基于光流的动态背景运动目标检测算法

１ Ｈ Ｓ光 流 法
光 流算 法通 常 假 定 ： 与ｊ 维 空 间物 体 点 对 应 的
亮 目标 检测算 法 。基 于 运动 补偿 的算 法通 过 对连 续 两 图像 点及 其邻 域 的灰 度 值在 运 动 中保 持 不 变 （ 度
。设 Ｉ ， ， 为 三 维 空 间某 点 ｔ 刻 在 某 （ Ｙｔ ） 时 帧 中的一 帧做 运 动 补偿 ， 动 态 背 景 转 换 为 静 态 背 守 恒 ） 将
－ｄ 时 － 景 ， 利用 帧 间 差 分 法 提 取 运 动 目标 区域 。该算 法 像 投影 的灰度 值 ， Ｉ ｔ 刻该 点 在 新 的 图像 中 的位 再
＋ Ｙ十 ， 有 的有效 性很 大 程 度 上 取 决 于运 动补 偿 的准 确 性 ， 而 置 为 （ ， ）根 据 以上假 设 ， ： 且 帧 间差 分后 只 能 得 到 运 动 目标 的边 缘 ， 不 能 得 并
ｐｏｅ ｅｓｅｄｏ ｅｄｔ ｔ ｎｆｒ ｏｉｇｏｊｃ ａｄｉｆｓｔｅｓ ｒｓｒｅｌｎｅｗｔ ｔｅＰ ｎ Ｔｈｃｍ ｒ． ｒｖｄｔ ｐ ｅ ｆｈ ｅ ｃｉ ｖ ｂｅｔ ｎ ｔ ｈ ｍａ ｕｖｉａｃ ｉ ａ／ ｉ ａ ｅａ ｈ ｔ ｅ ｏｏ ｍ ｎ ｔ ｉ ｔ ｌ ｈｈ
字 塔 Ｌ ＿ 光 流法 通常 只计 算稀 疏 点光 流 ， Ｋ９ 运算 速度 较 快 ， 用于 运 动 目标 检测 时无 法 提取 完 整 的 目标 。 但
将 （） ２ 式两 边 同除 ｄ， 到 光流 约束 方程 ： ｔ得
Ｏ Ｉ
＋ ＋
甏ｏ ：
（ ３ ）
光 流 约束 方程 的求 解 是 一 个 “ 态 ” 病 问题 ， 须 必
Ｓ ｐ ２ １ ｅ ０ １
Ｖｏ ５ Ｉ２ Ｎ０ ３
１
０
基 于 光 流 的 动 态 背 景 运 动 目标 检 测 算 法
储
（南 昌航空大学 ，江西 南昌 ３０６ ） ３０ ３
琚
施
芒
符
祥
［ 关键 词］ 运动 目标 ；动态背景 ； 金字塔 Ｌ Ｋ光流 ；Ｈ Ｓ光流 ［ 摘 要 ］ ｏｎ—Ｓｈ ｎｈ Ｈ ） 流算 法能够在动态背景 中检测 出完整 的运动 目标 ， Ｈ ｒ ｃ ｕｃ （ Ｓ 光 但该算 法计 算量大 ， 且在 图像纹理平 滑 区
◆
（ ） 可知 ， Ｓ光 流 计 算 量取 决 于 图像 的尺 寸 和 迭 ５式 Ｈ
代 次数 。 当图像 尺 寸 固定 时 ， 法 的计 算 量 取 决 于 算
Ｉ 迭代计算背景运动
Ｉ 矢量均值ｖ 和方差
Ｉ
６
●
迭代的次数。当给定的初始值 ， 与真实值比较接 ？
近 时 ， 需要 的迭 代 次数 就会 减少 。 所 基 于该 思 想 ， 文 利用 金 字 塔 Ｌ 本 Ｋ光 流 运 算 速 度 快 的特点 ， 计算 出图像 的稀 疏光 流 ， 去 除运 动 目 并
２
２１ 年９ ０１ 月
第２ ５卷 第 ３期
基 于 光流 的 动 态 背 景 运 动 目标 检 测 算 法
运 动 目标检 测 由于存 在 背景 运 动和 目标 运动 两个 相 互 独 立 的运动 ， 问题 变得 复杂 ， 展较 为 缓慢 。主 使 发 要 方法 有基 于运动 补偿 ～ 和 基 于光 流 两 类 运 动
ａｄｔｅＨ ｐｉ ｌ ｏ ｅ ｃ ｔ ｏｉｇｏｊｃ ｉ ｄｎｍｉ ｓｅｅ Ｉ ｉ ｐｐｒｗ ｒｔ ａ ｕａ ｅｓａｓ ｐｉ ｏ ｆｈ ｎ Ｓｏｔ ａ ｆｗ ｔ ｄｔ ｔｈ ｍ ｖ ｂｅｔｎ ｙ ａ ｃ ｃｎ ．ｎｔ ｓ ａｅ， ｅｆｓ ｙｃｌ ｌｔ ｔ ｐｒｅｏｔ ａ ｆ ｗ ｏ ｅ ｈ ｃ ｌ ｏ ｅ ｅ ｎ ｈ ｉ ｌ ｃ ｅｈ ｃ ｌ ｌ ｔ ｉａｅｕｉｇｔｅｐｒＫ ｏｔ ａ ｆ ｗ ａ ｏ ｔｍ． ｈｎｗ ｌ ｎｔ ｔ ｏｉｇｖｃ ｒ ｆｈ ｖｎ ｂｅｔ ｎ ｅｍｓ ａ ｈ ｄｐｉｔ ｉ ｍ ｇ ｓ ｙＬ ｐｉ ｌ ｏ ｇｒｈ Ｔ ｅ ｅｅｉ ａｅ ｈ ｍ ｖ ｅｔ ｅｍｏｉｇｏｊｃ ａｄｔ ｉ ｔ ｅ ｏｎｓｎ ｎ ｈ ｃ ｌ ｌ ｉ ｍｉ ｅ ｎ ｏ ｏｔ ｈ ｍ ｃ
针对 Ｈ Ｓ光 流 计 算 量 大 的 问题 ， 文 提 出 一 种 添加其 他 的 约束 条 件 。ＨＳ光 流 对 整 个 ห้องสมุดไป่ตู้ 动 场 施 加 本
结 合 金字 塔 （ Ｋ） 流 和 Ｈ Ｌ 光 Ｓ光 流 的 动 态 场 景 运 动 平 滑约 束 ， 假 设 给 定 点 邻 域 内 的 运 动 变 化 很 小 。 即
视频 序 列
◆
。
芸 丽 ㈩ 藕
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Ｈ ｒｓ 点检 测 ａｒ 角 ｉ
◆
其 中 ， 为 控制 平滑 约束 的权 重 因子 ， ， 为 像 素 （ ｙ 邻域 的 平 均 速 度 ， ，） ｋ为 迭 代 次 数 。 由 （ ４）
Ｌ Ｋ光 流运 算
●
背 景 方 向估 计
ＣＨＵ Ｊ ｎ Ｓ ｎ Ｆ ａ ｇ ｕ ＨＩＭａ ｇ Ｕ Ｘｉｎ
（ ａｃ ａｇＨ ｎ ｋｎ ｎｖｒｔ， ａ ｃａｇ，ｉ ｇｉ ３０ ３ Ｃ ｉ ） Ｎ ｎｈ ｎ ａｇ ｏｇＵ ｉ ｓｙ Ｎ ｎｈ ｎ Ｊ ｎ ｘ ３ ０ ６ ，ｈｎ ｅｉ ａ ａ
Ｋｅ ｒ ｓ ｍｏ ｉｇ ｔ ｒ ｅ ｅｅ ｔ ｎ ｙ ａ ｃ ｂ ｃ ｇ ｏ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｖｎ ａ ｇ ｔｄ ｔ ｃｉ ；ｄ ｎ ｍｉ ａ ｋ ｒ ｕ ｄ；Ｐ ｒ Ｋ ｏ ｔ ａ ｌｗ；ＨＳ ｏ ｔ ａ ｏ ｏ ｙ Ｌ ｐｉ ｌ ｏ ｃ ｆ ｐ ｉ ｌｆ ｗ ｃ ｌ
ｔ ｒ ｆｔ ｅｍｏ ｉ ｇ ｄ ｒ ｃｉｎ ａ ｄ ｔ ｅａ ｌ ｕ ｅ ｏ ｅ ｓ ａ ｓ ｐ ｉａ ｏ Ａｔ ａ ｔ ｗｅｔ ｋ ｈ ｖ ｎ ｅ ｔ ｒｅ ｔａ ｔｄ ｆ ｍ ａ ｋ ｒ ｕ ｄ ｅ ｍｓ ｏ ｖ ｎ ｉｅ ｔ ｍｐｉ ｄ ｆｔ ｐ ｒ ｅｏ ｔ ｌ ｗ． ｓ ， ａ ｅ ｔ ｅｍｏ ｉ ｇ ｖ ｃｏ ｘ ｒ ｃｅ ｏ ｂ ｃ ｇ ｏ ｎ ｈ ｏ ｎ ｈ ｔ ｈ ｃ ｆ ｌ ｌ ｒ
ｏ ｅａａ ｓ ｎＨＳａｇｒｈ ｔ ｓｐｐｒｐｏｏｅ ｎａ ｏ ｔｍ ｃｍ ｉ ｄｗｔ ｅｐｒｍ ｄＬ ｃｓ ａａ ｅ（ ｙＬ ｎｔ ｎｌ ｉ ｏ ｌ ｉ ｍ， ｉ ａｅ ｒｐｓｄａ ｌ ｒｈ ｏ ｂｎ ｉ ｔ ｙａ ｉ ｕａ —Ｋ ｎｄ ｐｒＫ）ｏｔ ａ ｆｗ ｈ ｙｓ ｏｔ ｈ ｇｉ ｅ ｈｈ ｐｉ ｏ ｃ ｌ ｌ
域不能检测 出光流 。本文在分 析 Ｈ Ｓ算法运算量 的基础 上 ， 出一种结合金 字塔 Ｌ ｃｓ ａ ａｅ Ｌ 光 流和 ＨＳ光流 的动态 提 ｕ ａ —Ｋ ｎ ｄ （ Ｋ） 场景运动 目标检测算法 。该算法首 先利 用金字塔 Ｌ Ｋ光 流法计 算 出图像 的稀 疏光 流 ， 据稀 疏光流 的运动方 向和 幅值大 小 根 去除运动 目标和误 匹配点 的运 动矢 量 ， 提取 出背 景的运动矢量作为 ＨＳ 流计算 的初 始值 ， 光 完整地 检测 出运 动 目标 。实验 结
０ 引 言
按 摄像 机是 否 运 动 ， 动 目标 检 测 可 以分 为 静态 背 运
景 运动 目标 检测 和动 态 背景运 动 目标检 测 。静 态背
运 动 目标 检测 一直 是计算 机视 觉 领域 的重 要 研 景 运动 目标 检测 技 术 已 日趋 成 熟 ， 要 方 法有 减 背 主 究 内容之 一 ， 是后 续运 动 目标跟 踪 和理解 的基 础 。 景 法 、 间差 分 法 和 光 流 法 。 而动 态 背 景 也 卜 帧
果表明 ， 算法有效地提高 了运动 目标检测 的速度 ， 该 适用于 云台摄像 机的智能监控 。
［ 中图分类号】Ｔ ３ １ Ｐ ９ ［ 文献标志码 ］Ａ ［ 文章编号 ］１０ ４ ２ 【０ １ ０ ０ １— ９ ６ ２ １ ）３—００ ０ ０ １— ６
Ｄｅ ｅ ｔｏ ｆＭ ｏ ｉ ｇ Ｔａ ｇ ｔｉ ｎ ｍ ｉ ｃ ｒ ｕｎ ｓ ｄ ｏ Ｏ ｐ ｉａ ｏ ｔ ｃ ｉ ｎ ｏ ｖ ｎ ｒ ｅ ｎ Ｄｙ ａ ｃ Ｂａ ｋｇ ｏ ｄ Ｂａ ｅ ｎ ｔｃ ｌＦｌｗ
， ， ，）＝ （ ， ， ＋ｄ） （ Ｙ ｔ ， ＋ Ｙ＋ ｔ ｔ （） １
到完 整 的 目标 轮 廓 ， 而 给 后 续 的 目标 特 征 提 取 和 从
跟 踪 带来 了 很 大 困 难 ； 流 法 中的 Ｈ 光 Ｓ光 流 法 能
将 上式 在 （ Ｙ 处 进 行 一 阶 泰 勒 级 数 展 开 并 ， ，） 忽略高 次项 ， ： 得
在 运 动背 景下 检 测 出 完 整 的运 动 目标 ， 由于其 计 但
算 量 大 ， 噪声 敏感 ， 对 并且 在纹 理平 滑 区域 检测 不 到
型 ＋
ａ ｘ ａ ｖ
＋
ａ ｔ
： ０
（ ２）
、
光流 ， 使其 很 难 直 接应 用 于 实 时运 动 目标 检 测 。金
［ 收稿 日期 ］０１ ０ １ ２１ — ８— ４ ［ 修回 日期 】０ １ ０ — ８ ２１ — ９ ０
［ 基金 项 目］ 航空基金项 目（００ Ｃ６０ ； １ｚ ５０６ ２ １Ｚ ５０５２ ０ ｃ６０ ） ０ ［ 作者 简介 】 琚（９７ ）女， 储 １６一 ， 南昌航空大学软件学院教授， 博士生导师。主要研究方向： 计算机视觉。
ｃ ｍｐ ｅ ｉ ｆｔ ｅ ａｇ ｒ ｈ ｉ ｇ ｅ ｔ ｎ ａ ｏ ｅ ｅ ｔｔ ｅ ｏ ｔ ａ ｏ ｎ ｔ ｅ ｒ ｇｏ ｅ ｅ ｔ ｅｔ ｘｕ ｅ ｉ ｍｏ ｔ ｎ ｔ ｅ ｉ ｇ ． ａ ｅ ｏ ｌｘ ｔ ｏ ｏ ｉ ｍ ｓ ｒ ａ ｄ ｉ ｃ ｎ ｎ ｔｄ ｔ ｃ ｐ ｉ ｌｆ ｗ ｉ ｈ ｅ ｉｎ ｗｈ ｒ ｈ ｅ ｔ ｒ ｓｓ ｏｈ ｉ ｈ ｙ ｈ ｌ ｔ ａ ｔ ｈ ｃ ｌ ｍａ ｅ Ｂ ｓ ｄ
目标检测算法 。该算法利用金字塔 Ｌ Ｋ光流运算 速 得 到迭 代公 式 ： 度 快 的特 点 ， 算 出 图像 的稀疏 光 流 ， 去 除运 动 目 计 并
标 和误 匹 配点 的 运 动矢 量 ， 取 背 景 的 运 动矢 量 作 提 为 Ｈ Ｓ光 流 的初 始 值 ， 此 基 础 上 完 成 动 态 背 景 下 在 的运动 目标 检 测 。 本 文算 法 流程 图 如下 ：
ＡｂｔａｔＨ ｒ —Ｓｈ ｎｈ（ Ｓ ｐｉ ｌ ｏ ｌ ｒｈ ａ ｅ ｃ ｔｅｗ ｏ ｏｉｇｏｊｃ ｉ ｔｅｄｎ ｍｃｂｃｇｏｎ ． ｏ ｅｅ ， ｅ ｓ ｃ：ｏ ｒ ｎ ｃｕ ｃ Ｈ ）ｏｔ ａ ｆｗ ａ ｏ ｔｍ ｃｎｄｔ ｔｈ ｈｌ ｍ ｖ ｂｅｔｎ ｈ ｙ ａ ｉ ａｋ ｕ ｄ Ｈ ｗ ｖｒｔ ｃ ｌ ｇｉ ｅ ｅ ｎ ｒ ｈ
ａ ｔｅｉｉａ ｖ ｕ ｒ ｔ ａｆ ｗ ｃ ｃｌ ｉ ｅ ｃ ｔｅ ｈｌ ｍ ｖｎ ｂ ｃ． ｈ ｘｅ ｍ ｎ ｒｓｌｓｏ ｓｔ ｔ ｕ ｇｒｈ － ｓ ｈ ｔ ａ ｅｆ ｏ ｉｌｌ ｕ ｔ ｎｔ ｄ ｔ ｔｈ ｏ ｏｉｇｏｊ ｔＴ ｅ ｐｒ ｅｔｅｕｔ ｈｗ ａ ｒ ｏ ｔｍ ｉ ｎｉ ｌ ｌ ｏ ＨＳ ｐ ｃ ｏ ａ ａ ｏ ｏ ｅ ｗ ｅ ｌ ｅ ｅ ｉ ｈ ｏ ａ ｉ ｌ ｍ
２１ ０ １年 ９月
第２ ５卷
第 ３期
南 昌航 空大学学报（ 自然科学版 ） Ｊ Ｕ Ｎ Ｌ Ｏ Ａ Ｃ Ａ Ｇ Ｈ Ｎ Ｋ Ｎ Ｎ Ｖ Ｒ ＩＹ Ｎ Ｔ Ｒ ＬＳ Ｉ Ｎ Ｅ ） Ｏ Ｒ Ａ Ｆ Ｎ Ｎ Ｈ Ｎ Ａ Ｇ Ｏ Ｇ Ｕ Ｉ Ｅ Ｓ （ Ａ Ｕ Ａ Ｃ Ｅ Ｃ Ｓ Ｔ