一種有效的道路背景提取與更新算法*

劉欣頁，李文舉，高連軍，尉秀芹

（遼寧師范大學(xué) 計算機與信息技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116081）

基于計算機視覺的運動目標(biāo)檢測技術(shù)是智能交通領(lǐng)域的重要研究課題，有著廣闊的應(yīng)用前景。目前的運動目標(biāo)檢測方法主要有光流法[1]、幀間差分法[2]和背景差分法[3-6]等。光流法計算復(fù)雜、抗噪性能差，需要強大的硬件支持。幀間差分法利用圖像視頻序列中相鄰幀圖像之間的差分來提取運動物體。該方法對場景變化不太敏感，穩(wěn)定性好，有較強的自適應(yīng)性，但一般不能完全提取出所有相關(guān)的特征像素點。背景差分法是目前運動目標(biāo)檢測和分類中應(yīng)用較普遍的方法，其基本思想是用當(dāng)前幀與背景圖像進行差分來提取運動目標(biāo)，該方法能得到比較精確的運動目標(biāo)信息，可保持目標(biāo)的完整性。但實際場景中的道路背景不是一成不變的，如何有效地實現(xiàn)背景圖像的建立與更新是背景差分法的關(guān)鍵問題。

目前的道路背景建立算法主要有多幀平均法[4]、統(tǒng)計直方圖法[5]和高斯模型估計法[6]等。在這些方法中，背景初始化與背景更新采用相同的方法，雖然初始背景參考幀不會受到場景中運動目標(biāo)的影響，但背景更新的速度受到牽制。背景建立過程中運算量較大，占用內(nèi)存時間長，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，背景提取和更新達不到實時的理想效果。本文提出了一種將平均法與Surendra背景更新算法[7-8]相結(jié)合的背景提取及更新算法，實驗表明，該算法能夠快速獲取并保持較高質(zhì)量的背景圖像，具有較好的魯棒性和適應(yīng)性。

1 背景建立的基本方法

1.1 多幀平均法

多幀平均法（TABI）是一種經(jīng)典的背景提取及更新方法，其原理是統(tǒng)計圖像序列每一像素的灰度平均值作為背景像素的灰度值，用一定時間的序列圖像進行累加平均，運動區(qū)域的灰度偏差被消除，從而得到一個與當(dāng)前靜態(tài)場景相似的背景圖像。按式（1）獲得背景圖像：

其中，Backgroud（x，y）表示所提取的背景圖像的（x，y）點的灰度值，N 表示幀數(shù)，Imagei（x，y）表示第 i幀序列圖像的（x，y）點的灰度值。

多幀平均法模型簡單，只是單純地累加平均。由于在計算背景均值時運動目標(biāo)的像素點也參加了計算，這樣就將運動目標(biāo)的像素點疊加到背景中，因此需要大量的樣本累計才能得到理想背景圖像。

1.2 Surendra算法

Surendra背景更新算法的思路是利用二值化模板選擇當(dāng)前幀中需要更新的像素，進行選擇性的更新。通過幀間差分和二值化得到含有運動區(qū)域的二值圖bwk，即運動區(qū)域為二值圖的內(nèi)部 “空洞”，對背景作選擇性更新，經(jīng)過迭代得出背景圖像。背景圖像獲取公式為：

其 中 ，Bk（x，y）為 當(dāng) 前 計 算 所 得 背 景 圖 像 ，B（x，y）為 已 知的背景圖像，Ik為當(dāng)前幀圖像。

若像素點（x，y）在運動區(qū)域內(nèi)，則為前景圖像像素點，對背景圖像不做更新，即該像素點由前一幀背景圖像所對應(yīng)像素點替代；若（x，y）不在運動區(qū)域內(nèi)，則對該點作加權(quán)更新，α為更新系數(shù)，控制更新速度，通常取值范圍為0.85～0.9。如此重復(fù)迭代，隨著后續(xù)圖像的增加，殘余車輛影像逐漸消失，背景不斷趨于理想。

Surendra背景更新算法存在的問題是，若初始幀不是一個理想背景而是有運動物體存在，則在背景更新過程中會有“鬼影”車輛出現(xiàn)，導(dǎo)致后續(xù)的檢測工作出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。使用含有運動車輛的道路背景進行車輛檢測，會產(chǎn)生不理想的甚至錯誤的分割結(jié)果。

2 改進的背景提取與更新算法

均值法參數(shù)少、速度快，背景建立受初始幀是否有靜止車輛影響小，但需要存儲大量樣本序列累計出背景圖像后才可得到理想的背景圖像。Surendra算法穩(wěn)定、實時地進行選擇性更新，但若初始幀含有運動車輛，則在更新過程中該運動物體變成靜止的“鬼影”車輛，嚴(yán)重影響檢測結(jié)果。本文將兩者結(jié)合起來，首先用改進的均值法進行背景粗提取消除連續(xù) “鬼影”，然后用改進的Surendra算法做背景更新，充分利用兩種方法的優(yōu)點，克服單一方法的不足。

2.1 背景粗提取

傳統(tǒng)的多幀平均法只是對每一像素在圖像序列中連續(xù)出現(xiàn)的灰度值做平均，導(dǎo)致在背景建立過程中混入運動車輛像素點留下的被“污染”痕跡。相比背景圖像，像素點在有車經(jīng)過時灰度變化較大，若用一定的閾值過濾掉一部分差異變化較大的點，則可以打亂被污染區(qū)域的連續(xù)性，之后利用車輛的物理特征，可實現(xiàn)在提取背景的過程中對車輛的檢測。背景粗提取算法步驟如下：

（1）采用遞推公式求取k幀圖像的平均值MEANk：

（2）分別計算每一幀圖像與平均值圖像的差值meaDi；求連續(xù) k幀圖像的 meaDi和的平均值，記為MDk：

（3）設(shè)閾值為 αMDk（x，y），按式（6）求出初始背景圖像：

其中，B為已知的背景圖像，若當(dāng)前幀與背景圖像差值meaDi過大，說明該點灰度值變化較大，則對該點不做更新；而對變化較小的區(qū)域則認(rèn)為是背景區(qū)域，用當(dāng)前幀像素值做替換。其中，參數(shù)α為經(jīng)驗值，通常取1.0～1.2。

背景提取結(jié)果如圖1所示。由于初始幀含有靜止車輛，在隨后的圖像序列中車輛向前行駛，采用傳統(tǒng)的平均算法提取背景有明顯的連續(xù)污染區(qū)域存在（對應(yīng)位置A已在圖1（c）中標(biāo)出）；而本算法打亂了污染區(qū)域的連續(xù)性，盡可能減小初始幀靜止車輛對后續(xù)背景建立的影響，運算過程采用遞推公式，參數(shù)少、背景提取速度快且效果較理想。

2.2 背景更新

隨著時間的推移和光照以及一些不可預(yù)測的路面情況等外部條件的不斷變化，路面背景亮度發(fā)生緩慢或驟然的改變。如果一直用上述提取的背景做固定背景，隨著時間的延續(xù)，必然會造成越來越大的誤差。要保證系統(tǒng)長時間正常運行，需要適時地進行背景更新以保證背景圖像的準(zhǔn)確性和實時性。

Surendra算法通過幀間差分圖像二值化后的空洞確定運動區(qū)域和非運動區(qū)域，但通常簡單的形態(tài)學(xué)二值化所確定的運動區(qū)域間斷而不完整，導(dǎo)致背景圖像被車輛間斷處的殘留“鬼影”所污染，因此需進一步處理二值化圖像。本文采用邊緣檢測與形態(tài)學(xué)運算相結(jié)合的辦法提取出更為準(zhǔn)確的運動區(qū)域，從而提高背景更新的準(zhǔn)確性。改進算法如下：

（1）應(yīng)用 Roberts算子對當(dāng)前幀圖像做邊緣檢測，得到邊緣點集合SFk。

（2）將當(dāng)前幀與背景差分得到的運動區(qū)域bwk與邊緣點集合SFk作“或”運算，然后對“或”運算結(jié)果進行由上而下、由左至右的空洞填充，填充結(jié)束后去除不被利用的邊緣點集合，得到完整的運動區(qū)域R。過程如圖2所示。

（3）對運動區(qū)域進行選擇性更新：

在實際應(yīng)用中，往往會出現(xiàn)行進中車輛的驟駛和驟停、場景光線突然變化等情況，以而導(dǎo)致背景需要重新建立并更新。目前的背景更新方法沒有提及在場景突然變化時如何對背景進行實時更新[9-11]，本文采用幀間差分和背景差分相比較的方法實現(xiàn)對場景驟變的及時響應(yīng)，對背景做出及時調(diào)整。具體方法為：

①計算幀間差分求出運動區(qū)域Rbw、背景差分運動區(qū)域 Rbb。

②中值濾波去噪后，統(tǒng)計幀間差分和背景差分連通區(qū)域的個數(shù)，分別記為numbw和numbb。

③對聯(lián)通區(qū)域作進一步比較。N=numbw/numbb，若在一定閾值T范圍之內(nèi)，則說明背景未發(fā)生突然變化，繼續(xù)實時更新；若超出閾值T范圍，則環(huán)境發(fā)生突變。為避免誤判，需多進行幾次比較以確定背景發(fā)生改變，然后以當(dāng)前幀作為背景，重新進行背景的提取與更新。

3 實驗結(jié)果及分析

實驗測試環(huán)境是MATLAB 7.5，3段視頻取自互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，視頻序列為320×240彩色圖像，實驗結(jié)果如圖3、圖4所示。場景一車輛陰影少，車流量相對較小，對視頻序列前10幀采用平均法進行粗提取，之后進行背景更新。場景二車輛陰影大，車流量相對較大，對視頻序列前20幀進行粗提取，之后采用背景更新。圖3（b）和圖4（b）為背景粗提取結(jié)果，打亂了污染區(qū)域的連續(xù)性；圖3（c）和圖4（c）為本算法在1 s左右時計算所得背景，已得到理想背景；圖3（d）和圖 4（d）為 Surendra算法結(jié)果，仍然殘留有初始幀“鬼影”車輛。與Surendra算法相比，本文算法中初始幀運動車輛對背景的影響明顯減小，背景建立結(jié)果準(zhǔn)確。當(dāng)前主流視頻檢測技術(shù)可達到每秒30幀圖片，本算法可快速、準(zhǔn)確地完成背景的建立與更新，保證實時性。

背景檢測與更新技術(shù)在運動車輛檢測中具有重要作用。本文提出了一種新的道路背景提取與更新算法，該算法采用改進的均值法進行背景粗提取，應(yīng)用改進的Surendra算法做背景更新，能很好地適應(yīng)外界條件的變化，背景建立速度快、魯棒性強，具有較好的應(yīng)用價值。

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