_i,j(k)＞θ)     (3)，

其中，D_i,j(k)为第k帧I_i,j(k)与背景帧B_i,j(k)在(i,j)位置处的差值，F_i,j(k)为相邻两帧帧差结果，Tf为前景判定阈值，阈值Tb用来判断相邻帧像素值变化幅度的大小，θ为统计矩阵的累计上限值；

3)、检测出前景像素点之后，判断其在统计矩阵S中对应位置处的值是否达到累计上限值θ，若是，则更新背景B：

B_i,j(k)＝I_i,j(k)*α+B_i,j(k)*(1-α) |D_i,j(k)|＞Tf && S_i,j(k)＝θ,0＜α≤1     (4)

其中α是更新系数，用来调节背景更新的速度；

(2)、自适应阈值二值化目标分割，包括以下步骤：

1)、定义二值化分割阈值矩阵T，T中所有元素的初值设为25；

2)、将当前帧和背景帧图像相减得到差值图像；

3)、以w*w的窗口对背景和当前帧图像进行扫描，w一般为5，计算差值图像在这一窗口内的像素平均值e，若e在18和25之间，则将T矩阵中对应该窗口内的所有w*w个元素值都修正为e+1，否则T矩阵中的对应窗口内的元素值不变仍为25；

4)、利用矩阵T对差值图像进行二值化分割，得到前景，再对前景进行阴影消除、形态学滤波、连通域扫描得到运动目标所在的区域，实现目标检测。

本发明通过背景减法初步提取前景区域，并不断统计该区域内较前一帧变化差异小的像素点在视频中出现的次数来决定背景像素点的更新与否，同时利用当前帧图像像素值与背景像素值的差值自适应确定前景判定阈值的方法实现了背景的快速更新和目标的准确检测。

附图说明

图1为视频序列1利用不同算法更新得到的背景，其中：

图1a、图1b、图1c和图1d分别对应第1、30、70和120帧由算法得到的背景图像，上图采用的是本发明方法，下图采用的是高斯混合模型方法。

图2由上到下分别为视频序列2在第80、160和240帧的目标检测结果，其中：

图2a为视频当前帧图片，图2b为本发明方法前景目标标记结果，图2c为高斯混合模型方法前景目标标记结果，图2d为VIBE目标检测算法的前景目标标记结果。

图3为不同算法处理不同视频序列每一帧所用的时间(前100帧平均)。

图4为本目标检测算法的流程图。

具体实施方式

本发明中：

(1)统计矩阵模型背景建模

由于在背景初始化和更新的过程中会出现前景混入背景的情况，普通的背景减法背景更新速度慢，将会出现目标的误检。因此，在视频处理的过程中及时判断检测出来的目标像素点是否准确是提高检测效果的首要任务。统计矩阵模型更新背景的方法就能很好地解决这一缺陷，首先利用视频前几帧初始化背景，接着使用背景减法得到初步的前景区域，然后找出该区域与前一帧图像同一位置处像素值差值较小的点，统计这些点在连续视频序列中满足该情况的次数，对于超过一定数值的点，把其对应的当前帧像素值更新至背景中。该算法流程如下：

1)利用视频的第一帧图像初始化背景矩阵B，同时初始化前景标记矩阵O和统计矩阵S为零，前景标记矩阵O中值为1的所有点构成目标所在的区域；

2)读入视频下一帧图像，计算当前帧和背景图像的差值，若差值大于Tf则判定当前位置为目标区域像素点，并修改矩阵O中的值，如下式所示：

O_i,j(k)＝1；|D_i,j(k)|＞Tf

式中D_i,j(k)为第k帧I_i,j(k)与背景帧B_i,j(k)在(i,j)位置处的差值，Tf为前景判定阈值。

对矩阵S中的每个值按公式1、2进行更新：

S_i,j(k)＝S_i,j(k-1)+1；|F_i,j(k)|＜Tb &&|D_i,j(k)|＞Tf

(1)

S_i,j(k)＝0；|D_i,j(k)|＞Tf && (|F_i,j(k)|＞Tb||S_i,j(k)＞θ)

(2)

其中，F_i,j(k)＝I_i,j(k)-I_i,j(k-1)为帧差结果，阈值Tb用来判断相邻帧像素值变化幅度的大小，θ为统计矩阵的累计上限值。

若当前位置判定为前景像素点，同时满足帧差结果小于Tb，即在视频前一帧中该位置的像素点也是前景像素，则累加统计矩阵S当前位置处的值；若当前点确定为前景像素点，同时帧差绝对值|F_i,j(k)|大于阈值Tb或者统计矩阵S中当前位置的值超过累计上限，则将该值清零并重新计数。

统计矩阵S中的每个点在清零前都会进行背景图像的更新，对于场景变化较快的视频，需要快速更新出背景以满足检测的需求，θ的值应设置小一些；而对于目标移动较慢的视频，若θ的值偏小，则可能将前景像素更新至背景中，出现误检的现象，θ的值应偏大。

3)背景B更新的公式如下：

B_i,j(k)＝I_i,j(k)*α+B_i,j(k)*(1-α) |D_i,j(k)|＞Tf && S_i,j(k)＝θ,0＜α≤1

其中α是更新系数，若当前帧和背景图像的绝对差值D_i,j(k)大于阈值Tf且统计矩阵S中当前位置像素值达到累计上限值θ，则表示当前位置的像素点的属性(前景或者背景)已长时间未发生改变，故将当前帧中的像素I_i,j(k)按公式更新至背景B_i,j(k)中。

随着视频的不断读入，本发明得到的背景图像将趋于完整，准确。

(2)自适应阈值

对于前面的背景建模来说，如果前景判定阈值Ts过大会导致运动目标区域检测不完整，过小则会受到严重的噪声干扰而得不到准确的检测结果，尽管将Ts作为全局阈值设置为25时对视频的每一帧都能检测出较大部分的准确目标区域，但对于目标的部分区域与背景中相同区域的像素值相近的情况，检测结果较差，如果能适当的减小阈值Ts的大小，则能更加完整的将目标区域标记出来。本发明提出了利用自适应阈值进一步提高目标检测准确性的方法：

1)定义二值化分割阈值矩阵T，T的行列与视频图像的宽高一致，T中的所有元素初始值设定为25。

2)将当前帧和背景帧图像相减得到差值图像。

3)以w*w(w一般为5)的窗口对背景和当前帧图像进行扫描，计算差值图像在这一窗口内的像素平均值e，若e在18和25之间，则将T矩阵中对应该窗口内的所有w*w个元素值都修正为e+1，否则T矩阵中的对应窗口内的元素值不变(仍为25)。

4)利用矩阵T对差值图像进行二值化分割，得到前景。再对前景进行阴影消除、形态学滤波、连通域扫描得到运动目标所在的区域，实现目标检测。

本发明通过统计目标检测结果中每一个前景像素点在连续视频帧中变化的次数，根据不同视频场景设置合理的阈值，能够快速更新出背景，并通过减小二值化阈值的方式弥补普通背景减法中全局阈值检测目标的不足，从而完整地得到运动目标所在区域，满足了视频后期处理的需要。目标检测结果和算法速度比较见图1、2、3。

本发明实施过程主要分为两大部分：第一步是利用统计矩阵模型结合自适应阈值的方法对视频序列进行背景建模，分割出前景目标区域；第二步是对阴影和噪声干扰的剔除，并对二值化图像进行形态学处理和连通域扫描得到准确的目标区域。

第一部分：背景建模

采用统计矩阵模型背景建模，该算法流程如下：

1)输入第一帧视频图像作为背景矩阵B，同时初始化前景标记矩阵O和统计矩阵S为全零，三个矩阵的行列与原始视频图像宽高相同；

2)读入视频下一帧图像，对矩阵O和S中的每个值按公式1、2、3进行更新：

O_i,j(k)＝1；|D_i,j(k)|＞Tf

(1)

S_i,j(k)＝S_i,j(k-1)+1；|F_i,j(k)|＜Tb && |D_i,j(k)|＞Tf

(2)

S_i,j(k)＝0；|D_i,j(k)|＞Tf && (|F_i,j(k)|＞Tb||S_i,j(k)＞θ)

(3)

D_i,j(k)＝I_i,j(k)-B_i,j(k)为第k帧I_i,j(k)与背景帧B_i,j(k)在(i,j)位置处的差值，F_i,j(k)＝I_i,j(k)-I_i,j(k-1)为帧差结果，Tf为前景判定阈值，设定为25，阈值Tb用来判断相邻帧像素值变化幅度的大小，设定为10，θ为统计矩阵的累计上限值。若当前帧与背景图像像素绝对差值大于Tf，则将前景标记矩阵O当前位置处的值置1，若还同时满足帧差结果小于Tb，则将统计矩阵S当前位置处的值加1；若当前帧和背景图像的绝对差值D_i,j(k)大于阈值Tf，同时帧差绝对值|F_i,j(k)|大于阈值Tb或者统计矩阵S中当前位置像素值大于θ，则将矩阵S中的当前位置的值清零。对于场景变化较快的视频帧，θ参考值为10；反之则设为100。

3)背景B按公式4更新：

B_i,j(k)＝I_i,j(k)*α+B_i,j(k)*(1-α) |D_i,j(k)|＞Tf && S_i,j(k)＝θ,0＜α≤1

(4)

其中α是更新系数，设定为0.9，若当前帧和背景图像的绝对差值D_i,j(k)大于阈值Tf且统计矩阵S中当前位置像素值等于θ，则将当前帧中的像素I_i,j(k)按式4更新至背景B_i,j(k)中。

其中阈值Ts利用下述方法得到：

1)定义二值化分割阈值矩阵T，T的行列与视频图像的宽高一致，初始化T中所有的值为25。

2)将当前帧和背景帧图像相减得到差值图像。

3)以w*w(w一般为5)的窗口对背景和当前帧图像进行扫描，计算差值图像在这一窗口内的像素平均值e，若e在18和25之间，则将T矩阵中对应该窗口内的所有w*w个元素值都修正为e+1，否则T矩阵中的对应窗口内的元素值不变(仍为25)。为保证扫描到图像中的每一个点，采用最近邻插值法对图像进行扩展。

4)利用矩阵T对差值图像进行二值化分割，得到前景。再对前景进行阴影消除、形态学滤波、连通域扫描得到运动目标所在的区域，实现目标检测。

第二部分：准确标记目标区域

本发明利用中值滤波初步剔除前景图像中混入的椒盐噪声，然后通过将图像由RGB颜色空间转化为HSV颜色空间消除目标阴影的影响，对于光照突变的帧序列，重新初始化背景这三个方法完善检测结果，最后利用形态学滤波填补部分目标内部空缺部分，连接割裂的区域，消除部分噪声的干扰，准确标记目标区域。

Claims (1)

1.一种统计矩阵模型和自适应阈值相结合的目标检测算法，基于统计矩阵模型的背景建模和局部自适应阈值二值化目标分割，其特征在于：首先利用视频前几帧初始化背景图像，利用背景减法初步提取前景，然后利用帧差法不断累计该前景区域中像素值变化幅度小的像素点出现的次数，并用一统计矩阵来存储对应像素点累计变化的次数，当次数超过一定值时，则更新当前前景点为背景点，从而获得准确的背景图像用于后续的背景减法，最后利用自适应阈值二值化分割得到目标区域；其中，各像素点的二值化阈值由该点所在窗口内的所有当前像素值与背景像素值的差值自适应确定，具体步骤如下：

(1)、采用统计矩阵模型进行背景建模，包括以下步骤：

1)、利用初始视频初始化背景图像B、前景标记矩阵O和统计矩阵S；

2)、读入下一帧图像，若某像素点当前像素值与对应背景像素值绝对差值大于前景判定阈值，则确定其为前景像素点并更新前景标记矩阵O：

O_i,j(k)＝1； |D_i,j(k)|＞Tf   (1)，

若该点还同时满足相邻帧像素值变化幅度小，则增加统计矩阵S中对应点的值：

S_i,j(k)＝S_i,j(k-1)+1； |F_i,j(k)|＜Tb &&|D_i,j(k)|＞Tf   (2)，

若确定当前帧中的某点为前景像素点，同时该点与前一帧像素值相差较大或者统计矩阵S中当前位置值大于累计上限值，则将矩阵S中当前位置的值清零：

S_i,j(k)＝0； |D_i,j(k)|＞Tf &&(|F_i,j(k)|＞Tb||S_i,j(k)＞θ)   (3)，

其中，D_i,j(k)为第k帧I_i,j(k)与背景帧B_i,j(k)在(i,j)位置处的差值，F_i,j(k)为相邻两帧帧差结果，Tf为前景判定阈值，阈值Tb用来判断相邻帧像素值变化幅度的大小，θ为统计矩阵的累计上限值；

3)、检测出前景像素点之后，判断其在统计矩阵S中对应位置处的值是否达到累计上限值θ，若是，则更新背景B：

B_i,j(k)＝I_i,j(k)*α+B_i,j(k)*(1-α) |D_i,j(k)|＞Tf &&S_i,j(k)＝θ,0＜α≤1   (4)

其中α是更新系数，用来调节背景更新的速度；

(2)、自适应阈值二值化目标分割，包括以下步骤：

1)、定义二值化分割阈值矩阵T，T中所有元素的初值设为25；

2)、将当前帧和背景帧图像相减得到差值图像；

3)、以w*w的窗口对背景和当前帧图像进行扫描，w一般为5，计算差值图像在这一窗口内的像素平均值e，若e在18和25之间，则将T矩阵中对应该窗口内的所有w*w个元素值都修正为e+1，否则T矩阵中的对应窗口内的元素值不变仍为25；

4)、利用矩阵T对差值图像进行二值化分割，得到前景，再对前景进行阴影消除、形态学滤波、连通域扫描得到运动目标所在的区域，实现目标检测。