基于改進(jìn)的ViBe算法的紅外目標(biāo)檢測(cè)

宋丹丹，安博文

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)是計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺研究的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，它是目標(biāo)跟蹤和視頻圖像分析的基礎(chǔ)，在視頻監(jiān)控、智能交通、醫(yī)學(xué)圖像處理等方面有著廣泛的應(yīng)用，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。紅外視頻圖像利用熱量成像，可以透過黑暗和煙霧，在夜間成像光線不足等情況下比可見光圖像容易發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。紅外視頻圖像不易受光線影響，背景比較簡單。目前，越來越多的目標(biāo)檢測(cè)應(yīng)用從可見光視頻方法轉(zhuǎn)向紅外視頻或者可見光與紅外視頻相結(jié)合的方法。

背景差分是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)中一種重要且廣泛應(yīng)用的方法，算法的關(guān)鍵是背景建模及更新。STAUFFER C等人[1]提出的混合高斯模型 GMM（Gaussian Mixture Model）是最重要應(yīng)用最廣泛的一種背景建模方法?；旌细咚鼓Ｐ椭斜尘跋袼乇硎緸槎鄠€(gè)高斯模型的加權(quán)和的形式，能夠很好地模擬多峰背景的情況，當(dāng)背景變化不劇烈時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)背景也有一定的適應(yīng)能力。其缺點(diǎn)是計(jì)算量比較大，實(shí)時(shí)性不夠好，當(dāng)光照劇烈變化或目標(biāo)移動(dòng)速度很慢時(shí)檢測(cè)效果不好。BARNICH O等人[2]在 2011年提出了 ViBe（Visual Background extractor）算法，即視覺背景提取算法。該算法簡單高效，計(jì)算量非常小，具有很高的實(shí)時(shí)性和魯棒性。ViBe算法是一種可以通用的背景建模算法，能適用于很多動(dòng)態(tài)變化的場景中。本文將ViBe算法引入到紅外視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)中。

1 ViBe背景建模算法

ViBe算法創(chuàng)新地運(yùn)用隨機(jī)過程的思想，背景建模及更新都采用隨機(jī)的策略為每個(gè)背景像素點(diǎn)建立樣本集合，是一種無參的像素級(jí)背景建模的算法。

1.1 背景像素建模及分類過程

模型的建立可以概括為對(duì)像素值分類的過程。每個(gè)像素點(diǎn)選取其鄰域內(nèi)N個(gè)像素點(diǎn)，用這N個(gè)樣本點(diǎn)的集合來表示該像素。 記 M（x）={v1，v2，…，vN}為圖像中 x處的一個(gè)樣本集合。為對(duì)該像素值v（x）進(jìn)行分類，即判斷是背景還是前景，采用如下的方法。定義一個(gè)以v（x）為圓心，R為半徑的圓 SR（v（x））。 定義一個(gè)基數(shù) #來表示樣本集合 M（x）與圓 SR（v（x））交集的個(gè)數(shù)。 如果基數(shù)#大于等于給定的閾值#min，則該像素值被判為背景像素。即計(jì)算歐幾里得距離：

其中，vi為樣本集合，i=1，2，…，N。 對(duì)像素點(diǎn) v（x）進(jìn)行分類的過程并不需要計(jì)算 N次，當(dāng)滿足|v（x）-vi|≤R的次數(shù)#達(dá)到#min，該點(diǎn)就被判為背景點(diǎn)，可以停止計(jì)算。這一過程如圖1所示。

圖1 對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行分類的過程

1.2 背景模型初始化

通常檢測(cè)算法的初始化需要多幀視頻序列來完成，要耗費(fèi)數(shù)秒的時(shí)間，這極大降低了檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。ViBe算法的初始化僅僅通過一幀圖像即可完成。由于背景像素值與其一個(gè)鄰域內(nèi)的像素值有相似的時(shí)域分布特性，因而對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)，可以隨機(jī)選擇其鄰域點(diǎn)的像素值來填充背景模型中的樣本值。實(shí)驗(yàn)證明，每個(gè)像素點(diǎn)選取8連通鄰域效果很好。設(shè) t=0時(shí)代表第1幀，NG（x）是位于x處的像素點(diǎn)的一個(gè)空間鄰域。樣本集合可表示為：

其中，y是在空間鄰域內(nèi)等概率隨機(jī)選取的。這種初始化方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)噪聲的反應(yīng)比較靈敏，計(jì)算量小，可以很快地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)；缺點(diǎn)是當(dāng)?shù)?幀視頻含有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，容易產(chǎn)生鬼影。

1.3 背景模型的更新

背景模型的更新就是使背景模型能夠適應(yīng)背景的不斷變化，如光照的變化、輕微的樹枝擺動(dòng)、新目標(biāo)的出現(xiàn)等。傳統(tǒng)的背景更新方法采用先進(jìn)先出的方法來更新模型，丟棄舊的樣本值并用新的樣本值代替。ViBe采用保守的更新策略與前景點(diǎn)計(jì)數(shù)相結(jié)合的方法。保守的更新策略是指像素值只有被判為背景才能加入模型中，只有背景樣本中的像素點(diǎn)才進(jìn)行更新。采用前景點(diǎn)計(jì)數(shù)，對(duì)前景像素點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果次數(shù)超過了特定像素區(qū)域給定的閾值，則將其更新為背景模型。這樣能夠?qū)⒈尘爸型蝗煌？坎㈤L時(shí)間逗留的前景目標(biāo)去除，使其不被檢測(cè)為前景目標(biāo)，也可以更新被前景擋住的背景像素模型。該算法不是每一幀都更新，采用隨機(jī)的二次采樣，每個(gè)背景像素有1/φ的概率來更新背景模型。由于是等概率隨機(jī)地對(duì)樣本更新，模型中樣本值在t時(shí)刻不被更新的概率是（N-1）/N，在時(shí)刻t+dt，樣本值被保留的概率是：

也可以寫作：

這表明在（t，t+dt）的時(shí)間間隔內(nèi)，一個(gè)樣本值在模型中是否被替換與時(shí)間t無關(guān)，是無記憶的。

2 改進(jìn)的ViBe算法

ViBe算法初始化速度非?？欤?幀就可以完成初始化過程。但當(dāng)?shù)?幀圖像中含有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，容易引入“鬼影”。針對(duì)這一問題，融入幀間差分法，可以快速消除鬼影，并提高檢測(cè)的準(zhǔn)確率。由于ViBe算法本身特有的背景更新機(jī)制在后續(xù)幀中可以消除鬼影，只需在前幾幀圖像中融入幀間差分法，這樣既可以快速消除鬼影，又不會(huì)影響算法的實(shí)時(shí)性。

具體算法如下。

（1）前3幀與原 ViBe算法結(jié)果相同，得到提取的前景目標(biāo)圖像。

（2）用 Fi表示 ViBe算法處理后的第 i幀的結(jié)果。將第3幀圖像與第2幀作差分，采用 OTSU分割算子[3]進(jìn)行分割，得到二值化圖像，使其與F3作與運(yùn)算，去除掉F3中的部分鬼影。

（3）將第4幀圖像與第3幀作差分，采用OTSU算子進(jìn)行分割，得到二值化圖像，使其與 F4作與運(yùn)算，去除掉F4中的部分鬼影。

（4）重復(fù)以上步驟，直至達(dá)到預(yù)定的幀數(shù)。

由于噪聲干擾、前景背景對(duì)比度低等原因會(huì)導(dǎo)致提取出的前景目標(biāo)斷裂不完整，不能對(duì)紅外圖像目標(biāo)準(zhǔn)確分割。經(jīng)典的Canny算子[4]具有很好的邊緣檢測(cè)性，能夠給出較為連續(xù)的邊緣。因此，本文在原ViBe算法基礎(chǔ)上結(jié)合邊緣信息進(jìn)行檢測(cè)，可以提取出完整的紅外目標(biāo)。

3 后處理

經(jīng)過圖像分割后的二值圖像，目標(biāo)含有空洞、噪聲邊緣和少量的孤立噪聲，為進(jìn)行后續(xù)的目標(biāo)特征提取和分析，必須對(duì)二值圖像進(jìn)行后處理。算法后處理階段采用了中值濾波、形態(tài)學(xué)算子，有效地去噪并填充分割后的空洞。

3.1 中值濾波器

紅外熱圖像的熱噪聲主要由顆粒噪聲和隨機(jī)噪聲組成，中值濾波[5]消除隨機(jī)干擾噪聲和保持細(xì)節(jié)能力很強(qiáng)，常采用中值濾波對(duì)紅外圖像進(jìn)行去噪，實(shí)現(xiàn)背景抑制。實(shí)驗(yàn)證明，小于中值濾波器面積一半的物體會(huì)被濾掉，較大物體會(huì)保留下來。因此，中值濾波器的尺寸很重要。 分別采取 3×3、5×5、7×7、9×9、11×11 的中值模板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明，9×9的中值模板具有較穩(wěn)定的濾波表現(xiàn)，能在消除噪聲的同時(shí)有效保持目標(biāo)的邊緣信息。

3.2 形態(tài)學(xué)算子

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)基本思想是用一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去提取圖像中的對(duì)應(yīng)形狀。圖像經(jīng)過形態(tài)學(xué)濾波后能有效處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)紅外目標(biāo)對(duì)比度很低時(shí)，該算法時(shí)仍可以快速完整地提取前景目標(biāo)，由于算法是非參數(shù)的，適用于動(dòng)態(tài)變化的場景，有很高的實(shí)時(shí)性和魯棒性。

[1]STAUFFER C，GRIMSON W.Adaptive background mixture models for real time tracking[C].Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition， Fort Collins，Colorado， USA，1999： 246-252.

[2]BARNICH O， VAN DROOGENBROECK M.ViBe： a universal background subtraction algorithm for video sequences[J]. IEEE Transactions on Image Processing，2011， 20（6）： 1709-1724.

[3]OTSU N.A threshold selection method from gray-level histograms[J].Automatica， 1975， 11（285-296）： 23-27.

[4]CANNY J.A computational approach to edge detection[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence， 1986，8 （6）：679-698.

[5]ATAMAN E， AATRE V K， WONG K M.Some statistical properties of median filters[J].IEEE Transactions on Acoust Speech， Signal Process， 1980， 28 （4）： 415-421