CN105426813B - 一种视频异常行为检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种视频异常行为检测方法。本发明的步骤是:首先,对视频序列采用三维尺度不变特征变换描述子提取目标时空块特征。其次,以时空块作为节点,计算节点时空特征的时间与空间混乱属性,并结合节点中目标光流速度及各个节点之间的Kullback‑Leibler距离构建时空检测模型。本发明为不同位置的时空块训练出不同的光流阈值,消除了目标距离摄像头远近对光流特征提取造成的影响,局部时空特征与全局信息相结合对局部异常行为与全局异常行为都具有较好的检测效果,且提高了检测率。

Description

一种视频异常行为检测方法
技术领域
本发明属于图像与视频处理技术领域,涉及一种视频异常行为检测方法。
背景技术
视频检测是计算机视觉领域最重要的应用之一,从视频序列中检测出异常事件有相当大的实际意义。其中,基于视频的人群异常行为检测尤为重要,这项技术对区域内人群进行检测,可以将潜在的危险事件检测出来,从而提高相关部门的响应和救援效率。人群异常事件检测就是从监控视频中发现异于正常的事件,并发出警报。通常人群异常事件可以分为局部异常事件和全局异常事件,其中,局部异常事件是指人群中某些个体的行为异于其他个体的行为,例如步行街上的骑车、轮滑和车辆通行等。全局异常事件是指监控区域中多个个体行为异于之前群体的行为,如人群恐慌、踩踏以及道路上的群体聚集等。
近年来已经有了多种针对异常检测的模型,经典的社会动力模型利用粒子流来近似人群流以克服行人难以跟踪的问题,通过计算粒子之间的交互力来建立社会动力模型,但是该模型缺乏社会行为特性,并没有将人群的运动行为特性反映出来。针对此问题,在社会动力模型基础上,引入了社会属性对群体行为特性进行表达,虽然这类方法较好的表达了社会行为特性,但是仅仅利用了目标的局部时空特征,忽略了全局运动。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足,提供一种视频异常行为检测方法。
本发明所采用的技术方案如下:
步骤(1)计算时空描述符,具体如下:
对每帧图像按从上到下、从左到右划分成互不重叠的大小为M×P的块,并对各块进行目标检测,得到目标时空块集合V={Vi,j,t},1≤i≤M,1≤j≤P,由于某些块中可能没有检测到目标,实际的目标块数目为N,0≤N≤M×P:
Vi,j,t={(i,j,t)‖|i-oi|≤δ∩|j-oj|≤δ∩|t-to|≤δ}
取δ=1,即目标时空块Vi,j,t由2×2×2=8个子块构成,分别包括目标块、目标块的空间邻域及目标块的时域邻域信息,其中(oi,oj)是待检测的目标块坐标,1≤oi≤M,1≤oj≤P,t0是当前帧的时刻。(i,j,t)指代t时刻的目标块坐标为(i,j)。
使用三维尺度不变特征变换描述子(3D-SIFT)提取每个目标时空块Vi,j,t的特征值,3D-SIFT包含3个子描述符,即幅值M3D、方向角与梯度方向θ。梯度方向θ表征向量在图像坐标xy平面上的投影与x轴的夹角,方向角表征向量与xy平面的夹角。θ取值为(-π,π),取值为(-π/2,π/2)。对θ与按45°为间隔进行量化,分别建立8通道和4通道的直方图θ和对M3D建立4通道的直方图,这样每个目标时空块Vi,j,t能够得到2×2×2×(8+4+4)=128维特征向量,1≤i≤M,1≤j≤P。
步骤(2)计算时域混乱属性,具体如下:
时域混乱属性是从时间上对目标局部区域运动特性进行描述,利用统计的方向特征来建立人群时域混乱属性,定义为:
其中是对目标时空块Vi,j,t构建的方向角直方图,的熵值,熵值定义为q为的维数。sgn(·)为符号函数,为熵阈值,采用对正常样本视频序列训练得到。的元素的概率;
步骤(3)计算空域混乱属性,具体如下:
空域混乱属性是从空间上对目标局部区域运动特性进行描述,利用统计的方向特征来建立人群空域混乱属性,定义为:
Wθ=B exp(H(θ)-H(θT)) (4)
B=sgn(H(θ)-H(θT)) (5)
其中θ是对目标时空块Vi,j,t构建的梯度方向直方图,H(θ)为θ熵值,H(θT)为熵阈值,采用对正常样本视频序列训练得到。
步骤(4)计算光流属性,具体如下:
对于速度特性,由于不同位置的目标距离摄像头远近的差异,会对提取的光流特征造成不利影响,进而影响行为检测结果。因此本发明对于不同位置目标时空块Vi,j,t训练不同的光流阈值,以此来消除目标距离摄像头远近所造成的影响。
将当前目标时空块Vi,j,t作为一个节点xr,1≤r≤N,通过对目标速度与方向特性的描述,得到节点xr的局部检测模型:
其中τ为常量,vr为当前位置的光流速度,为当前位置光流阈值,通过样本训练得到。分别指代节点xr的时域混乱属性和空域混乱属性。
步骤(5)计算Kullback-Leibler距离属性,具体如下:
为了描述全局运动,引入Kullback-Leibler距离作为不同行为间的差异性。
Kullback-Leibler距离DKL定义如下:
这里xr与xs为当前帧中两个互异的节点,1≤s≤N,r≠s。m指代节点的维数;
步骤(6)构建异常检测模型:
通过以上四种属性对群体行为的描述,本发明构建的异常检测模型如下:
其中N为节点数,λ是平衡系数,当S(xr)>ε时,可认为目标运动异常,ε为设定的阈值。
本发明采用3D-SIFT提取目标时空块特征,并根据不同位置的块训练出不同的光流阈值,消除了目标距离摄像头远近对光流特征提取造成的影响。其次本发明将目标的局部时空特征与全局信息相结合,克服了以往方法的缺陷,提高了检测率。
附图说明
图1为异常检测模型训练示意图。
图2为异常检测模型测试示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施实例对本发明加以详细说明。
本发明的异常检测模型训练和测试流程如图1、图2所示,具体步骤如下:
步骤(1)计算时空描述符,具体是:
对每帧图像按从上到下、从左到右划分成互不重叠的大小为M×P的块,取M=P=20,并对各块进行目标检测,得到目标块集合V={Vi,j,t},1≤i≤M,1≤j≤P,由于某些块中可能没有检测到目标,实际的目标块数目为N,0≤N≤M×P。
Vi,j,t={(i,j,t)‖|i-oi|≤δ∩|j-oj|≤δ∩|t-to|≤δ} (1)
取δ=1,按式(1)计算Vi,j,t,即目标时空块Vi,j,t由2×2×2=8个子块构成,分别包括目标块、目标块的空间邻域及目标块的时域邻域信息,其中(oi,oj)是待检测的目标块坐标,1≤oi≤M,1≤oj≤P,t0是当前帧的时刻。
使用三维尺度不变特征变换描述子(3D-SIFT)提取每个目标时空块Vi,j,t的特征值,3D-SIFT包含3个子描述符,即幅值M3D、方向角与梯度方向θ。梯度方向θ表征向量在图像坐标xy平面上的投影与x轴的夹角,方向角表征向量与xy平面的夹角。θ取值为(-π,π),取值为(-π/2,π/2)。对θ与按45°为间隔进行量化,分别建立8通道和4通道的直方图θ和对M3D建立4通道的直方图,这样每一个时空块Vi,j,t可以得到2×2×2×(8+4+4)=128维特征向量,1≤i≤M,1≤j≤P。
步骤(2)计算时域混乱属性,具体如下:
时域混乱属性是从时间上对目标局部区域运动特性进行描述,利用统计的方向特征来建立人群时域混乱属性。按式(2)、(3)计算取q=32,采用对正常样本视频序列训练得到
步骤(3)计算空域混乱属性,具体如下:
空域混乱属性是从空间上对目标局部区域运动特性进行描述,利用统计的方向特征来建立人群空域混乱属性。按式(4)、(5)计算Wθ,采用对正常样本视频序列训练得到H(θT)=16.5。
Wθ=B exp(H(θ)-H(θT)) (4)
B=sgn(H(θ)-H(θT)) (5)
步骤(4)计算光流属性,具体如下:
对于速度特性,由于不同位置的目标距离摄像头远近的差异,会对提取的光流特征造成不利影响,进而影响行为检测结果。因此本发明对于不同位置块Vi,j,t训练出不同的光流阈值,以此来消除目标距离摄像头远近所造成的影响。
将当前时空块Vi,j,t作为一个节点xr,1≤r≤N,通过对目标速度与方向特性的描述,我们可以得到节点xr的局部检测模型,按式(6)计算F(xr),取τ=0.85。当前位置光流阈值通过样本训练得到,由于不同位置的目标距离摄像头远近的差异,不同位置的值有所不同,按从上到下分成20行为例,每5行的块作为一个组,分成4组,以组为单位按各组离摄像头的距离由远到近训练 的取值分别为0.05、0.6、1、2。
步骤(2)、(3)、(4)中H(θT)与结合UCSD Ped1数据集实例的训练过程如下:
1)输入正常样本视频序列。例如UCSD Ped1数据集中34个样本训练视频,每个训练视频有200帧。
2)对每帧图像从上到下、从左到右划分成不重叠大小为20×20的块。
3)对各块进行目标检测,得到目标块集合V。
4)对目标块提取3D-SIFT特征与光流速度,得到方向角的32维特征向量与梯度方向θ的64维特征向量及光流速度大小vr
5)对每帧提取的3D-SIFT特征、光流速度分别进行加权平均得到阈值H(θT)=16.5。
步骤(5)计算Kullback-Leibler距离属性,具体如下:
为了描述全局运动,引入Kullback-Leibler距离作为不同行为间的差异性。按式(7)计算DKL(xr‖xs)。
步骤(6)构建异常检测模型,如下:
通过以上四种属性对群体行为的描述,按式(8)计算S(xr),取λ=1.875。当S(xr)>ε时,可认为目标运动异常,取ε=1.45。

Claims (1)

1.一种视频异常行为检测方法,其特征在于其包含以下步骤:
步骤(1)计算时空描述符,具体如下:
对每帧图像按从上到下、从左到右划分成互不重叠的大小为M×P的块,并对各块进行目标检测,得到目标时空块集合V={Vi,j,t},1≤i≤M,1≤j≤P,由于某些块中可能没有检测到目标,实际的目标块数目为N,0≤N≤M×P:
Vi,j,t={(i,j,t)|||i-oi|≤δ∩|j-oj|≤δ∩|t-to|≤δ}
取δ=1,即目标时空块Vi,j,t由2×2×2=8个子块构成,分别包括目标块、目标块的空间邻域及目标块的时域邻域信息,其中(oi,oj)是待检测的目标块坐标,1≤oi≤M,1≤oj≤P,t0是当前帧的时刻;(i,j,t)指代t时刻的目标块坐标为(i,j);
使用三维尺度不变特征变换描述子提取每个目标时空块Vi,j,t的特征值,3D-SIFT包含3个子描述符,即幅值M3D、方向角与梯度方向θ;梯度方向θ表征向量在图像坐标xy平面上的投影与x轴的夹角,方向角表征向量与xy平面的夹角;θ取值为(-π,π),取值为(-π/2,π/2);对θ与按45°为间隔进行量化,分别建立8通道和4通道的直方图θ和对M3D建立4通道的直方图,这样每个目标时空块Vi,j,t能够得到2×2×2×(8+4+4)=128维特征向量,1≤i≤M,1≤j≤P;
步骤(2)计算时域混乱属性,具体如下:
时域混乱属性是从时间上对目标局部区域运动特性进行描述,利用统计的方向特征来建立人群时域混乱属性,定义为:
其中是对目标时空块Vi,j,t构建的方向角直方图,的熵值,熵值定义为q为的维数;sgn(·)为符号函数,为熵阈值,采用对正常样本视频序列训练得到;的元素的概率;
步骤(3)计算空域混乱属性,具体如下:
空域混乱属性是从空间上对目标局部区域运动特性进行描述,利用统计的方向特征来建立人群空域混乱属性,定义为:
Wθ=Bexp(H(θ)-H(θT)) (4)
B=sgn(H(θ)-H(θT)) (5)
其中θ是对目标时空块Vi,j,t构建的梯度方向直方图,H(θ)为θ熵值,H(θT)为熵阈值,采用对正常样本视频序列训练得到;
步骤(4)计算光流属性,具体如下:
对于速度特性,由于不同位置的目标距离摄像头远近的差异,会对提取的光流特征造成不利影响,进而影响行为检测结果;因此对于不同位置目标时空块Vi,j,t训练不同的光流阈值,以此来消除目标距离摄像头远近所造成的影响;
将当前目标时空块Vi,j,t作为一个节点xr,1≤r≤N,通过对目标速度与方向特性的描述,得到节点xr的局部检测模型:
其中τ为常量,vr为当前位置的光流速度,为当前位置光流阈值,通过样本训练得到;分别指代节点xr的时域混乱属性和空域混乱属性;
步骤(5)计算Kullback-Leibler距离属性,具体如下:
为了描述全局运动,引入Kullback-Leibler距离作为不同行为间的差异性;
Kullback-Leibler距离DKL定义如下:
这里xr与xs为当前帧中两个互异的节点,1≤s≤N,r≠s;m指代节点的维数;
步骤(6)构建异常检测模型:
通过以上四种属性对群体行为的描述,构建的异常检测模型如下:
其中N为节点数,λ是平衡系数,当S(xr)>ε时,认为目标运动异常,ε为设定的阈值。
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Denomination of invention: A video abnormal behavior detection method

Granted publication date: 20180925

License type: Common License

Record date: 20211109

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Effective date of registration: 20220104

Address after: 210000 room 3623, building 3, No. 625, geguan Road, Dachang street, Jiangbei new area, Nanjing, Jiangsu

Patentee after: Nanjing Jianchang Technology Co.,Ltd.

Address before: Room 806, building 5, Wuhu navigation Innovation Park, Wanbi Town, Wanbi District, Wuhu City, Anhui Province

Patentee before: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right
EC01 Cancellation of recordation of patent licensing contract

Assignee: Hangzhou Julu enterprise management consulting partnership (L.P.)

Assignor: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021330000726

Date of cancellation: 20221103

Assignee: Hangzhou Qihu Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021330000547

Date of cancellation: 20221103

EC01 Cancellation of recordation of patent licensing contract
EC01 Cancellation of recordation of patent licensing contract

Assignee: Hangzhou Elice Chemical Co.,Ltd.

Assignor: Wuhu Qibo Intellectual Property Operation Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021330000464

Date of cancellation: 20240429