一种基于OpenCV实现的三帧差分运动目标检测算法研究

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徐卫星 王兰英 李秀娟
( ) 河南工业大学电气工程学院 郑州 4 5 0 0 0 7 摘 要 运动目标检测在视觉监控系统 、 医学图像分析 、 工业检 测 和 军 事 等 领 域 有 着 广 泛 的 应 用 。 运 动 目 标 检 测 处 于 这些应用的最前端 , 检测结果的准 确 精 度 对 后 续 处 理 有 很 大 的 影 响 。 文 中 提 出 了 一 种 三 帧 差 分 运 动 目 标 检 测 算 法 , 利用 并与基本帧间差分算法进行对 比 分 析 , 结果表明该 算 法 准 确 率 高, 运 算 速 度 快, 能满足实 O e n C V 函数库进行了仿真测试 , p 时要求 。 关键词 三帧差分 ;运动目标检测 ; O e n C V p 中图分类号 T P 3 0 1. 6
,m , A b s t r a c t o v i n t a r e t d e t e c t i o n i s w i d e l u s e d i n v i d e o s u r v e i l l a n c e e d i c a l i m a e r o c e s s i n i n d u s t r i a l d e t e c t i o n M g g y g p g , , a n d m i l i t a r f i e l d e t c . D e t e c t i o n o f m o v i n o b e c t i s t h e f i r s t s t a e f o r t h e s e a l i c a t i o n s s o t h e a c c u r a c o f r o c e s s i n r e s u l t y g j g p p y p g i n f l u e n c e o n t h e f o l l o w u t r e a t m e n t . T h i s a t h r e e f r a m e d i f f e r e n c e a l o r i t h m f o r m o v i n t a r e t d e t e c r e a t l a e r r e s e n t s - - - p g g g g y p p p , ,m t i o n . S o m e s i m u l a t i o n t e s t s a r e c a r r i e d o u t b t h e a l o r i t h m a n d t h e b a s i c f r a m e d i f f e r e n c e m e t h o d r e s e c t i v e l o r e o v e r y g p y ,w t h e r o o s e d r e s u l t s a r e a n a l z e d c o m a r a t i v e l .T h e r e s u l t s i l l u s t r a t e t h a t t h e a l o r i t h m i s m o r e a c c u r a t e a n d r a i d h a t p p y p y g p f u l f i l l t h e r e a l t i m e r e u i r e m e n t . c a n q , , K e Wo r d s t h r e e f r a m e d i f f e r e n t i a l d e t e c t i o n o f m o v i n o b e c t O e n C V - g j p y C l a s s N u m b e r P 3 0 1. 6 T
1 5] 。背景差分的基本操 比较从而分割出 运 动 目 标 [
作是 : 首先需要 有 一 张 背 景 图 像 , 然后对视频图像 和此背景图像进行差分运算 , 用一张新的图像保存 差分结果的绝对值 。 背景差分法的应用需要有一定的限制和约束 。

收稿日期 : 修回日期 : 2 0 1 1年5月1 0日, 2 0 1 1年6月2 3日 作者简介 : 徐卫星 , 男, 研究方向 : 运动目标的在线检测 。 王兰英 , 女, 硕士研究生 , 研究方向 : 嵌入式系统与图像处 理 。 李秀娟 , 女, 教授 , 硕士生导师 , 研究方向 : 图像信息处理与智能控制 。
T h r e e i m a e D i f f e r e n c e A l o r i t h m f o r M o v i n a r e t D e t e c t i o n - g g gT g o n O e n C V B a s e d p
X u W e i x i n a n L a n i n i X i u u a n W L g g y g j ( ,H , ) C o l l e e o f E l e c t r i c a l E n i n e e r i n e n a n U n i v e r s i t o f T e c h n o l o Z h e n z h o u 5 0 0 0 7 4 g g g y g y g
克服帧间差分法所存在的问题 , 本文采用了一种改 进的帧间 差 分 法 — 三 帧 差 分 来 检 测 运 动 目 标 。 三 帧差分法是在帧间差分的基础上进行改进 , 将相邻 能较好的检测出 的三帧图像作为一组进行再差分 , 中间帧运动目标的形状轮廓 。 三帧 差 分 的 实 现 原 理 如 图 1 所 示。 箭 头 的 方向 代 表 目 标 运 动 的 方
究运动目标的 检 测 具 有 重 要 意 义 。 在 背 景 静 止 的
6] : 情况 下 , 常 用 的 运 动 目 标 检 测Байду номын сангаас方 法 主 要 有 三 种[
帧间差分法 、 背景减除法 、 光流法 , 三种方法各有优 缺点 , 各有适用的场合 。 )背景差分法通过 输 入 图 像 与 背 景 图 像 进 行 1
总第 2 6 5期 2 0 1 1 年第 1 1期
计算机与数字工程 C o m u t e r &D i i t a l E n i n e e r i n p g g g
V o l . 3 9N o . 1 1 1 4 1
一种基于 O e n C V 实现的三帧差分运动 p 目标检测算法研究
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通过差 邻两帧图像之间的差值来获得运动区域的 , 值图像能快速 地 检 测 出 相 邻 图 像 中 运 动 目 标 所 引 但是它提取的运动目标比实际的要 起的运动范围 , 大, 往往出现 “ 双影 ” 现象 ; 另外 , 由于检测出来的物 无法检测到重叠部 体是前后两帧相对变化的部分 ,
1 2] 。为了 导致 检 测 到 的 目 标 发 生 “ 空洞” 现 象[ 分,
1 引言
现实生活中 , 大量有意义的视觉信息都包括在 运动之中 。 尽管 人 类 的 视 觉 即 能 看 见 运 动 物 体 又 能看到静止的 物 体 , 但 是 在 许 多 场 合, 比如重要场 汽 车 的 自 动 驾 驶 和 辅 助 驾 驶、 交通 所的保安监控 、 流量的控制 、 航 空 和 军 用 飞 行 器 的 制 导, 人们往往 只对运动目标 物 体 感 兴 趣 。 运 动 目 标 检 测 是 目 标 跟踪 、 目标分类 、 目标行为理解的基础 , 获取准确的 运动目标对于 后 面 的 处 理 具 有 重 要 意 义 , 因 此, 研
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向, A B 部分代表第一帧 图 像, B C 部分代表第二
帧图像 , C D 部分 代 表 第 三 帧 图 像。 帧 间 差 分 法 能 够检测出相邻两帧间发生了变化的区域 , 这个区域 实际上包括运 动 物 体 在 前 一 帧 所 覆 盖 的 区 域 即 显 露区 A 和运动物体现在所覆盖的区域 B 即图中 C, 显然这比运动目标的实际轮廓要 画左斜线的部分 , 大 。 同样 , 第三帧图像减去第二帧图像的结果是 即 图 中 画 右 斜 线 的 部 分。 本 文 的 三 B C D 三部分 , 帧差 分 法 就 是 将 两 个 差 分 图 像 A B C和B C D做 “ 与” 运算 , 结果为 B 刚好为完整的运动目标 。 C, 2. 2 三帧差分算法 )从视 频 图 像 序 列 中 选 取 连 续 的 三 帧 图 像 , 1 , , 其中第一帧图像I 第二帧 图 像 I x, x, y) y) k-1 ( k( ; 第三帧图像l x, y) k+1 ( )计算第一帧与第二帧的差值图像 A( , 2 x, y) 得到目标的变化量 ; )计算第二帧与第三帧的差值图像 B( , 3 x, y) 得到目标的变化量 ; )求帧差 A( 与 B( 的交集得到运动 4 x, x, y) y) 目标粗糙的运动区域图像 ; )运用数学形态学运算去掉背景中噪声 。 5 2. 3 帧间差分计算 , 设图像序列 表 示 为 I 其中( 表示 x, x, y) y) i( 图像中像素点的位置坐标 , 或 i 表示第i 帧的图像 ( 。选取图像序列中连续的三 者称为i 时刻的图像 ) , , , 帧图像I 分别计算 x, I x, I x, y) y) y) i -1 ( i( i +1 ( ) 差值图像用式 ( 表示 : 相邻两帧图像的差值图像 , 1
图 1 三帧差分运动 目标检测过程示意图
。 帧间差分算 法 对 背 景 或 者 光 线 的 缓 慢 变 化 不
对动态 环 境 有 很 强 的 适 应 性 , 能够快速有 太敏感 , 效地从背景中 检 测 出 运 动 目 标 。 但 是 在 检 测 结 果 中, 却不能完全提取出所有的属于运动对象的特征 像素点 , 在运动物体内部容易产生空洞 。 而且由于 包含了当前帧中由于运动引 在运动方向上被拉伸 , 这样提取的目标信息并不准 起的背景 显 露 部 分 , 确, 而在实际应用中 , 特别是目标识别 、 跟踪中总是 而不包含背景 希望尽可能提取出目标的完整信息 , 信息 。 )用光流检测运动 目 标 的 基 本 原 理 是 给 图 像 3 中的每一个像素赋予一个速度矢量 , 这就形成了一 在 运 动 的 一 个 特 定 时 刻, 图像上的 个图像运动场 , 点与三维物体上的点一一对应 , 这种对应关系可由 根 据 各 个 像 素 的 速 度 矢 量 特 征, 可 投影关系得到 , 以对图像进行动态分析 。 光流法计算 的 优 点 在 于 光 流 不 仅 携 带 了 运 动 目标的运动信息 , 而且还携带了有关景物三维结构 的丰富信息 , 它 能 够 检 测 独 立 运 动 的 目 标, 不需要 并且能够适用于静止背 预先知道场景的任何信息 , 景和运动 背 景 两 种 环 境 , 可用于摄像机运动的情 况, 有较好的适应性
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徐卫星等 :一种基于 O e n C V 实现的三帧差分运动目标检测算法研究 p
第3 9卷
要求前景 ( 运 动 物 体) 像素的灰度值和背景像素的 同时要求摄像机是静止 灰度值存 在 一 定 的 差 别 , 的 。 再者背景差分法作用于像素 , 在这个低层次的 处理中 , 操作的 对 象 是 单 个 的 像 素 , 由于缺乏对图 , 理解 ” 检测结果很容易受噪声和各种突 像的足够 “ 使检测结果的准确度大大下降 。 但由于 变的影响 , 背景差分法具 有 实 现 简 单 , 运 算 速 度 快, 在大多数 所以背景差分 情况下检测结果能完整的突出优点 , 法已成为应用最广泛的运动检测方法 。 )帧间差 分 法 同 背 景 差 分 一 样 , 也是一种基 2 于像素的运动检测方法 , 它通过对视频图像序列中 相邻的两帧图 像 进 行 差 分 运 算 来 获 得 运 动 物 体 轮 廓
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