CN110062235B - 背景帧生成及更新方法、系统、装置及介质 - Google Patents

背景帧生成及更新方法、系统、装置及介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种背景帧生成及更新方法、系统、装置及介质，包括如下步骤：步骤1，输入待编码图像，进行临时背景编码块搜索，获得候选背景编码块与临时背景编码块；步骤2，将候选背景编码块与临时背景编码块作为输入图像进行建模，生成正式背景编码块；步骤3，将待编码图像编码块与正式背景编码块进行差值对比；步骤4，获取当前背景变化状态；步骤5，遍历当前待编码图像的所有编码块。本发明具有如下优势：采用基于块更新的编码块更新方式，当背景搜索算法搜索到背景编码块，立即编码更新该背景编码块供后续图像编码参考，无需等待完整背景图像生成后再更新，提高了背景编码块的利用率，并避免了重复更新背景图像造成的不必要的码率浪费。

Description

背景帧生成及更新方法、系统、装置及介质
技术领域
本发明涉及图像/视频编码背景建模技术领域，具体地说是涉及一种背景帧生成及更新方法、系统、装置及介质。
背景技术
随着时代发展与科技的进步，为保障社会稳定和公民人身财产安全，监控网络的部署越来越广。在如今数据爆炸式增长的年代，监控视频的像素从早起的10万发展到200万、500万，如何有效地传输存储海量视频资源面临着巨大的挑战。相比于其他视频，监控视频最大的特点是拍摄角度是固定的，视频中背景区域几乎是不变的，存在着海量的背景冗余。因此，建立高质量的背景模型，可以削减大量背景冗余信息，大幅提高此类视频的编码效率。
现有的背景建模技术有很多，最初提出的一种简单方法是单纯地挑选一帧作为背景图像高质量编码，然后被后续的帧编码参考，但是这种方法随机性太强，由于前景的运动，每一帧背景图像都会受到不同成图的遮挡，很难出现一帧不受前景干扰的图像；之后有人提出选择选择一定长度的图像进行训练，对训练集内图像取均值来得到背景图像，相比于之前，该方法背景图像有一定程度提高，但是由于前景的存在，求均值后会出现鬼影，不利于后续的参考。目前，比较常用的是一种方法是分段加权滑动平均建模方法，该方法将相同位置的训练集内的像素点进行分段，分别计算每段的权重和像素值，最终根据每段的像素值和权重计算最终的背景像素，该方法可以得到相对纯净的背景图像，但是由于建模时间相对较长，且单独编码背景帧时码率较高，并且无法及时对背景变化做出调整，影响编码性能。
现有的背景建模方法中存在着如下问题：1.建模生成完整背景图像所需时间较长，模型生成前编码效率低下2.前景的时域相关性很强，对生成纯净的背景图像有很强干扰3.现有背景更新方法无法及时应对背景突变等问题4.整张的更新背景图像造成不必要的码率浪费。针对图像中的不同区域，由于前景移动频率不同，应该采取不同的背景更新策略以提高编码效率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种解决上述技术问题的背景帧生成及更新方法、系统、装置及介质。
为解决上述技术问题，本发明背景帧生成及更新方法，包括如下步骤：
步骤1，输入待编码图像，进行临时背景编码块搜索，获得候选背景编码块与临时背景编码块；
步骤2，将候选背景编码块与临时背景编码块作为输入图像进行建模，生成正式背景编码块；
步骤3，将待编码图像编码块与正式背景编码块进行差值对比；
步骤4，获取当前背景变化状态；
步骤5，遍历当前待编码图像的所有编码块。
优选地，步骤1中，使用BCBR算法根据当前编码块时域和空域的信息，进行临时背景编码块搜索，获得临时背景编码块。
优选地，步骤1中，使用LDBCBR方法进行候选背景块搜索，获得候选背景编码块。
优选地，步骤1中，编码到第11帧图像时，使用LDBCBR方法进行候选背景块搜索，获得候选背景编码块。
优选地，步骤2中，将候选背景编码块与临时背景块作为输入图像进行二次建模；
若两者的差异＜1％，将临时背景编码块变更为正式背景编码块；
若两者的差异≥1％，将候选背景编码块更新为正式背景编码块。
优选地，步骤3中，把待编码图像编码块的每个像素值与正式背景编码块的像素值依次做差；
若差值的绝对值≤20，无操作；
若差值的绝对值＞20，则idifferi,j加1，然后遍历当前编码块中像素值，得到当前第i行j列编码块所对应的idifferi,j；其中
idifferi,j为图像中第i行j列个编码块的像素点偏差数。
优选地，步骤4中，获取编码块idifferi,j/pixlcnt的值，获取当前背景变化状态，
1)若idifferi,j/pixlcnt小于50％，则当前编码块与其对应的正式背景编码块差异不大，则ni,j置0，Li,j加1，返回步骤4；
2)若idifferi,j/pixlcnt大于等于50％且小于68％，则当前编码块中前景遮挡较大，则mi,j加1，ni,j置0，Li,j加1，返回步骤4；
3)若idifferi,j/pixlcnt大于等于68％，则当前编码块中前景变化极大，则mi,j加1，ni,j加1，Li,j加1，返回步骤3；
4)若ni,j大于10，则当前编码块所处的位置连续10帧以上出现前景变化极大情况，很有可能发生背景突变，则立即对当前编码块使用BCBR和LDBCBR算法进行背景建模，ni,j置0，mi,j置0，Li,j置0，进入步骤5；
5)若mi,j大于200，则当前编码块所处的位置前景移动频繁，背景变化的可能性较大，采用LDBCBR算法进行背景建模，mi,j置0，Li,j置0，进入步骤5；
6)若Li,j大于700，则当前编码块对应的正式背景编码块已经持续700帧，该区域背景有发生变化的可能，采用LDBCBR算法进行背景建模，mi,j置0，Li,j置0，进入步骤5；
其中，pixlcnt等于一个编码块中像素点的总数64*64，变量mi,j和ni,j初始化为0，Li,j是正式背景编码块的持续帧数，初始值为0。
一种背景帧生成及更新系统，包括：
输入模块，输入待编码图像，进行临时背景编码块搜索，获得候选背景编码块与临时背景编码块；
建模模块，将候选背景编码块与临时背景编码块作为输入图像进行建模，生成正式背景编码块；
对比模块，将待编码图像编码块与正式背景编码块进行差值对比；
状态模块，获取当前背景变化状态；
遍历模块，遍历当前待编码图像的所有编码块。
一种背景帧生成及更新装置，包括：存储有背景帧生成及更新方法程序的存储器及用于运行背景帧生成及更新方法程序的处理器，背景帧生成及更新方法程序配置为实现背景帧生成及更新方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有背景帧生成及更新方法程序，背景帧生成及更新方法程序被处理器执行时实现背景帧生成及更新方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
1)采用基于块更新的编码块更新方式，当背景搜索算法搜索到背景编码块，立即编码更新该背景编码块供后续图像编码参考，无需等待完整背景图像生成后再更新，提高了背景编码块的利用率，并避免了重复更新背景图像造成的不必要的码率浪费。
2)提出背景块搜索间隔(IBBS)，削弱前景时域相关性进行背景块搜索，生成更纯净的背景编码块，进一步提升背景图像质量和编码效率。
3)对背景图像编码块进行监视，能及时检测到背景突变，针对前景出现频率不同区域采取不同更新机制。通常，位于道理中央的区域行人、车辆来往率高，这些区域前景移动较为频繁，发生背景变化的概率相对较大；而道路四周的建筑物等长期稳定不变，对此采取不同更新机制可以更好的适应背景变换，提升视频编码效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为全自动智能背景帧生成及更新方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改。
视频编码领域中，编码每个视频序列都是将图像划分为64×64大小的编码块，再对编码块进行帧间、帧内编码等一系列操作。传统的监控视频编码方式是训练得到一帧完整的背景图像后，再对背景图像进行单独高质量地编码，并且背景更新时需要对背景图像进行整张的替换。
本方案的特点在于背景编码块是基于块更新，可以节省背景图像完整替换所造成的不必要的码率浪费，并且背景块搜索得到后立即可以更新并被后续图像编码参考，不需要等待其他背景块搜索时间。此外，本方法提出背景块搜索间隔(IBBS)，削弱前景时域相关性，与BCBR(Block-ComposedBackgroundReference)背景搜索算法结合使用，先用BCBR算法生成临时背景块供编码参考，待LDBCBR方法搜索到候选背景编码块后，进行二次建模生成正式背景编码块，既提高背景块的利用率又提升了背景块的质量。而且，本方法提出的背景帧生成及更新方法能及时检测背景突变，并对背景变换频率不同区域采取不同更新策略，更进一步提高视频编码效率。
如图1所示，一种背景帧生成及更新方法，包括以下步骤：
步骤一：设变量idifferi,j为输入图像中第i行j列对应的编码块的像素点差异数，pixlcnt等于一个编码块中像素点的总数64×64，变量mi,j和ni,j初始化为0，Li,j是正式背景编码块的持续帧数，初始值为0，其中i,j分别代表图像中第i行j列对应的编码块；
步骤二：输入原始图像，使用BCBR算法根据当前编码块时域和空域的信息，进行临时背景编码块搜索，若满足条件，则立即将当前编码块作为临时背景编码块编码，供后面图像编码参考。
步骤三：当编码到第11帧图像时，使用基于块更新的背景帧生成方法(LDBCBR)与BCBR算法同时进行背景块搜索。LDBCBR方法提出了背景块搜索间隔(IBBS)，增大IBBS可以更好的削弱前景的时域相关性，生成更高质量的背景块。经过大量验证发现，在背景搜索间隔为11帧时编码效率最佳，因此编码到第11帧图像时启动LDBCBR算法。
步骤四：当LDBCBR方法搜索到候选背景编码块时，将候选背景编码块与当前位置所对应的临时背景编码块作为输入图像进行二次建模，若两者的差异小于1％，则认为两者差异极小，并把临时背景编码块作为正式背景编码块；否则将候选背景编码块更新为正式背景编码块。
步骤五：正式背景编码块生成后，对其进行监视。将待编码图像编码块与正式背景编码块进行差值对比，即把待编码图像编码块的每个像素值与正式背景编码块的像素值依次做差，如果两个像素差值的绝对值大于20，则两者差值过大可能分别为前后景，idifferi,j加1，遍历当前编码块中所有像素值，得到当前第i行j列编码块所对应的idifferi,j。
步骤六：计算每个编码块的idifferi,j/pixlcnt后得到的值，如果idifferi,j/pixlcnt小于50％，那么认为当前编码块与其对应的正式背景编码块差异不大，则ni,j置0，Li,j加1，跳到步骤十。
步骤七：如果idifferi,j/pixlcnt大于等于50％且小于68％，那么认为当前编码块中前景遮挡较大，则mi,j加1，ni,j置0，Li,j加1，跳到步骤十。
步骤八：如果idifferi,j/pixlcnt大于等于68％，那么认为当前编码块中前景变化极大，则mi,j加1，ni,j加1，Li,j加1，跳到步骤九。
步骤九：如果ni,j大于10，则当前编码块所处的位置连续10帧以上出现前景变化极大情况，很有可能发生背景突变，立即对当前编码块使用BCBR和LDBCBR算法进行背景建模，BCBR算法可以快速生成临时背景编码块供后续图像编码参考，同时LDBCBR算法可以削弱前景时域相关性生成更纯净的背景图像。ni,j置0，mi,j置0，Li,j置0，跳到步骤十二。
步骤十：如果mi,j大于200，则当前编码块所处的位置前景移动频繁，背景区域发生变化的可能性较大，采用LDBCBR算法进行背景建模搜索以检测是否需要更新背景编码块，如果背景变化则立即将LDBCBR生成的候选背景编码块更新为正式背景编码块，mi,j置0，Li,j置0，跳到步骤十二。
步骤十一：如果Li,j大于700，则当前编码块对应的正式背景编码块已经持续700帧，该区域背景有发生变化的可能，采用LDBCBR算法进行背景建模搜索以检测是否需要更新背景编码块，如果背景变化则立即将LDBCBR生成的候选背景编码块更新为正式背景编码块，mi,j置0，Li,j置0，跳到步骤十二。
步骤十二：遍历当前待编码图像的所有编码块。
本发明还提供一种背景帧生成及更新系统，包括：
输入模块，输入待编码图像，进行临时背景编码块搜索，获得候选背景编码块与临时背景编码块；
建模模块，将候选背景编码块与临时背景编码块作为输入图像进行建模，生成正式背景编码块；
对比模块，将待编码图像编码块与正式背景编码块进行差值对比；
状态模块，获取当前背景变化状态；
遍历模块，遍历当前待编码图像的所有编码块。
本发明还提供一种背景帧生成及更新装置，包括：存储有背景帧生成及更新方法程序的存储器及用于运行背景帧生成及更新方法程序的处理器，背景帧生成及更新方法程序配置为实现背景帧生成及更新方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有背景帧生成及更新方法程序，背景帧生成及更新方法程序被处理器执行时实现背景帧生成及更新方法的步骤。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种背景帧生成及更新方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：设变量idifferi,j为输入图像中第i行j列对应的编码块的像素点差异数，pixlcnt等于一个编码块中像素点的总数64×64，变量mi,j和ni,j初始化为0，Li,j是正式背景编码块的持续帧数，初始值为0，其中i,j分别代表图像中第i行j列对应的编码块；
步骤二：输入原始图像，使用BCBR算法根据当前编码块时域和空域的信息，进行临时背景编码块搜索，若满足条件，则立即将当前编码块作为临时背景编码块编码，供后面图像编码参考；
步骤三：当编码到第11帧图像时，使用基于块更新的背景帧生成方法LDBCBR与BCBR算法同时进行背景块搜索，LDBCBR方法提出了背景块搜索间隔IBBS，增大IBBS可以更好的削弱前景的时域相关性，生成更高质量的背景块，经过大量验证发现，在背景搜索间隔为11帧时编码效率最佳，因此编码到第11帧图像时启动LDBCBR算法；
步骤四：当LDBCBR方法搜索到候选背景编码块时，将候选背景编码块与当前位置所对应的临时背景编码块作为输入图像进行二次建模，若两者的差异小于1％，则认为两者差异极小，并把临时背景编码块作为正式背景编码块；否则将候选背景编码块更新为正式背景编码块；
步骤五：正式背景编码块生成后，对其进行监视，将待编码图像编码块与正式背景编码块进行差值对比，即把待编码图像编码块的每个像素值与正式背景编码块的像素值依次做差，如果两个像素差值的绝对值大于20，则两者差值过大可能分别为前后景，idifferi,j加1，遍历当前编码块中所有像素值，得到当前第i行j列编码块所对应的idifferi,j；
步骤六：计算每个编码块的idifferi,j/pixlcnt后得到的值，如果idifferi,j/pixlcnt小于50％，那么认为当前编码块与其对应的正式背景编码块差异不大，则ni,j置0，Li,j加1，跳到步骤十；
步骤七：如果idifferi,j/pixlcnt大于等于50％且小于68％，那么认为当前编码块中前景遮挡较大，则mi,j加1，ni,j置0，Li,j加1，跳到步骤十；
步骤八：如果idifferi,j/pixlcnt大于等于68％，那么认为当前编码块中前景变化极大，则mi,j加1，ni,j加1，Li,j加1，跳到步骤九；
步骤九：如果ni,j大于10，则当前编码块所处的位置连续10帧以上出现前景变化极大情况，很有可能发生背景突变，立即对当前编码块使用BCBR和LDBCBR算法进行背景建模，BCBR算法可以快速生成临时背景编码块供后续图像编码参考，同时LDBCBR算法可以削弱前景时域相关性生成更纯净的背景图像，ni,j置0，mi,j置0，Li,j置0，跳到步骤十二；
步骤十：如果mi,j大于200，则当前编码块所处的位置前景移动频繁，背景区域发生变化的可能性较大，采用LDBCBR算法进行背景建模搜索以检测是否需要更新背景编码块，如果背景变化则立即将LDBCBR生成的候选背景编码块更新为正式背景编码块，mi,j置0，Li,j置0，跳到步骤十二；
步骤十一：如果Li,j大于700，则当前编码块对应的正式背景编码块已经持续700帧，该区域背景有发生变化的可能，采用LDBCBR算法进行背景建模搜索以检测是否需要更新背景编码块，如果背景变化则立即将LDBCBR生成的候选背景编码块更新为正式背景编码块，mi,j置0，Li,j置0，跳到步骤十二；
步骤十二：遍历当前待编码图像的所有编码块。
2.根据权利要求1所述的背景帧生成及更新方法，其特征在于，步骤四中，使用LDBCBR方法进行候选背景块搜索，获得候选背景编码块。
3.一种背景帧生成及更新系统，其特征在于，包括：
模块一：设变量idifferi,j为输入图像中第i行j列对应的编码块的像素点差异数，pixlcnt等于一个编码块中像素点的总数64×64，变量mi,j和ni,j初始化为0，Li,j是正式背景编码块的持续帧数，初始值为0，其中i,j分别代表图像中第i行j列对应的编码块；
模块二：输入原始图像，使用BCBR算法根据当前编码块时域和空域的信息，进行临时背景编码块搜索，若满足条件，则立即将当前编码块作为临时背景编码块编码，供后面图像编码参考；
模块三：当编码到第11帧图像时，使用基于块更新的背景帧生成方法LDBCBR与BCBR算法同时进行背景块搜索，LDBCBR方法提出了背景块搜索间隔IBBS，增大IBBS可以更好的削弱前景的时域相关性，生成更高质量的背景块，经过大量验证发现，在背景搜索间隔为11帧时编码效率最佳，因此编码到第11帧图像时启动LDBCBR算法；
模块四：当LDBCBR方法搜索到候选背景编码块时，将候选背景编码块与当前位置所对应的临时背景编码块作为输入图像进行二次建模，若两者的差异小于1％，则认为两者差异极小，并把临时背景编码块作为正式背景编码块；否则将候选背景编码块更新为正式背景编码块；
模块五：正式背景编码块生成后，对其进行监视，将待编码图像编码块与正式背景编码块进行差值对比，即把待编码图像编码块的每个像素值与正式背景编码块的像素值依次做差，如果两个像素差值的绝对值大于20，则两者差值过大可能分别为前后景，idifferi,j加1，遍历当前编码块中所有像素值，得到当前第i行j列编码块所对应的idifferi,j；
模块六：计算每个编码块的idifferi,j/pixlcnt后得到的值，如果idifferi,j/pixlcnt小于50％，那么认为当前编码块与其对应的正式背景编码块差异不大，则ni,j置0，Li,j加1，跳到模块十；
模块七：如果idifferi,j/pixlcnt大于等于50％且小于68％，那么认为当前编码块中前景遮挡较大，则mi,j加1，ni,j置0，Li,j加1，跳到模块十；
模块八：如果idifferi,j/pixlcnt大于等于68％，那么认为当前编码块中前景变化极大，则mi,j加1，ni,j加1，Li,j加1，跳到模块九；
模块九：如果ni,j大于10，则当前编码块所处的位置连续10帧以上出现前景变化极大情况，很有可能发生背景突变，立即对当前编码块使用BCBR和LDBCBR算法进行背景建模，BCBR算法可以快速生成临时背景编码块供后续图像编码参考，同时LDBCBR算法可以削弱前景时域相关性生成更纯净的背景图像，ni,j置0，mi,j置0，Li,j置0，跳到模块十二；
模块十：如果mi,j大于200，则当前编码块所处的位置前景移动频繁，背景区域发生变化的可能性较大，采用LDBCBR算法进行背景建模搜索以检测是否需要更新背景编码块，如果背景变化则立即将LDBCBR生成的候选背景编码块更新为正式背景编码块，mi,j置0，Li,j置0，跳到模块十二；
模块十一：如果Li,j大于700，则当前编码块对应的正式背景编码块已经持续700帧，该区域背景有发生变化的可能，采用LDBCBR算法进行背景建模搜索以检测是否需要更新背景编码块，如果背景变化则立即将LDBCBR生成的候选背景编码块更新为正式背景编码块，mi,j置0，Li,j置0，跳到模块十二；
模块十二：遍历当前待编码图像的所有编码块。
4.一种背景帧生成及更新装置，其特征在于，包括：存储有背景帧生成及更新方法程序的存储器及用于运行背景帧生成及更新方法程序的处理器，背景帧生成及更新方法程序配置为实现如权利要求1～权利要求3任一项所述的背景帧生成及更新方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质上存储有背景帧生成及更新方法程序，背景帧生成及更新方法程序被处理器执行时实现如权利要求1～权利要求3任一项所述的背景帧生成及更新方法的步骤。
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