運(yùn)動(dòng)目標(biāo)去除陰影的跟蹤

陳云彪 鄭賢超

【摘要】運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的影子會(huì)降低視頻監(jiān)控的性能，本文提出了一個(gè)提高目標(biāo)跟蹤精確率的去影算法。該算法由四部分組成：建立一個(gè)實(shí)時(shí)性很強(qiáng)自動(dòng)更新的背景模型，提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域，消除運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的影子，最后對(duì)已去影的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明我們的算法在處理目標(biāo)去影跟蹤上有著良好的性能，能在一定的程度上解決運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的遮擋問(wèn)題，并去除目標(biāo)自的陰影，提高了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的魯棒性。

【關(guān)鍵詞】背景建模;陰影去除;灰度直方圖;背景相差;跟蹤

1.引言

在日新月異的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)發(fā)展中，行人定位變得越來(lái)越重要，尤其在智能視頻監(jiān)控領(lǐng)域。智能視頻系統(tǒng)可以迅速?gòu)脑家曨l幀中提取有用信息，同時(shí)它不僅解決了單一對(duì)象的細(xì)節(jié)檢測(cè)，還增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)去影檢測(cè)跟蹤的魯棒性[1]。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤意味著要準(zhǔn)確檢測(cè)其在視頻序列中的位置和形狀。運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)和其他靜止目標(biāo)都會(huì)在強(qiáng)光下產(chǎn)生影子，因此運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的其中一個(gè)跟蹤難度就是去除陰影的影響，不然就會(huì)降低跟蹤精度。

在視頻系列中對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的陰影去除分為基于模型和基于屬性特征[2]。基于模型的有較大的局限性，是依據(jù)統(tǒng)計(jì)信息對(duì)特定場(chǎng)景的處理，需要事先知道場(chǎng)景分布，光照不同等先驗(yàn)信息，所以難度較大可行性較小。基于屬性的方法則是對(duì)顏色、亮度等方面的屬性來(lái)檢測(cè)陰影[3]。陰影有和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)相同的速度，本文提出了一個(gè)多個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的監(jiān)控系統(tǒng)。背景由一個(gè)固定的攝像機(jī)拍攝，我們的目標(biāo)是從拍攝的視頻序列信息中實(shí)現(xiàn)精確跟蹤。該算法基于灰度直方圖空間來(lái)消除目標(biāo)陰影并且對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)跟蹤。在灰度直方圖空間中，根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體和陰影之間像素值的不同可以將前景像素分為陰影和非陰影部分，用這種方式我們可以消除每一個(gè)陰影。在靜態(tài)背景下，我們使用了背景消除的方法去提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域，同時(shí)基于灰度直方圖空間去除陰影，最后在去影后的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域?qū)\(yùn)動(dòng)目標(biāo)較為準(zhǔn)確的跟蹤。

2.提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)

我們運(yùn)用高斯函數(shù)對(duì)背景模型進(jìn)行更新，并運(yùn)用背景相差法提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。背景圖像每個(gè)像素可以用K個(gè)高斯函數(shù)來(lái)表示，如下所示：

（1）

式中，K是混合高斯模型中高斯分布的個(gè)數(shù)，一般取3～5，Xt是在t時(shí)刻由紅、綠和藍(lán)色構(gòu)成的像素值，表示在時(shí)刻t時(shí)刻的高斯分布的權(quán)系數(shù)估計(jì)值，和分別是均值向量和協(xié)方差矩陣，為高斯函數(shù)的密度函數(shù)。

（2）

（3）

（4）

通過(guò)高斯建模法背立后背景模型并更新后運(yùn)用背景相差法來(lái)提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。背景相差法是攝像頭固定即背景靜止下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提取的一種思路，建立背景模型下，當(dāng)前幀差與背景圖像的差分圖像便是需要的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。由此可知運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為：

（5）

式中I（x，y，t）為當(dāng)前圖像，b（x，y，t）為背景圖像，n（x，y，t）為噪聲部分，這樣再依據(jù)閾值分割原理的判斷原則得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像，如下：

（6）

式中T為閾值。

3.灰度直方圖中陰影去除

在視頻系列中陰影去除的方法眾多，不少學(xué)者提出了運(yùn)用色度和飽和度在陰影區(qū)域和非陰影區(qū)域的微小變化消除陰影[4]。也有學(xué)者在HSV空間根據(jù)顏色屬性設(shè)定相應(yīng)的閾值去除陰影[5]。但是當(dāng)場(chǎng)景發(fā)生變化或有噪聲引入時(shí)，在HSV空間檢測(cè)到的陰影區(qū)域和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的區(qū)域接近，去除的結(jié)果也是不可靠的。我們根據(jù)前人的工作[6，7]，我們運(yùn)用了再灰度直方圖中去除陰影，這種方法消耗內(nèi)存少，計(jì)算準(zhǔn)確能更好的去除陰影。

在灰度直方圖中，陰影區(qū)域可以被映射到灰度直方圖中的像素空間中，在像素空間，可以顯示陰影區(qū)域和非陰影區(qū)域的灰度信息，在灰度直方圖中能有效的去除噪聲的影響。算法步驟如下：

1）把提取的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像轉(zhuǎn)化灰度圖像。據(jù)此，根據(jù)真彩圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像的原理，再對(duì)圖像進(jìn)行灰度統(tǒng)計(jì)，計(jì)算灰度直方圖的函數(shù)如下：

（7）

其中：

K{0，1，2，…，L-2}，，H（k）為在圖像中出現(xiàn)的頻率，K為灰度值數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，灰度直方圖中的函數(shù)定義為：

（8）

式中

K{0，1，2，…，L-2}，L為灰度等級(jí)。

2）依據(jù)灰度直方圖中的函數(shù)計(jì)算直方圖勢(shì)函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算直方圖勢(shì)函數(shù)pH（k）的一階差分：p（k）=pH（k+1）-pH（k）

K{0，1，2，…，L-2}

3）p（k）第一個(gè)由負(fù)到正的拐點(diǎn)，即為灰度直方圖中的第一個(gè)極小值，對(duì)應(yīng)的灰度值為為灰度分割閾值T。

4）根據(jù)以上式子，把提取出的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行閾值侵害，得到ft（x，y），式子如下：

（10）

在灰度直方圖中，陰影的灰度等級(jí)比提取的目標(biāo)要低，灰度圖中的峰值和峰谷是不同的，根據(jù)灰度直方圖第的第一個(gè)波峰波谷的特性，在分析了灰度值方圖的峰谷后，我們選第一波谷作為檢測(cè)陰影的閾值[9]，進(jìn)行閾值分割后，得到的提取出的運(yùn)動(dòng)圖像便是去除陰影后的跟蹤圖像。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖1-4所示，我們選取了高速公路的測(cè)試場(chǎng)景，在這個(gè)場(chǎng)景中，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)多個(gè)，太陽(yáng)較強(qiáng)，影子強(qiáng)烈，如果不進(jìn)行去除陰影，目標(biāo)的跟蹤會(huì)受到極大的影響。

提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的灰度圖通過(guò)算法生成歸一化的直方圖，因?yàn)橛胁糠衷肼暤母蓴_，因此，我們?cè)谶\(yùn)用均衡化的直方圖（如圖5所示）處理，根據(jù)波峰波谷的特性設(shè)定閾值并且在直方圖空間中去除陰影。

如圖6-9所示，我們的算法可以比較好的建立背景模型并進(jìn)行更新，提取出的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)也更為準(zhǔn)確，并且也包含陰影，在灰度直方圖中，灰度勢(shì)函數(shù)呈多峰多谷的分布，根據(jù)直方圖的峰值特性，自動(dòng)設(shè)定閾值后可以比較好的去除目標(biāo)陰影如圖6所示，但是去除陰影后還會(huì)包含有空洞，所以我們還進(jìn)行了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的處理進(jìn)行膨脹和腐蝕，處理后的結(jié)果如圖7所示，最后在進(jìn)行目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤，因?yàn)楸容^好的去除陰影，所以跟蹤結(jié)果也可以比較精確無(wú)陰影的干擾。

5.總結(jié)

本文主要是運(yùn)用了高斯函數(shù)來(lái)進(jìn)行背景建模并實(shí)時(shí)的進(jìn)行背景更新，背景相差來(lái)提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并在灰度直方圖空間中對(duì)提取的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行陰影直方圖的統(tǒng)計(jì)，根據(jù)直方圖的特性，運(yùn)用一階差分法選取了適當(dāng)?shù)拈撝捣指铧c(diǎn)。我們對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試表明，該算法可以有效的去除光照變化，物體移動(dòng)，場(chǎng)景微調(diào)等噪聲的影響，建立較為準(zhǔn)確的背景模型，能夠完成灰度直方圖中閾值的分割及選取，對(duì)陰影進(jìn)行檢測(cè)并去除，并對(duì)最后的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，我們的算法可以快速有效的實(shí)現(xiàn)。相對(duì)其它算法，我們的算法在準(zhǔn)確率及速率上有所提高，可以比較好的運(yùn)用在智能監(jiān)控中。我們的算法可以有效的去除運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的噪聲干擾，未來(lái)的主要工作放在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提取中的圖像分割上，消除陰影對(duì)前景信息的影響，并且比較好的解決運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的其它物體遮擋問(wèn)題。

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