一種基于GLCM的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)新方法

姬麗娜，陳慶奎，趙永濤，劉伯成，陳圓金，高 倩

(1.上海理工大學(xué) a.光電與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,b.管理學(xué)院,上海 200093;2.陜西師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,西安 710100)

一種基于GLCM的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)新方法

姬麗娜1a，陳慶奎1，趙永濤1a，劉伯成1，陳圓金1a，高 倩2

(1.上海理工大學(xué) a.光電與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,b.管理學(xué)院,上海 200093;2.陜西師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,西安 710100)

基于GMM(Gaussian Mixture Model,混合高斯模型)的物體識(shí)別基礎(chǔ)上，利用GLCM(Gray-level co-occurrence matrix,灰度共生矩陣)及基于GLCM提取的紋理特征來(lái)解決當(dāng)前運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)所存在的問(wèn)題，如動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的變化，光照突變及天氣變化等。GLCM在局部區(qū)域的往復(fù)運(yùn)動(dòng)具有相對(duì)不變性,因此利用這個(gè)特點(diǎn)對(duì)基于GMM檢測(cè)的前景進(jìn)行再判斷以解決動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的問(wèn)題,將檢測(cè)窗口中當(dāng)前幀和前兩幀的GLCM特征值進(jìn)行比較,如果其GLCM特征值的差值小于給定的閾值,那么可以判斷當(dāng)前區(qū)域?yàn)楸尘?反之則為前景。圖像的紋理特征具有抗光照突變性,經(jīng)過(guò)分析其中的4個(gè)特征值并閾值化最終得到更加純凈的前景和更加準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)CPU/GPU(Central Process Unit/Graphic Processing Unit)協(xié)同并行計(jì)算大大加速了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)證明這種新的檢測(cè)算法在檢測(cè)精度和處理速度上比其他算法有明顯改善。

灰度共生矩陣;運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè);紋理特征;混合高斯模型;協(xié)同計(jì)算

近幾年來(lái),由于在軍事視覺(jué)制導(dǎo)、醫(yī)療診斷、視頻監(jiān)控、人類(lèi)行為分析、機(jī)器人導(dǎo)航、異常檢測(cè)、視頻會(huì)議、智能交通等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)引起越來(lái)越廣泛的關(guān)注。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)就是在指定區(qū)域能識(shí)別圖像的變化,檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的存在。根據(jù)視覺(jué)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)情況,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)又分為靜態(tài)背景下運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)背景下運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。本文主要考慮靜態(tài)背景的情況,即攝像頭固定為前提。此外,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)及視頻處理領(lǐng)域非常重要和有效的研究課題,因?yàn)樗窃S多復(fù)雜處理過(guò)程如視頻對(duì)象分類(lèi)和視頻跟蹤活動(dòng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

然而運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)面臨著諸多挑戰(zhàn)如動(dòng)態(tài)場(chǎng)景變化、光照變化、出現(xiàn)影子以及復(fù)雜背景下的偽裝色等問(wèn)題。很多學(xué)者針對(duì)上述問(wèn)題提出了很多不錯(cuò)的算法。背景差分法已成為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)中最常用的方法,它利用當(dāng)前圖像與背景圖像的差分來(lái)檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)區(qū)域的一種技術(shù)[1]。跟其他算法相比,該算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)、定位準(zhǔn)確,然而在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的變化如光照和背景擾動(dòng)等特別敏感。復(fù)雜場(chǎng)景中搖動(dòng)的樹(shù)葉等變化會(huì)被檢測(cè)為前景,產(chǎn)生混亂的運(yùn)動(dòng)前景。而且室內(nèi)外監(jiān)控視頻中光線變化也會(huì)對(duì)檢測(cè)造成一定干擾,產(chǎn)生漏檢和虛警區(qū)域。背景差分法中最常用的描述場(chǎng)景背景點(diǎn)顏色分布的概率密度模型就是高斯分布。因此本文將基于GMM針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題展開(kāi)研究。

本文在基于GMM的物體識(shí)別基礎(chǔ)上,利用GLCM提取圖像紋理特征對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行二次加工,以得到更加純凈的背景和更準(zhǔn)確的結(jié)果,同時(shí)為了檢測(cè)速度在實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中也是一個(gè)關(guān)鍵的因素,因此利用CPU/GPU協(xié)同并行計(jì)算,加快圖像處理速度。實(shí)驗(yàn)證明本文提出的這種新的檢測(cè)算法在檢測(cè)精度和處理速度上都比其他算法有明顯改善。

1 相關(guān)工作

目前主要有三種常用的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法:幀間差分法、背景差分法以及光流法。光流法采用了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)隨時(shí)間變化的光流特性,但是大多數(shù)的光流算法復(fù)雜度高,且抗噪性差[2]。文獻(xiàn)[3]提出幀間差分法,利用連續(xù)的圖像幀之間采用基于像素的高度差,并閾值化來(lái)提取出目標(biāo)區(qū)域。時(shí)間差分法只對(duì)運(yùn)動(dòng)物體敏感,但復(fù)雜場(chǎng)景下的檢測(cè)效果較差。

很多學(xué)者致力于解決動(dòng)態(tài)場(chǎng)景變化和光照變化,影子等問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]采用GMM與色度亮度比模型消除快速光照變化,但是在復(fù)雜背景如下雪、車(chē)窗玻璃反光、水坑或鏡面地區(qū)情況下,檢測(cè)結(jié)果不是很理想。文獻(xiàn)[5]用局部強(qiáng)度比消除影子然后利用GMM檢測(cè)目標(biāo),在光照變化下能成功檢測(cè)目標(biāo),但是當(dāng)背景類(lèi)似于前景或者前景類(lèi)似于影子時(shí),檢測(cè)性能明顯下降,且無(wú)法適應(yīng)連續(xù)的光照變化如燈開(kāi)/關(guān)。文獻(xiàn)[6]解決了標(biāo)準(zhǔn)三幀差法的空洞現(xiàn)象和邊緣缺失問(wèn)題,消除了鬼影,但是當(dāng)在強(qiáng)光下檢測(cè)結(jié)果不理想。因此本文將基于上述討論中針對(duì)視頻中存在局部背景干擾運(yùn)動(dòng)和光照變化的問(wèn)題展開(kāi)研究。

紋理是圖像分析和分類(lèi)中很重要的一種特征,它具有很強(qiáng)的抗光照突變特征和局部序列性等良好屬性[7],尤其適用復(fù)雜場(chǎng)景下進(jìn)行目標(biāo)的分類(lèi)和檢索,因此本文利用GLCM的這一特性對(duì)檢測(cè)前景進(jìn)行再判斷,將檢測(cè)窗口中當(dāng)前幀和前兩幀的GLCM特征值進(jìn)行比較,如果其GLCM特征值的差值小于給定的閾值,那么可以判斷當(dāng)前區(qū)域?yàn)楸尘?反之則為前景,這樣二次加工后的算法在光照變化和場(chǎng)景變化情況下都能得到相對(duì)其他算法更加純凈的背景和更準(zhǔn)確的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中并行計(jì)算部分在GPU端實(shí)現(xiàn),串行部分在CPU端執(zhí)行,CPU和GPU協(xié)同計(jì)算大大提高了處理速度。

2 算法分析

背景模型是背景差分法分割運(yùn)動(dòng)前景的基礎(chǔ),背景模型主要有單模態(tài)和多模態(tài)兩種,前者在每個(gè)背景像素點(diǎn)上的顏色分布比較集中,可以用單分布概率模型來(lái)描述,后者的分布較分散,需用多分布概率模型來(lái)共同描述,在許多應(yīng)用場(chǎng)景,比如水面的波紋、搖擺的樹(shù)枝,飄揚(yáng)的紅旗,監(jiān)視器屏幕等,像素點(diǎn)的值都呈現(xiàn)出多模態(tài)特性,最常用的描述場(chǎng)景背景點(diǎn)顏色分布的概率密度模型是高斯分布。常用的背景建模包括單高斯模型和GMM法,但是使用傳統(tǒng)的單高斯模型檢測(cè)的目標(biāo)物體有拖尾和鬼影問(wèn)題,此外在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景像素點(diǎn)都呈現(xiàn)多模態(tài)特性[8],因此為了更好地改善背景差分法性能,本文采取在GMM進(jìn)行物體識(shí)別的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次處理。

基于GMM的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法采用多個(gè)高斯分布加權(quán)建模,能夠描述像素值分布的雙峰或多峰狀態(tài),而在實(shí)際應(yīng)用中,雖然GMM相對(duì)其他方法表現(xiàn)較好,但是并不適合于所有情況,例如搖擺的樹(shù)枝和光線變化等。而GLCM是反映圖像灰度關(guān)于方向和變化幅度和分析圖像局部模式和排列規(guī)則的不錯(cuò)方法,因此作者認(rèn)為計(jì)算圖像局部GLCM,復(fù)雜背景中的小幅度往復(fù)運(yùn)動(dòng)的物體的GLCM是幾乎不變的,那么我們可以通過(guò)閾值化將被誤檢測(cè)為前景的干擾運(yùn)動(dòng)置為背景。此外,由GLCM提取出來(lái)的紋理特征具有很強(qiáng)的抗光照突變特征和局部序列性,尤其適用復(fù)雜場(chǎng)景下的目標(biāo)分類(lèi)和檢索。因此為了使我們的算法對(duì)光線變化具有魯棒性,我們利用計(jì)算的GLCM提取出具有抗光照突變的紋理特征,通過(guò)分析紋理特征對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化,以得到更精確的結(jié)果和更純凈的背景。

此外,另外一個(gè)值得討論的重要因素是圖像的處理速度,隨著圖像分辨率的增長(zhǎng),GLCM的計(jì)算復(fù)雜度會(huì)越來(lái)越大,假如計(jì)算N×N圖像的GLCM需要進(jìn)行2N(N-1)+G×G次加法操作,其中G是圖像的最大灰度值。例如,在PeWium4工作頻率為2.4 GHz的硬件平臺(tái)下的計(jì)算大小為5 000×5 000圖像的灰度共生矩陣的時(shí)間為350 s[7],如何提高GLCM的計(jì)算速度,對(duì)圖像處理的實(shí)時(shí)性具有重要的意義。

基于GLCM和GMM的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法流程大致如下。視頻傳感器獲取圖像后,第一步通過(guò)GMM進(jìn)行背景建模,通過(guò)背景減除分割出前景圖像；第二步計(jì)算圖像的GLCM；第三步利用GLCM提取灰度圖像的四個(gè)局部特征量,用閾值化法剔除干擾獲取最終目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果。

2.1 利用GMM初步提取前景

基于GMM的前景提取算法包括4個(gè)核函數(shù)。首先為了降低圖像噪聲,對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理;其次我們?cè)诮⒈尘澳Ｐ颓跋劝演斎雸D像灰度化從而節(jié)約存儲(chǔ)資源和加快計(jì)算速度;然后為每個(gè)像素建立K個(gè)模型,需要對(duì)背景模型進(jìn)行初始化和不斷更新;最后提取前景圖像。

2.1.1 圖像平滑

若輸入的對(duì)象為寬度為width，高度為height的圖像,在GPU實(shí)現(xiàn)的平滑處理中,GPU啟動(dòng)width×height個(gè)線程,每個(gè)線程處理一個(gè)像素點(diǎn),用輸出像素點(diǎn)8領(lǐng)域窗口內(nèi)的像素均值代替輸出點(diǎn)像素值,如圖1所示。B通道的像素處理如圖2所示。其中

intx=blockDimx×blockIdxx+threadIdxx;inty=blockDimy×blockIdxy+threadIdxy.表示全局內(nèi)存中的線程坐標(biāo),G通道和R通道操作和上述原理相同,不再贅述。

圖1 平滑操作示例圖

圖2 B通道的像素處理部分核函數(shù)

2.1.2 圖像灰度化

對(duì)RGB圖像的灰度化就是對(duì)圖像的R，G，B三個(gè)分量進(jìn)行加權(quán)平均得到最終的灰度值。本文使用的比較常見(jiàn)的基于OpenCV開(kāi)放庫(kù)所采用的灰度權(quán)值的加權(quán)平均法,即:

Wgray=0.072 169B+0.715 160G+0.212 671R.

(1)

式中：Wgray表示灰度化后的像素值;B，G，R是源圖圖像的三通道像素值,在GPU實(shí)現(xiàn)的灰度化處理中,GPU啟動(dòng)weight×height個(gè)線程,每個(gè)線程處理一個(gè)像素點(diǎn),對(duì)源圖像中每個(gè)線程進(jìn)行式(1)的操作,得到結(jié)果存到目標(biāo)圖像的緩存中。

2.1.3 模型初始化和更新

接下來(lái)為灰度圖像中每一個(gè)像素背景建立的K個(gè)高斯分布,初始化時(shí),將第一幀或最初幾幀圖像對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的平均值賦給每一個(gè)像素點(diǎn)的第一個(gè)高斯分布的均值,并賦予第一個(gè)高斯分布一個(gè)較大的方差和一個(gè)較大的權(quán)值,而將其他幾個(gè)高斯分布的權(quán)值和均值都初始化為零,而分布一個(gè)較大的方差。每讀入一幀新的圖像,使用這幅圖像的像素值更新原有的背景模型。對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn),如果它的當(dāng)前像素值與某個(gè)高斯分布的均值之差的絕對(duì)值小于λ(2≤λ≤3)倍的標(biāo)準(zhǔn)差,則認(rèn)為當(dāng)前像素值和這個(gè)高斯分布相匹配,對(duì)與當(dāng)前像素xi匹配的高斯分布的各參數(shù)進(jìn)行更新以增加權(quán)重。如果K個(gè)高斯分布都不與當(dāng)前幀像素匹配,則出現(xiàn)了新的分布,那么就用新的高斯分布替換權(quán)重最小的高斯分布,新的高斯分布的均值初始化為一個(gè)較大的標(biāo)準(zhǔn)差σ0和一個(gè)較小的權(quán)重w0,其余的高斯分布保持相同的均值和方差,并對(duì)其權(quán)重進(jìn)行衰減化更新[9-10]。

2.1.4 前景提取

圖3 GMM算法

2.2 計(jì)算GLCM

2.2.1 概念

GLCM是基于在紋理中某一灰度級(jí)結(jié)構(gòu)重復(fù)出現(xiàn)的情況,定義為圖像中相距為δ=(Δx,Δy)的兩個(gè)灰度像素同時(shí)出現(xiàn)的聯(lián)合概率分布。它反映了圖像灰度關(guān)于方向和變化幅度等綜合信息,是分析圖像局部模式和排列規(guī)則的基礎(chǔ)。圖像的紋理越粗,共生矩陣的變化越慢,圖像的紋理越細(xì),共生矩陣的變化越快[12]。對(duì)M×N大小的圖像I(x,y),如圖1所示,其灰度級(jí)為P(i,j|d,θ),GLCM為:

P(i,j|d,0)=#{(x1,y1),(x2,y2)∈M×N|I(x1,y1)=i,I(x2,y2)=j,|x1-x2|=0,|y1-y2|=d}

(2)

P(i,j|d,45)=#{(x1,y1),(x2,y2)∈M×N|I(x1,y1)=i,I(x2,y2)=j,|x1-x2|=d,|y1-y2|=-d}

(3)

P(i,j|d,90)=#{(x1,y1),(x2,y2)∈M×N|I(x1,y1)=i,I(x2,y2)=j,|x1-x2|=d,|y1-y2|=0}

(4)

P(i,j|d,135)=#{(x1,y1),(x2,y2)∈M×N|I(x1,y1)=i,I(x2,y2)=j,|x1-x2|=d,|y1-y2|=d}

(5)

式中:#{}表示從灰度級(jí)i到j(luò)灰度差為d的個(gè)數(shù);θ表示灰度變化的方向,θ有0°,45°,90°,135°四個(gè)方向。圖4說(shuō)明了求圖像I的灰度共生矩陣的具體過(guò)程。

圖4 GLCM 示例圖

2.2.2 計(jì)算GLCM

前面通過(guò)GMM得到前景和背景分離的二值圖像,我們首先利用GLCM能夠表征圖像灰度關(guān)于方向和變化幅度的特征來(lái)改善動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的反復(fù)變化造成的把背景誤檢為前景的問(wèn)題。

首先,GLCM計(jì)算對(duì)象為灰度圖像,可以把圖像看成是width×height的矩陣,在GPU端開(kāi)啟width×height個(gè)線程,線程劃分如下:

dim3 block(8,8);

dim3 grid((width+blockx-1)/blockx,(height+blocky-1)/blocky).

首先為了便于得到后續(xù)的GLCM,對(duì)灰度圖像中每個(gè)浮點(diǎn)型像素值進(jìn)行開(kāi)方根處理以得到整型數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到dd-GrayData緩沖池中,然后對(duì)該整型矩陣中每個(gè)元素的0°，45°，90°，135°四個(gè)方向計(jì)算GLCM,其中0°方向的GLCM計(jì)算核函數(shù)如算法1所示,其他三個(gè)方向計(jì)算同理。

2.2.3 去除動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的干擾運(yùn)動(dòng)

對(duì)于上述操作中得到每個(gè)像素的GLCM,觀察和分析視頻圖像中局部動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的相鄰幀間的GLCM差值變化如算法2所示,可見(jiàn)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的圖像GLCM幾乎不變,因此我們?cè)O(shè)定一個(gè)閾值T,通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)T=5.03時(shí)效果較好,對(duì)于相鄰幀的局部區(qū)域的GLCM 變化在這個(gè)閾值內(nèi),我們認(rèn)為它是背景。

算法1 計(jì)算水平方向GLCM核函數(shù)GrayMatrix-0INPUT:dd-GrayData,width,height,x,yOUTPUT:d-0-GrayMatrixFUNCTIONGrayMatrix-0() IFx>0&&x0&&y

算法2 GLCM閾值法去除動(dòng)態(tài)背景INPUT:d-0-GrayMatrix、OUTPUT:f-0-GrayMatrixFUNCTIONremoveDynamic() ComputingVALUEt,VALUEt-1andVALUEt-2 IFd-0-GrayMatrix≥TTHEN ELSE LETf-0-GrayMatrixBE1; END LETf-0-GrayMatrixBE0; ENDIF RETURN;ENDFUNCTION

2.3 提取特征量

2.3.1 概念

為了增加對(duì)抗光照變化的魯棒性,接下來(lái)在上述得到的四個(gè)方向的GLCM基礎(chǔ)上提取具有抗光照突變性的紋理特征諸如角二階局矩、熵、對(duì)比度等14種基本特征量,由于特征量?jī)?nèi)部相關(guān)性,實(shí)驗(yàn)中只分析灰度共生矩陣中4種常用的統(tǒng)計(jì)量來(lái)表征圖像的紋理特征[12],下面分別將分別描述計(jì)算過(guò)程。

為了便于后續(xù)處理,在計(jì)算四個(gè)特征向量之前,先對(duì)前面提取的四個(gè)方向的GLCM進(jìn)行歸一化處理,線程分布如下：

dim3 block1(MATRIXDIMENSION,MATRIXDIMENSION);

dim3 grid1(1,1);

其中MATRIXDIMENSION表示GLCM的維數(shù),本文GLCM是在灰度圖像上計(jì)算得到的因此維度為8維。

1) 能量:

(6)

能量通過(guò)GLCM元素值的平方和得到,是對(duì)圖像灰度分布均勻性的度量,如果GLCM以對(duì)角線區(qū)域?yàn)橹饕胤植嘉恢?說(shuō)明圖像中位置接近的像素點(diǎn)其灰度值也接近。局部區(qū)域的圖像紋理均勻,突變很小,這時(shí)圖像的紋理細(xì),能量較小。

2) 熵:

(7)

圖像的熵表示圖像所包含信息量的多少。熵值較大說(shuō)明圖像中紋理較細(xì),熵值較小說(shuō)明圖像紋理信息較少。

3) 關(guān)聯(lián)性:

(8)

圖像的相關(guān)度表征GLCM元素在水平方向和垂直方向的相似程度,CON值反映了圖像中局部灰度相關(guān)性,如果GLCM中元素值均相等,CON值最大。

4) 對(duì)比度:

(9)

對(duì)比度指一幅圖像中明暗區(qū)域最亮的白和最暗的黑之間不同亮度層級(jí)的測(cè)量,差異范圍越大代表對(duì)比越大。圖像紋理溝紋越深,圖像越清晰,其對(duì)比度也越大。GLCM中遠(yuǎn)離對(duì)角線的元素值越大,對(duì)比度值越大。

2.3.2 提取特征向量

提取GLCM水平方向上的上述四個(gè)紋理特征量核函數(shù)如算法3所示,其他三個(gè)方向的紋理特征提取同理。其中輸入f-0-GrayMatrix是前面歸一化GLCM函數(shù)的輸出,featureVector-0存儲(chǔ)水平方向的四個(gè)特征量。Entropy,eng,contrast,homogenity 分別表示熵、能量、對(duì)比度、關(guān)聯(lián)性4個(gè)特征量。

算法3 提取紋理特征INPUT:f-0-GrayMatrix,width,heightOUTPUT:TEXTUREFUNCTIONTextureComputing() IFenergy=(-pixel*log(pixel))THEN Compute f-0-GrayMatrixwith(5),forallx; ENDIF IFentropy=(-pixel*log(pixel))THEN Computef-0-GrayMatrixwith(6),forallx; ENDIF IFhomogenity=pixel/(1+(x-y)*(x-y))THEN Computef-0-GrayMatrixwith(7),forallx; ENDIF IFcontrast=(x-y)*(x-y)*pixelTHEN Computef-0-GrayMatrixwith(8),forallx; ENDIF RETURN; ENDFUNCTION

2.3.3 紋理特征值抗光照變化

根據(jù)上述所得紋理特征,根據(jù)所求得的能量、熵、關(guān)聯(lián)度、和對(duì)比度值,對(duì)于判斷該區(qū)域是否屬于前景從而適應(yīng)光照變化,光照變化不僅改變了圖像的灰度空間分布,而且促使圖像的紋理結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化,具體表現(xiàn)在上述四種特征向量的變化中,因此我們通過(guò)閾值化在找出因光照變化而被誤檢的背景,具體執(zhí)行過(guò)程如算法4所示,其中threshold1和threshold2在試驗(yàn)中利用試湊法得到分別為0.05和0.02。

算法4 紋理特征值適應(yīng)光照變化INPUT:energy,entropy,homogenity,contrastOUTPUT:OUTDATAFUNCTIONAnti-light() IFenergy>Threshold1&homogeneity>Threshold1THEN LETOUTDATABE1;ELSEIFentropy>Threshold2&contrast>Threshold2THEN LETOUTDATABE0; ENDIF ENDIF RETURN;ENDFUNCTION

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及對(duì)象

圖5 不同測(cè)試場(chǎng)景下視頻截圖原圖

圖6 不同場(chǎng)景下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

本文實(shí)驗(yàn)所采用的處理器為Intel(R) Core(TM)2 E8400,2核2線程,主頻為3.00 GHz,物理內(nèi)存為4 GB;顯卡采用NVIDIA GeForce GTX 670,頻率為1.06 GHz,1344 CUDA Cores;操作系統(tǒng)為Windows 7，64位旗艦版,CUDA版本為5.5。本文選用文獻(xiàn)[13]中的測(cè)試視頻數(shù)據(jù)集分別進(jìn)行試驗(yàn),分別選擇了office,fall,PET2006,Pedestrians,tramStation和skating6個(gè)視頻數(shù)據(jù)集用以測(cè)試以下問(wèn)題:動(dòng)態(tài)場(chǎng)景變化;光照變化;天氣變化。另外測(cè)試時(shí)間沒(méi)有將數(shù)據(jù)在Host端和GPU端之間的內(nèi)存拷貝時(shí)間計(jì)算在內(nèi),因?yàn)檫@些操作是計(jì)算無(wú)關(guān)的。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于本文算法是基于GMM的改進(jìn)算法,因此本文實(shí)驗(yàn)對(duì)比選擇和測(cè)試視頻數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果和GMM測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(如圖6所示)。圖5是選取的測(cè)試視頻數(shù)據(jù)集的部分實(shí)驗(yàn)截圖,圖5-a與圖6-a行相對(duì)應(yīng)，圖5-b與圖6-b行相對(duì)應(yīng)，以此類(lèi)推。首先,從圖中可以看出靜態(tài)場(chǎng)景下本文算法也能有很純凈的檢測(cè)背景,沒(méi)有任何噪聲干擾。其次,動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下GMM由于視頻中樹(shù)葉的劇烈晃動(dòng)而導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果包含較多的虛警點(diǎn),而本文算法幾乎沒(méi)有虛警點(diǎn),因此GLCM很好的解決了動(dòng)態(tài)背景干擾的問(wèn)題。此外,在室內(nèi)外、白天、夜晚場(chǎng)景下,光線變化比較大,GMM均出現(xiàn)了很多誤檢情況,而本文算法表現(xiàn)良好,這說(shuō)明本文算法對(duì)各種場(chǎng)景下的光照變化具有魯棒性。最后,本文算法在雨雪天氣下沒(méi)有虛警點(diǎn),說(shuō)明本文算法對(duì)天氣變化也有很好的處理能力。

圖7 GMM和文本算法不同分辨率視頻的執(zhí)行時(shí)間對(duì)比

此外為了分析本文算法在GPU上執(zhí)行的時(shí)間性能,GMM算法和本文算法在不同分辨率視頻上的執(zhí)行時(shí)間對(duì)比結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯霰疚乃惴▓?zhí)行時(shí)間最短。圖8展示了本文算法在不同分辨率的視頻下測(cè)試的加速比對(duì)比SP(即，算法CPU和算法GPU平臺(tái)處理一幀圖像的平均時(shí)間之比),SP隨著分別的增加而增加,說(shuō)明該算法在CUDA上的并行執(zhí)行能力也在不斷增加。實(shí)驗(yàn)證明本文提出的這種新的檢測(cè)算法在檢測(cè)精度和處理速度上都比其他算法有明顯改善。

圖8 GLCM在不同分辨率視頻上執(zhí)行時(shí)間的加速比對(duì)比

4 總結(jié)與展望

本文提出了一種改善運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)效果的新方法,即利用圖像的GLCM特征對(duì)檢測(cè)的前景進(jìn)行分析和研究,顯著改善了目標(biāo)檢測(cè)的效果和提高了檢測(cè)精度,但也存在一些問(wèn)題,對(duì)此還有很多方面需要廣大研究學(xué)者繼續(xù)研究探索。

目前紋理特征的提取主要針對(duì)灰度圖像,但隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高,基于彩色圖像的紋理提取技術(shù)應(yīng)當(dāng)成為該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。本文實(shí)驗(yàn)表明針對(duì)單一的GLCM特征的去干擾技術(shù)在對(duì)較大物體的不規(guī)則反復(fù)運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)效果仍然不是很理想。

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(編輯：朱 倩)

A Novel Detection Method of Moving Object Based on GLCM

JI Lina1a,CHEN Qingkui1,ZHAO Yongtao1a,LIU Bocheng1,CHEN Yuanjin1a,GAO Qian2

(1.a.SchoolofOptical-ElectricalandComputerEngineering,b.BusinessSchoolUniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.SchoolofComputerScienceofShaanxiNormalUniversity,Xi’an710100，China)

For current moving object detection algorithms,therexist three main issues,including dynamic scene,sudden illumination changes,and bad weathers.These problems reduce the performance of video segmentation.The Gaussian Mixture Model algorithm is widely used currently.The improved moving object detection algorithm based on GLCM for video surveillance is presented in this paper.The proposed algorithm computes the Gray-level co-occurrence matrix (GLCM) to eliminate the effect of dynamic background by threshold firstly.Secondly,it extracts the texture which has the property of resisting sudden change in light according to the GLCM.Finally,cleaner foreground and more accurate results are obtained.What’s more,the algorithm runs efficiently through CPU/GPU collaborative computing in parallel.

GLCM; Moving Object Extraction; Texture; Gaussian Mixture Model; Collaborative Computing

1007-9432(2015)06-0719-08

2015-05-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目:面向?qū)崟r(shí)并發(fā)數(shù)據(jù)流的能耗優(yōu)化的GPU集群可靠處理機(jī)制研究(61572325)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研博導(dǎo)基金(20113120110008)；上海重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(14511107902)；上海市工程中心建設(shè)項(xiàng)目(GCZX14014)；上海智能家居大規(guī)模物聯(lián)共性技術(shù)工程中心項(xiàng)目(GCZX14014)；上海市一流學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(XTKX2012)；滬江基金研究基地專(zhuān)項(xiàng)(C14001)資助

姬麗娜(1990-)，女，河南信陽(yáng)人，碩士生，主要從事模式識(shí)別、并行計(jì)算、計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的研究,(E-mail)coldpoint@sina.cn

陳慶奎，教授，博士生導(dǎo)師，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(CCF)會(huì)員，(E-mail)chenqingk@tom.com

TP301

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.016