基于DSP車輛視頻檢測背景更新算法

王 敏，鄭嘉豪，王金寶

(1.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071;2.西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710126)

車輛視頻檢測技術(shù)是當(dāng)今研究的熱門課題，有著廣泛的應(yīng)用前景。在智能交通系統(tǒng)中，利用視頻處理技術(shù)對交通信息，如車流量、違章車輛、車牌號等的檢測和識別，與傳統(tǒng)電磁線圈檢測、紅外檢測、雷達(dá)檢測［1］等方法相比有著成本低、安裝方便、信息量大的特點(diǎn)。而將這些信息從視頻圖像中提取出來，需要使用光流法、幀差法、背景差法、邊緣檢測法［2］等方法，其中背景差法具有速度快，準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，適用于資源有限，對實(shí)時性要求較高的嵌入式檢測設(shè)備。背景差法關(guān)鍵在于找到一種背景更新算法實(shí)時獲得與實(shí)際背景相同或接近的道路背景，常用的背景更新算法有平均法、自適應(yīng)更新法以及高斯模型法等。首先簡單介紹多幀平均法和自適應(yīng)更新法兩種背景更新算法，其次將兩種算法在ADSP－BF561平臺上實(shí)現(xiàn)，并對兩者的實(shí)時性做出比較和分析。

1 背景更新算法

在車輛視頻檢測背景差法中采用當(dāng)前幀與背景幀相減的方法提取運(yùn)動車輛，導(dǎo)出諸如車速等其他交通信息。為保證檢測的準(zhǔn)確性，獲取一個與實(shí)際交通道路相同或貼近的背景至關(guān)重要，本節(jié)簡單介紹多幀平均法和自適應(yīng)法兩種背景獲取與更新算法。

1.1 多幀平均法

多幀平均法是連續(xù)采集多幀圖像，將各圖像對應(yīng)像素點(diǎn)的值相加后求平均值，各均值像素構(gòu)成新的圖像即為背景圖像。對于只有亮度信息的黑白圖像，只需對各像素點(diǎn)的亮度作平均即可;對于有色度和飽和度的YUV圖像或RGB圖像，則需要分別對亮度、色度和飽和度或R，G，B這3個參數(shù)作平均運(yùn)算。設(shè)連續(xù)采集N幀圖像，第n，n=0，1，…，N－1幀圖像的某個像素為In(x，y)，采用多幀平均法后，背景圖像中對應(yīng)的像素為 Bn(x，y)，則

對于多幀平均算法，背景每N幀更新一次，N太小會影響背景的真實(shí)性，太大則會使背景相對滯后，具體可根據(jù)道路交通流疏密情況和系統(tǒng)對實(shí)時性要求而定。圖1是一幀原始圖像以及取各種值時所獲的背景圖像。

1.2 自適應(yīng)背景更新方法

自適應(yīng)背景更新算法［3］是先取1幀圖像作為原始背景，然后利用當(dāng)前幀對其不斷更新。具體做法是:以亮度信息的變化量為依據(jù)，判斷出當(dāng)前幀相對于前一幀的運(yùn)動像素點(diǎn)和靜止像素點(diǎn);運(yùn)動像素點(diǎn)所對應(yīng)的背景點(diǎn)不更新，保持不變;而靜止像素點(diǎn)所對應(yīng)的背景點(diǎn)則更新為當(dāng)前幀像素點(diǎn)與背景點(diǎn)的加權(quán)值，即

圖1 一幀原始圖像及N取各種值情況下所獲得的背景圖像

設(shè)某像素點(diǎn)在當(dāng)前幀中的值為In(x，y)，對應(yīng)的前一幀和背景中的值分別為 In－1(x，y) 和 Bn－1(x，y)，Bn(x，y)為更新后的背景值，Sn(x，y)為當(dāng)前幀與前一幀之差的絕對值

求出 Sn(x，y)的均值 μn和方差 σn，按式(3)對Sn(x，y)作二值化處理，其中k的值可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果而定，文中取1，獲得了較理想效果，如圖2(b)所示。

至此可以找出An(x，y)中為255的點(diǎn)即為運(yùn)動像素點(diǎn)，其他則是靜止像素點(diǎn)，背景更新為舊背景Bn－1(x，y)與當(dāng)前幀 In(x，y)的線性加權(quán)［3］，經(jīng)多次更新后得到如圖2(c)所示的背景圖像。

其中，?為背景更新速率，它等于當(dāng)前幀中運(yùn)動像素點(diǎn)數(shù)除以總像素點(diǎn)數(shù)。

圖2 更新后背景圖像

2 DSP實(shí)現(xiàn)

文中將多幀平均和自適應(yīng)兩種背景更新方法在ADSP－BF561處理器上實(shí)現(xiàn)，這里先介紹BF561硬件平臺和軟件實(shí)現(xiàn)流程，然后通過測試數(shù)據(jù)對兩種算法的實(shí)時性進(jìn)行比較和分析。

2.1 硬件平臺

硬件采用ADI公司ADSP－BF561 EZ－KIT開發(fā)平臺［4］，從攝頭輸出的模擬視頻信號經(jīng)開發(fā)平臺上的視頻解碼器ADV7183，轉(zhuǎn)換成YUV格式的數(shù)字視頻信號，數(shù)字視頻信號通過BF561芯片上的PPI接口存入外部SDRAM中，一幀數(shù)據(jù)傳輸完成繼續(xù)下一幀數(shù)據(jù)傳輸，與此同時BF561對上一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖3所示。

圖3 信號處理流圖

ADV7183是ADI公司一款視頻解碼器，支持混合和分量視頻輸入，采樣率27 MHz，數(shù)字視頻以Cb Y Cr Y 4∶2∶2的格式并行輸出，其輸出接口可與BF561的PPI口無縫相連。

BF561是一款雙核32位DSP處理器［5］，每個內(nèi)核時鐘最高可達(dá)600 MHz。片內(nèi)共含有328 kB的SRAM，分為L1和L2兩級，每個內(nèi)核含有100 kB的L1SRAM，可用于指令和數(shù)據(jù)存儲，工作在核時鐘速率，L2為兩個內(nèi)核共享的存儲區(qū)，共128 kB，工作在1/2核時鐘頻率。BF561有2個DMA(Direct Memory Access)控制器，每個DMA支持12通道的DMA傳輸，共24通道，此外還有2個存儲器DMA(MDMA)控制器，每個支持2通道存儲器到存儲器的DMA訪問，BF561片上外設(shè)PPI接口(Parallel Peripheral Interface)為數(shù)字視頻信號的輸入提供無縫接口。

ADSP－BF561 EZ－KIT開發(fā)平臺上有兩片、共64 MB、可32位訪問的SDRAM，作為BF561的外部存儲器，時鐘速率可達(dá)120 MHz。

2.2 算法實(shí)現(xiàn)

模擬視頻信號通過ADC轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)字視頻信號，每幀含有576行，每行720個像素點(diǎn)，數(shù)據(jù)量為810 kB，在DSP內(nèi)存中放不下，只能通過PPI口DMA存入到外部SDRAM中，當(dāng)要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時再從SDRAM中調(diào)入到內(nèi)存中運(yùn)行。SDRAM的時鐘速率相對于DSP內(nèi)核時鐘來說較慢，因此在內(nèi)存中開辟出2倍于一次需要處理的數(shù)據(jù)容量的空間，然后通過MDMA的方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)一個在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，另一個可以傳輸數(shù)據(jù)，這樣可以減少數(shù)據(jù)傳輸對時間的浪費(fèi)，從而提高處理速度。另外BF561有兩個內(nèi)核，每個內(nèi)核有2個MDMA通道，可同時獨(dú)立運(yùn)行，因此可使雙核同時工作，進(jìn)一步提高處理速度。

背景更新算法在BF561上的實(shí)現(xiàn)，主要是要將一幀圖像分成若干部分，分先后輸入到內(nèi)部存儲器中再作處理。文中將一幀圖像分成64部分，按順序以32位MDMA的方式輸入到L2存儲器中，L2存儲器分成A，B兩部分，當(dāng)A在作1/64幀數(shù)據(jù)處理時，B則進(jìn)行1/64幀數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理和傳輸交替進(jìn)行，保證內(nèi)核以全速率處理數(shù)據(jù)而不用停下等待數(shù)據(jù)傳輸。圖4是A，B兩區(qū)交替進(jìn)行MDMA數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理完成一幀視頻數(shù)據(jù)處理的流程圖。

圖4 一幀視頻數(shù)據(jù)處理流程圖

2.3 結(jié)果分析

道路交通狀況以及通過兩種方法獲得的背景分別如圖1(a)，圖1(f)和圖2(c)所示，由圖可知兩種方法都能獲得較理想的背景幀。下面從實(shí)時性方面比較兩者的區(qū)別。

對于多幀平均法，每64幀更新一次，分別在10 s，20 s，40 s內(nèi)測試，測得實(shí)際更新次數(shù)與理論更新次數(shù)一致，可見多幀平均法實(shí)時性較好，若只對感興趣的區(qū)域進(jìn)行更新，也就是在一幀視頻中繪出若干個虛擬檢測線圈，線圈內(nèi)部作為感興趣的區(qū)域，只對此部分進(jìn)行更新和處理，運(yùn)算量會減少很多，在背景更新的同時就有足夠的時間進(jìn)行車輛檢測等其他運(yùn)算。

對于自適應(yīng)更新法，用10 s，250幀作測試，分別以每1幀更新一次、每2幀更新一次和每4幀更新一次測試自適應(yīng)更新法實(shí)際更新次數(shù)，得表1數(shù)據(jù)。從表中可知，對于分辨率為720×576的YUV 4∶2∶2圖像，采用自適應(yīng)背景更新方法，10 s內(nèi)250幀視頻最多只能更新100次，若數(shù)據(jù)量為原來的1/2.5，則可以滿足1幀更新一次的實(shí)時性要求，可以在下一幀數(shù)據(jù)到來之前完成一次背景更新。對于車輛視頻檢測，除背景更新外，還有車輛的檢測和速度測量等處理，假設(shè)車輛檢測等其他處理所占的時間與背景更新時間相同，則當(dāng)數(shù)據(jù)量為原來的1/5時，可滿足背景實(shí)時更新和車輛實(shí)時檢測要求。同多幀平均法一樣，為減少數(shù)據(jù)處理量，在一幀圖像上畫出幾個虛擬檢測線圈，使線圈包圍的像素點(diǎn)的總數(shù)不大于整幅圖像的1/5，就可以在一幀之內(nèi)完成背景更新和其他檢測處理運(yùn)算，因?yàn)槲覀冎魂P(guān)心線圈內(nèi)的部分，背景更新和檢測運(yùn)算也只針對這部分。

表1 自適應(yīng)法10 s內(nèi)理論與實(shí)際更新次數(shù)

3 結(jié)束語

文中在ADSP－BF561處理器平臺上實(shí)現(xiàn)了多幀平均法和自適應(yīng)法兩種背景更新方法，實(shí)驗(yàn)證明兩種方法均能較好地獲取背景圖像并有辦法滿足實(shí)時性要求。兩種算法不僅可以很好地應(yīng)用于后續(xù)的基于背景差法的車輛視頻檢測中，也可用于其他基于視頻的動目標(biāo)檢測場合。

［1］劉相瑩.智能交通中的車輛檢測技術(shù)及其發(fā)展［J］.科技信息，2007(28):263－264.

［2］張暉，董育寧.基于視頻的車輛檢測算法綜述［J］.南京郵電大學(xué)學(xué)報，2007，27(3):88 －94.

［3］LEI MANCHUN，DAMIEN L，PIERRE G，et al.A video －based real－time vehicle counting system using adaptive background method［C］.IEEE International Conference on Signal Image Technology and Internet Based Systems，2008:523－528.

［4］Analog Devices，Inc.ADSP － BF561 EZ － KIT lite?evaluation system manual［M］.USA:Analog Devices，Inc，2008.

［5］Analog Devices，Inc.ADSP － BF61 blackfin?processor hardware reference［M］.USA:Analog Devices，Inc，2010.