基于背景差法的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分割

張建榮

0 引 言

近年來(lái)，隨著信息科技的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。視頻圖像分割是其中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分割最簡(jiǎn)單的方法是光流法［1］，但光流法容易受光照和噪聲等的影響，實(shí)時(shí)性也較差，故本實(shí)驗(yàn)采用分割結(jié)果較理想的背景差法［2－4］。

本實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分割過(guò)程如圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分割過(guò)程

1 圖像預(yù)處理

文中所使用圖像為車輛交通圖像，典型的車輛交通圖像具有以下特點(diǎn):

1）車輛是唯一運(yùn)動(dòng)的物體；

2）車輛運(yùn)動(dòng)基本與車道平行，很少有并道的現(xiàn)象；

3）路面的平均灰度反映了當(dāng)前的光照條件。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)于可能由于背景圖像光線的不斷變化、樹木擾動(dòng)等因素都產(chǎn)生的噪聲，在檢測(cè)、分割之前先對(duì)圖像預(yù)處理，以減弱噪聲對(duì)圖像后續(xù)處理的影響。圖像預(yù)處理中采用平滑濾波去除噪聲。

2 背景提取

背景圖像的獲得通常采用背景更新［5］算法，在本實(shí)驗(yàn)中針對(duì)交通視頻圖像使用改進(jìn)的背景更新算法。在算法中，對(duì)圖像分塊更新，但不更新有車輛出現(xiàn)的部分。在對(duì)塊圖像進(jìn)行做差以后，用塊中像素灰度值變化的均值與閾值相比較，若小于閾值，按相應(yīng)的背景更新算法進(jìn)行更新；否則不更新。

具體的背景更新算法步驟為:

1）讀入N張連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)。將第1幀圖像I0作為初始背景B0。

2）將每幀圖像劃分成m×m的塊IIi（塊的多少可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)。塊劃分的越多，結(jié)果就會(huì)越精確，但計(jì)算量也會(huì)越大，一般劃分為4×4較適宜）。

3）求當(dāng)前幀圖像中每個(gè)塊的幀差分圖像，并求解其像素灰度值的均值E。

4）選取閾值T，對(duì)每個(gè)塊做如下更新:

5）重復(fù)步驟4），直到最后。

最后將得到的所有塊背景圖像相加，得到整個(gè)背景圖像。在交通監(jiān)控中，由于有些車輛運(yùn)行速度緩慢，或者可能在遇到紅燈時(shí)停止一段時(shí)間，容易造成背景提取錯(cuò)誤，在本實(shí)驗(yàn)中，采取隔幀讀取圖像的方法，可以改善背景提取效果。

在背景提取中，背景更新算法所用的閾值T應(yīng)該采用動(dòng)態(tài)確定的方法來(lái)獲取。本實(shí)驗(yàn)采用具有簡(jiǎn)單、處理速度快特點(diǎn)的Otsu［6］法。

3 差值圖像

利用背景提取算法得到背景圖像以后，就可以運(yùn)用背景相減［7］法來(lái)獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，即用當(dāng)前幀圖像與所獲得的背景圖像相減以獲得差值圖像，并采用取絕對(duì)值的方法來(lái)避免做差可能出現(xiàn)負(fù)像素的情況。

4 閾值分割

在獲得差圖像之后，為了能突出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域，要用閾值來(lái)將圖像二值化，從而得到二值化圖像。閾值分割的基本原理是選定圖像的閾值，將圖像中所有像素的灰度值與之比較，若小于閾值被設(shè)置為0（黑），大于閾值則被設(shè)置為255（白）。閾值分割中，閾值的選取很重要。在差分圖像中，由于有很多高灰度值的前景像素和低灰度值的背景像素，如果閾值選取不當(dāng)，可能會(huì)使一些低灰度值的背景像素被誤判為前景像素，也會(huì)使屬于前景的像素點(diǎn)被判為背景像素，出現(xiàn)前景丟失情況。

在本實(shí)驗(yàn)中選取基于迭代的閾值方法對(duì)幀差分圖像進(jìn)行二值化。這種方法能自動(dòng)更新閾值，比人工選擇法方便，且比直接選取閾值的分割效果好。

5 形態(tài)學(xué)處理

在二值化過(guò)程中，由于實(shí)驗(yàn)方法和環(huán)境的影響，會(huì)導(dǎo)致一部分前景和背景像素點(diǎn)的誤判。這樣就會(huì)使差分二值圖像出現(xiàn)一些孤立的點(diǎn)和目標(biāo)物內(nèi)有空洞的問(wèn)題。為了消除這些影響，需要對(duì)獲得前景和背景的二值化差分圖像作一些處理，本實(shí)驗(yàn)使用形態(tài)學(xué)處理［8］的方法。

在數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中，其基本運(yùn)算有腐蝕、膨脹、開啟和閉合運(yùn)算。在本實(shí)驗(yàn)中，先采用腐蝕運(yùn)算，然后再膨脹運(yùn)算來(lái)去除分割后圖像中的孤立點(diǎn)和區(qū)域內(nèi)的空洞。

腐蝕是消除物體所有邊界點(diǎn)的一種過(guò)程，其對(duì)圓形物體每次腐蝕，將使物體直徑減少2個(gè)像素，其結(jié)果使剩下的物體沿其周邊比原物體小一個(gè)像素的面積。腐蝕可以去除圖像中小且無(wú)意義的孤立點(diǎn)。

膨脹是將與物體接觸的所有背景點(diǎn)合并到該物體的過(guò)程，膨脹過(guò)程的結(jié)果是使物體的面積增大了相應(yīng)數(shù)量的點(diǎn):每次膨脹后增大2個(gè)像素。膨脹可以填補(bǔ)分割后物體中的空洞。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分割實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分割實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖中（a）為原始灰度圖像；（b）為中值濾波后的圖像，除噪效果比較好；（d）為用改進(jìn)的背景更新算法得到的背景圖像；利用背景差得到差值圖像（e）；二值化圖像見（f）。將二值化圖像先腐蝕再膨脹，得到最后的分割結(jié)果（見（h））。

7 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分割是目標(biāo)跟蹤等其它視頻圖像處理工作的基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)采用背景更新算法獲得質(zhì)量較好的背景，利用背景差法對(duì)圖像經(jīng)過(guò)分割后，成功分割出較精確的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，為其它后續(xù)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

［1］ 朱娟娟，郭寶龍.復(fù)雜場(chǎng)景中基于變塊差分的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)［J］.光學(xué)精密工程，2011，19（1）:183-191.

［2］ 劉亞，艾海舟，徐光佑.一種基于背景模型的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤算法［J］.信息與控制，2002，31（4）:315-319，328.

［3］ 魏冬梅，張之超，高振明，等.一種基于背景的視頻運(yùn)動(dòng)對(duì)象分割算法［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版，2004（2）:73-76，80.

［4］ 于成忠，朱駿，袁曉輝.基于背景差法的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005（S2）:165-167.

［5］ 李剛，邱尚斌，林凌，等.基于背景差法和幀間差法的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（8）:961-964.

［6］ 韓思奇，王蕾.圖像分割的閾值法綜述［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2002，24（6）:91-94，102.

［7］ 李文斌，周曉敏，王長(zhǎng)松.一種基于背景減法的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（2）:106-110.

［8］ 韓嫗偉，張有志，李慶濤，等.幀差累積和減背景相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)對(duì)象分割方法［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2011，47（14）:164-165，203.