CN105260715B - 面向偏僻地段的小动物目标检测方法 - Google Patents

面向偏僻地段的小动物目标检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种面向偏僻地段的小动物目标检测方法。是基于多背景差和多特征融合的小动物目标检测方法,首先采用多背景差法检测视频中的小运动目标,降低偏僻地段草木运动对目标检测的影响;然后提取目标区域的Hu不变矩特征,初步筛选出疑似小动物目标;最后提取疑似小动物目标区域空间灰度的Haar‑like特征,依据Adaboost方法进行训练和分类,检测小动物目标。本发明采用多背景差法提高运动检测的环境适应能力,融合目标区域特征和空间灰度特征降低小动物目标检测虚警率,可广泛应用于智能监控系统。

Description

面向偏僻地段的小动物目标检测方法
技术领域
本发明涉及一种面向偏僻地段的小动物目标检测方法, 属于目标检测技术领域。
背景技术
随着电子技术的迅猛发展,基于视频的监控技术越来越普及,成为安全监控的主流。然而,目前视频监控需要人工辅助监视,智能化水平较低,耗费人力资源多,且易受人的主观因素影响,经常会遗漏许多可疑目标,导致重大损失。为提高视频监控的安全等级和降低人的劳动强度,越来越多的智能化方法被应用于视频监控领域。专利“周界智能防范系统(201420490640,2014)”采用雷达和红外传感器辅助视频监控,雷达传感器可以检测运动目标,红外传感器可以检测具有特定温度范围的目标,这两种传感器的检测信号采用“与”的方式进行融合,可以有效检测运动人体目标,并减少风吹草动等许多非人体运动引起的虚警现象。专利“一种面向周界防护的可疑目标监测方法(201110318587.7,2013)”采用区域HOG特征和SVM方法实现人体与车辆目标的智能检测,可以有效降低可疑人体与车辆目标对监视场所的威胁。文献“Rapid object detection using a boosted cascade of simplefeatures(CVPR,2001)”、“Histograms of oriented gradients for human detection(CVPR,2005)”等提出了基于图像灰度信息检测人体目标的方法,可以区分图像中的人体和背景。然而在偏僻地段,人体和车辆目标很少,视频监控需要关注的往往是一些小动物目标。尽管采用雷达与红外传感器也可以检测小动物目标,但虚警率较高。目前还未见有采用视频分析手段智能检测小动物目标的方法。
发明内容
为解决上述问题,本发明特提出一种面向偏僻地段的小动物目标检测方法,是一种基于多背景差和多特征融合的小动物目标检测方法,首先采用基于多背景差法的小运动目标检测方法,检测复杂环境下的运动目标;然后采用基于多特征融合的小动物目标分类方法,确认运动目标是否为小动物;最后将检测结果上传给视频监控系统,为监控系统的安全预警提供依据。
为实现上述的发明目的,本发明采用下述的技术方案,流程图如图1所示:
1基于多背景差法的小运动目标快速检测方法
对于监控场景,需要防范的目标首先是运动的。因此,需要先提取运动目标,再辨别目标属性。常用的运动检测方法有背景差法、帧差法和光流法。其中光流法速度太慢,难以满足监控系统的实时性要求,在实用系统中很少考虑;帧差法检测的运动目标常存在孔洞或断裂现象,对辨别目标属性非常不利。故本发明采用背景差法检测运动目标。然而,背景差法受环境变化影响较大。在偏僻地段,一般草木茂盛,当有风时场景中运动非常复杂,导致真实运动目标与草木的运动很难区分,尤其是小运动目标很难提取。为提高算法对环境的适应能力,本发明提出一种多背景差法,采用随机运算对背景进行更新,通过融合多背景差分结果过滤环境干扰,实现复杂环境下的小运动目标检测。具体步骤为:
Step1 背景初始化
对于初始帧图像,随机生成幅背景图像,记为
其中,表示第幅背景图像像素点处的灰度。为随机偏移量,表示为
其中,函数rand为随机数,为变量,表示取值范围为变量a和b构成的闭区间上的随机数,为一整数。
本发明中,取=20。
Step2 距离计算
对当前帧图像,计算像素点与背景图像序列的距离:
Step3 像素点属性判断
当像素点与背景图像序列的个距离中如果存在个小于阈值,那么判定像素点为背景,记为0,否则为目标,记为1。
其中,BW(x,y)为二值图像BW在(x,y)处的取值;
表示满足条件的数量。本发明中,取=5,=10。
Step4 背景更新
采用随机更新策略,对背景图像进行更新,具体地
其中,参数是一个经验值,用于控制背景更新的快慢,取值越大背景更新越快,这里取值为0.02。
Step5 采用数学形态学的“顶帽变换”方法对二值图像BW进行滤波,然后采用8-邻接连通方法搜索和标记目标。
2、基于多特征融合的小动物目标检测方法
小动物主要指猫、狗、狼等爬行动物,这些动物有一些共同的特征,譬如四肢爬行、有尾巴等,可以采用形状特征进行区分。常用的形状特征有三类:区域特征(如长宽比、面积、Hu不变矩)、轮廓特征(如傅里叶描述子、链码)、空间灰度特征(如Haar-like、HoG)。区域特征比较简单,求解速度快,但区分能力弱;轮廓特征受目标分割效果影响很大,实用价值不大;空间灰度特征区分能力强,但求解速度非常慢。结合上述特征的优缺点,本发明提出一种基于多特征融合的小动物目标检测方法,首先对于运动目标提取区域的Hu不变矩特征,初步筛选出疑似小动物目标;然后提取Haar-like特征,结合Adaboost方法,辨别疑似目标是否为小动物。通过融合区域特征和空间灰度特征,可以快速可靠检测小动物目标。详细介绍如下。
(1)区域特征提取与分类
对于运动目标的二值图像BW,提取七个Hu不变矩特征:
其中,
其中,WH分别为运动目标的宽度和高度,BW(i,j)表示二值图像BW上像素点(i,j)的灰度值。中p、q为标记符号,如中p=2、q=0。
然后,按照最小欧式距离准则,计算运动目标块的Hu不变矩与训练得到的小动物目标的Hu不变矩的距离:
其中,表示运动目标块的第k个Hu不变矩,表示训练样本中小动物目标的第k个Hu矩(k=1,2,…,7),获取方法为:通过人工裁剪的方式,获取监控视频中的小动物目标,并二值化,得到小动物目标的二值图像,然后求取Hu不变矩,不同训练样本中的小动物目标的Hu不变矩特征通过均值滤波方法,得到
最后,采用固定阈值法筛选疑似小动物目标,具体地,如果d<T2,则认为当前运动目标为疑似小动物目标,进一步进行空间灰度特征的提取与分类;否则,继续检测下一目标。本发明取T2=8.0。
(2)空间灰度特征提取与分类
对于疑似小动物目标的灰度图像I,提取空间灰度的Haar-like特征,采用Adaboost方法进行训练和分类,辨别目标属性,主要步骤包括:
Step1:特征提取
Haar-like特征有四种类型,如图2所示。
Haar-like特征值为:用黑色矩形内所有象素的灰度和减去白色矩形内所有象素的灰度和。为了便于计算和表示,可以采用下式计算Haar-like特征值:
Value=graySum(black)weight(black)-graySum(all)
其中,graySum(black)为黑色矩形特征内所有象素的灰度和,weight(black)为黑色矩形的权重,其值为整个大矩形的面积除以黑色矩形的面积,graySum(all)为整个大的矩形的灰度和。
由于图像中目标尺寸不同,Haar-like特征值需要进行归一化处理,具体实现方法是用上式得到的特征值除以整个矩形的面积。
具体实现时,可以采用积分图方法快速求取Haar-like特征值。对于输入图像I,像素点处的积分图定义如下:
其中,为图像在点处的像素值。如图3所示,积分图等于图中灰色部分的所有像素值的和。
为了得到输入图像I的积分图像,需要逐点扫描图像一次。设为输入图像各点的像素灰度值,为输入图像中像素点所在纵坐标不超过该点的所有像素灰度值之和,则图像I的积分图可按如下递推公式计算:
其中,x和y从0开始,定义,
Step2 特征训练与分类
在训练阶段,将小动物目标作为正样本、其他目标作为负样本,提取目标图像的Haar-like特征,构建如下弱分类器:
其中,表示第j个特征的特征值;表示弱分类器的值,1表示为小动物目标,0表示其他目标;表示弱分类器的阈值;表示不等号的方向,取值为-1或+1,如果正样本被分类在阈值以下,,否则;x表示一个待检子窗口。
采用Adaboost方法挑选出一些最能代表小动物目标的弱分类器,按照加权投票方式将弱分类器训练成一个强分类器。在分类阶段,使用一定的搜索窗口对目标区域图像进行逐像素扫描,然后对每一个搜索窗口,使用图4所示的级联分类器去判断其是否为小动物目标,具体实现过程详见“Rapid object detection using a boosted cascade ofsimple features(CVPR,2001)”。
如果检测到小动物目标,将检测结果上传给视频监控系统,为监控系统的安全预警提供依据。
本发明的优点在于:提出基于多背景图像差分和多特征融合的小动物目标检测方法,提高了小动物目标检测的速度和精度,可以智能检测监控视频中是否存在小动物目标,提高智能监控系统的安全性和智能化水平。
附图说明
图1 小动物目标检测流程图,
图2 Haar-like特征类型,
图3 积分图像,
图4 级联分类器结构。
具体实施方式
本发明提出一种基于多背景差和多特征融合的小动物目标检测方法,首先采用多背景差法检测视频中的小运动目标,降低偏僻地段草木运动对目标检测的影响;然后提取目标区域的Hu不变矩特征,初步筛选出疑似小动物目标;最后提取疑似小动物目标区域空间灰度的Haar-like特征,依据Adaboost方法进行训练和分类,检测小动物目标。本发明采用多背景差法提高运动检测的环境适应能力,融合目标区域特征和空间灰度特征降低小动物目标检测虚警率,可广泛应用于智能监控系统。

Claims (1)

1.面向偏僻地段的小动物目标检测方法,是基于多背景差和多特征融合的小动物目标检测方法,首先采用基于多背景差法的小运动目标检测方法,检测复杂环境下的运动目标;然后采用基于多特征融合的小动物目标分类方法,确认运动目标是否为小动物;最后将检测结果上传给视频监控系统,为监控系统的安全预警提供依据,其特征在于,具体步骤如下:
步骤1、基于多背景差法的小运动目标快速检测方法
采用一种多背景差法检测运动目标,采用随机运算对背景进行更新,通过融合多背景差分结果过滤环境干扰,实现复杂环境下的小运动目标检测,
步骤2、基于多特征融合的小动物目标检测方法
首先对于运动目标提取区域的Hu不变矩特征,初步筛选出疑似小动物目标;然后提取Haar-like特征,结合Adaboost方法,辨别疑似目标是否为小动物,通过融合区域特征和空间灰度特征,检测小动物目标,
步骤3、如果检测到小动物目标,将检测结果上传给视频监控系统,为监控系统的安全预警提供依据;
所述步骤1具体内容为:
Step1.1背景初始化
对于初始帧图像I0,随机生成N幅背景图像,记为Bi,i=0,1,…,N-1:
Bi(x,y)=I0(x+dx,y+dy)
其中,Bi(x,y)表示第i幅背景图像像素点(x,y)处的灰度,(dx,dy)为随机偏移量,表示为
其中,函数rand(a,b)表示取值范围为变量a和b构成的闭区间[a,b]上的随机数,为一整数;本发明中,取N=20;
Step1.2距离计算
对当前帧图像I,计算像素点(x,y)与背景图像序列的距离:
Di(x,y)=|I(x,y)-Bi(x,y)|,i=0,1,…,N
Step1.3像素点属性判断
当像素点(x,y)与背景图像序列的N个距离中如果存在M个小于阈值T,那么判定像素点(x,y)为背景,记为0,否则为目标,记为1;
其中,Num(q)表示满足条件q的数量,本发明中,取M=5,T=10,BW(x,y)为二值图像BW在(x,y)处的取值;
Step1.4背景更新
采用随机更新策略,对背景图像进行更新,具体地
其中,参数α是一个经验值,用于控制背景更新的快慢,取值越大背景更新越快,这里取值为0.02;
Step1.5采用数学形态学的“顶帽变换”方法对二值图像BW进行滤波,然后采用8-邻接连通方法搜索和标记目标;
所述步骤2具体内容为:
(1)区域特征提取与分类
对于运动目标的二值图像BW,提取七个Hu不变矩特征:
Φ1=η2002
Φ2=(η2002)2+4η11 2
Φ3=(η30-3η12)2+(3η2103)2
Φ4=(η3012)2+(η2103)2
Φ5=(η30-3η12)(η3012)[(η3012)2-3(η2103)2]+
(3η2103)(η2103)[3(η3012)2-(η2103)2]
Φ6=(η2002)[(η3012)2-(η2103)2]+4η113012)(η2103)
Φ7=(3η1230)(η3012)[(η3012)2-3(η2103)2]+
(3η2103)(η2103)[3(η3012)2-(η1230)2]
其中,
其中,W和H分别为运动目标的宽度和高度,BW(i,j)表示二值图像BW上像素点(i,j)的灰度值;ηpq中p、q为标记符号;
然后,按照最小欧式距离准则,计算运动目标块的Hu不变矩与训练得到的小动物目标的Hu不变矩的距离:
其中,Φk表示运动目标块的第k个Hu不变矩,Φk (0)表示训练样本中小动物目标的第k个Hu矩(k=1,2,…,7),获取方法为:通过人工裁剪的方式,获取监控视频中的小动物目标,并二值化,得到小动物目标的二值图像,然后求取Hu不变矩,不同训练样本中的小动物目标的Hu不变矩特征通过均值滤波方法,得到Φk (0)
最后,采用固定阈值法筛选疑似小动物目标,具体地,如果d<T2,则认为当前运动目标为疑似小动物目标,进一步进行空间灰度特征的提取与分类;否则,继续检测下一目标,本发明取T2=8.0;
(2)空间灰度特征提取与分类
对于疑似小动物目标的灰度图像I,提取空间灰度的Haar-like特征,采用Adaboost方法进行训练和分类,辨别目标属性,步骤包括:
Step2.1:特征提取
Haar-like特征有四种类型,
Haar-like特征值为:用黑色矩形内所有象素的灰度和减去白色矩形内所有象素的灰度和,采用下式计算Haar-like特征值:
Value=graySum(black)×weight(black)-graySum(all)
其中,graySum(black)为黑色矩形特征内所有象素的灰度和,weight(black)为黑色矩形的权重,其值为整个大矩形的面积除以黑色矩形的面积,graySum(all)为整个大的矩形的灰度和;
由于图像中目标尺寸不同,Haar-like特征值需要进行归一化处理,具体实现方法是用上式得到的特征值除以整个矩形的面积;
具体实现时,采用积分图方法求取Haar-like特征值,对于输入图像I,像素点(x,y)处的积分图ii(x,y)定义如下:
其中,I(x',y')为图像在点(x',y')处的像素值,积分图ii(x,y)等于图中灰色部分的所有像素值的和;
为了得到输入图像I的积分图像,需要逐点扫描图像一次,设I(x,y)为输入图像各点的像素灰度值,为输入图像中像素点(x,y)所在纵坐标不超过该点的所有像素灰度值之和,则图像I的积分图按如下递推公式计算:
其中,x和y从0开始,定义s(x,-1)=0,ii(-1,y)=0,
Step2.2特征训练与分类
在训练阶段,将小动物目标作为正样本、其他目标作为负样本,提取目标图像的Haar-like特征,构建如下弱分类器:
其中,fj(x)表示第j个特征的特征值;hj(x)表示弱分类器的值,1表示为小动物目标,0表示其他目标:θj表示弱分类器的阈值;Pj表示不等号的方向,取值为-1或+1,如果正样本被分类在阈值以下,Pj=+1,否则Pj=-1;x表示一个待检子窗口;
采用Adaboost方法挑选出一些最能代表小动物目标的弱分类器,按照加权投票方式将弱分类器训练成一个强分类器,在分类阶段,使用一定的搜索窗口对目标区域图像进行逐像素扫描,然后对每一个搜索窗口,使用级联分类器去判断其是否为小动物目标。
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