第５卷第４期 ２０１４年１２月 黑龙江大 学工程学报 Ｖ０１．５。Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．，２０１４ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｈｅｉｌｏｎｇｊ ｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ＤＯＩ：ｌ０．１３５２４５．２０９５—００８ｘ．２０１４．０４．０９６ 基于背景差分法的视频目标检测算法研究 汪国强，盖琪琳，于怀勇，文 雪，任天威 （黑龙江大学电子工程学院，哈尔滨１５００８０） 摘 要：运动目标的检测是数字图像处理和模式识别以及计算机视觉领域研究的主要内容之一，也是计算机视 觉研究的一个重要领域。对基于背景差分法的视频目标检测的算法进行了研究。以Ｍａｔｌａｂ为主体研究工具，对 视频中的运动目标进行检测。对背景差分法的原理和算法进行了研究，并对其进行了详细的讨论和分析。利用 中值滤波背景模型来提取背景，并对目标的阴影进行检测与抑制。实验结果表明，采用该算法对运动目标进行 检测具有良好的准确性和稳定性。 关键词：目标检测；中值滤波背景模型；背景差分法；阴影检测抑制 中图分类号：ＴＮ９１１．７ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９５—００８Ｘ（２０１４）０４—００６４—０５ Ｖｉｄｅｏ ｔａｒｇｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ ＷＡＮＧ Ｇｕｏ—Ｑｉａｎｇ，ＧＡＩ Ｑｉ—Ｌｉｎ，ＹＵ Ｈｕａｉ－Ｙｏｎｇ，ＷＥＮ Ｘｕｅ，ＲＥＮ Ｔｉａｎ－Ｗｅｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００８０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｉｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｖｉｓｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｉｔ’Ｓ ａｌｓｏ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｉｅｌｄｓ ｉｎ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｖｉｓｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｍａｉｎｌｙ ｓｔｕｄｙ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｄｅｏ ｔａｒｇｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｏｏｌ ｉｓ Ｍａｔｌａｂ ｆｏｒ ｖｉｄｅｏ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｍｅｄｉａｎ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｍｏｄｅｌ ａｓ ａ ｔｏｏｌ ｔｏ ｅｘｔｒａｃｔ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｉｓ ｕｓｅｄ。ｔｈｅ ｓｈａｄｏｗｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｉｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ａｎｄ ｉｎｈｉｂｉｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａ ｂｅｔｔｅｒ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔａｒｇｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｍｅｄｉａｎ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｍｏｄｅｌ；ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ； ｓｈａｄｏｗ ｄｅｔｅｃｔｊＯｎ ａｎｄ ｊｎｈｉｂｊｔｉｏｎ 益成熟，视频已逐步成为信息传输的主体方式，视 ０ 引 言 视觉为人类重要的信息交流方式，视觉不仅包 括感受光信号，还包括了对视觉信息的获得、传 送、处理和理解的一系列过程。随着信息时代的日 觉在人类感知中有着十分重要的地位，所以视频处 理是研究的重点。 一般来说，最为关注的部分就是运动目标的检 测。静态目标不同的地方是：视频的最大优势是可 容易地获取运动信息，所以，运动目标的检测与分 收稿日期：２０１４—０５—１４ 基金项目：黑龙江省人力资源和社会保障厅２０１１年度省级留学回国人员科技项目 作者简介：汪国强（１９６３），男，黑龙江哈尔滨人，教授，研究方向：信号检测与信息处理，Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｎｇｇｕｏｑｉａｎｇ＠ｈｌｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。 第４期 汪国强，等．基于背景差分法的视频目标检测算法研究 析是视频研究的难点和重点，同时也是视频领域中 众多高级应用的基础。 近年来目标运动的视觉分析［１ 已成为计算机视 觉领域中的核心课题，它包括了运动目标的检测、 跟踪、目标分类和行为理解等。从科学的角度分析 来说，视频目标的运动研究已经发展的十分健全， 其中包含智能监控、模式识别、图像处理、自动化 控制等不同领域。在动态场景对运动目标进行快速 分割、目标的自遮挡、目标之间相互遮挡的处理也 为视频目标的分析与研究带来了一系列的困难＿＿２］。 视频运动目标分析的首要目的为目标检测。将 运动目标从视频背景中提取出来是视频目标检测的 目标。因为运动目标的像素点为今后开展目标分 类、跟踪以及行为理解等后期处理的重要基础，所 以运动目标的提取是视频处理过程中极为重要的过 程，甚至视频目标检测的效果差会随之导致完整系 统的效果。 目前的科研工作者已经研究出了许多视频目标 检测的算法，其中使用背景差分法对视频目标进行 检测是较为普遍的方法，但对于复杂场景中背景模 型会受到诸多原因的干扰，对其进行合理的选择是 很复杂的。除此之外，阴影拥有和运动目标相同的 运动属性，很容易当作运动目标而一起进行检测和 处理，给运动目标的检测带来困难。 １ 目标检测算法 １．１光流法 光流场法是根据灰度梯度几乎不变和亮度守恒 约束假设条件为基础的目标检测方法嘲。 记ｔ时刻图像中像素点（ｚ， ）处的灰度值为 Ｇ（ ，．ｙ， ）。在时刻 ＋出时，这一点运动到（Ｉｚ ＋ｄｚ， ＋ｄｙ），于是ｔ＋Ａｔ时图像点灰度值可记 为Ｇ（ｚ＋如，Ｙ＋ｄｙ， ＋出），假定它与Ｇ（ ＋ ｄｘ， ＋ｄｙ，￡＋ｄｒ）相等，即 Ｇ（ｘ＋（ｋ，Ｙ＋ｄｙ，ｔ＋ｄｔ）一Ｇ（ｘ，Ｙ， ） （１） 将式（１）左边用泰勒级数展开，经计算并消 去二次项得［ ： Ｇ（ｘ，ｙ，ｔ）＋ ＋ ｄ ＋ ｄｔ＋ｏ（ｄｔ ）一Ｇ（ｘ，Ｙ， ） （２） 记 Ｙ）一 ＝＝＝ （３） （１ｚ，Ｙ， ）一 Ａｔ一 ｄｔ （４） 其中０（ｄｔ。）代表阶数大于或等于２的高阶 项，消去Ｇ（ｚ，Ｙ， ）并忽略０（ｄｔ。）就得光流 约束方程： 瓦 十 叶 一ｕ＋等＋ 一０ （５） １．２帧间差分法 帧间差分法是利用视频序列中连续两帧或多个 相邻帧之间采用基于像素的时间差值同时阈值化来 检测出图像中的运动目标Ｅ 。 假设第ｋ帧和第是一１帧图像分别为Ｙ （ ， ） 和Ｙ （ ， ），同时得到它们的差分图像： （ ，Ｊ）一ｌ （ ，Ｊ）一ｙｋ－ｔ（ ，Ｊ）Ｉ （６） ５５ ｄ 一 （７） 式（７）中Ｔ为阈值，用来判断图像序列中的 每个像素点是前景点还是背景点，进一步提取出运 动前景区域的图像Ｎｋ（ ，Ｊ）。帧间差分法的流程 图见图１。 图１ 帧ｌ司差分法流程图 Ｆｉｇ．１ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｆｒａｍｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄｓ １．３背景差分法 背景差分法的原理是利用当前图像与背景图像 的差分以提取运动区域的一种运动检测方法＿６］。根 据灰度等特征的变化来判断，即利用当前图像与背 景做差分，若差分值大于某一阈值时，则认为检测 到目标。 在背景差分算法中，背景图像选取的准确性直 接导致最后目标检测的精确性。理想状况下，一般 认为背景图像保持静止，并且当运动目标区域的像 素值发生变化时，背景的像素值保持不变ｌ＿７］。背景 差分法的公式为： ・６８・ 黑龙江大学工程学报 第５卷 测与抑制，提取出完整的运动目标。本文在视频序 列目标的检测和提取方面做了一系列的工作，但都 ［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９８：２６１—２７０． ［６］Ｍｕｒａｔ Ｔ．Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｐｒｏｅｅｓｓｉｎｇ［Ｍ］．Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕ— ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，１９９８． 是基于静态摄像头的环境下进行运算的，距离一个 完善的智能视频监控问题的解决还差很大的距离。 ［７］贾云得．机器视觉［Ｍ］．北京：科学出版社，２０００： ２３５—２４４． 今后将进一步对算法进行不断完善和深入研究，以 达到更好的效果。 参考文献： Ｅ１］Ｇａｖｒｉｌａ ｎ Ｔｈｅ ｖｉｓｕａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｍｏｖｅｍｅｎｔ：ａ ｓｕｒｖｅｙ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ— ｉｎｇ，１９９９，７３（１）：８２—９８． ［８］Ｇｒａｈａｍ Ｄ Ｆ，Ｓｔｅｖｅｎ Ｄ Ｈ，Ｃｈｅｎｇ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ｏｎ ｔｈｅ Ｒｅ— ｍｏｖａｌ ｏｆ Ｓｈａｄｏｗｓ ｆｒｏｍ Ｉｍａｇｅｓ＿Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，２００６： １５８—１６９． ｒ９］Ｓａｌｖａｄｏｒ Ｅ，Ｃａｖａｌｌａｒｏ Ａ，Ｅｂｒａｈｉｍｉ Ｌ．Ｓｈａｄｏｗ ｉｄｅｎｔｉｆｉ— ｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｉｎｖａｒｉａｎｔ ｃｏｌｏｒ ｍｏｄｅｌｓ ［ｃ］／／Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ—ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｓｐｅｅｃｈ， ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＩＣＡＳＳＰ），２００１：１ ５４５—１ ５４８． ［２］王 亮，胡卫明，谭铁牛．人运动的视觉分析综述 ［Ｊ］．计算机学报，２００２，３（１６）：１ ８． ［１Ｏ］Ｃｕｃｃｈｉａｒａ Ｒ，Ｐｉｃｃａｒｄｉ Ｍ，Ｐｒａｔｉ Ａ．Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｍｏｖｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔｓ，ｇｈｏｓｔｓ，ａｎｄ ｓｈａｄｏｗｓ ｉｎ ｖｉｄｅｏ Ｓｔｒｅａｍｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｉｎ— ［３］阮秋琦．数字图像处理学ＥＭ］．北京：电子工业出版 社，２００１：卜６． Ｅ４］毛爽．多目标检测跟踪算法研究［Ｄ］．济南：山东 ｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，２００３，２５（１０）：１ ３３７—１ ３４２． 大学，２００８． ［５］Ｋｅｎｎｅｔｈ Ｒ Ｃ．Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（影印版） ２０１４年黑龙江大学获２２项国家自然科学基金资助项目 ２０１４年度国家自然科学基金项目评审结果揭晓。今年我校获国家自然科学基金资助项目２２项，资助 总经费１ １２９万元。面上项目１０项、青年科学基金项目１１项、国际合作与交流项目１项。从获资助学院 看：化学化工与材料学院１２项、生命与科学技术学院３项、电子工程学院３项、数学科学学院３项、物 理科学与技术学院１项。 获资助的面上项目有：闫鹏飞教授的《新型三＃－－Ｎ稀土配合物的构筑及荧光传感研究》、李光明教 授的《ｌ３二酮稀￣ｄｅ合物单离子磁体》、王国凤教授的《氟化物／钙钛矿型氧化物复合基质调控及对稀土荧 光淬灭的抑制》、潘凯教授的《硫化物纳米晶墨水／石墨烯复合对电极的可控构筑及其催化特性》、李强教 授的《固体氧化物燃料电池纳米结构阴极的构筑及中低温电化学性能》、汪成教授的《含磺酸盐聚电解质 的合成与ＰＰＶ电致发光性能研究》、丁群教授的《混沌序列多种周期现象的检测与抵抗方法研究》、赵晓 锋教授的《单片集成三维磁场／三轴加速度／微压多功能传感器模型构建与集成化研究》、平文祥教授的 《副干酪乳杆菌与枯草芽孢杆菌等菌群种间关系以及协同合作策略的研究》、李海英教授的《甜菜Ｍ１４品 系抗氧化酶系统响应盐胁迫应答过程的研究》。青年基金项目有：王蕾的《利用含氮碳源合成Ｂ，Ｎ分离 共掺杂晶态纳米碳及其氧还原反应催化性能研究》、吴杰的《银＠聚吡咯／质子钛酸盐可见光催化剂的制备 及催化性能与机理研究》、马方伟的《由三聚氰胺树脂改性煤焦油沥青制备氮杂化多孔石墨微晶碳与其超 电容特性研究》、邹晓艳的《１，３一丙二胺类Ｓａｌｅｎ稀土配合物的结构和分子磁性研究》、孙少平的《基于 肿瘤微环境的高透膜性靶向载体材料的构建及其纳米给药系统的研究》，高扬的《金属纳米天线阵列的光 束调制和角度色散性质及其应用研究》，马春泉的《基于ｉＴＲＡＱ技术筛选甜菜Ｍ１４单体附加系块根变异 性状的相关蛋白》，王金良的《年龄结构的传染病模型的全局性态研究》、张磊的《锥形电磁波入射无界随 机粗糙表面散射与反散射问题的数学研究》、马静的《多步随机滞后和多丢包系统的建模与分布式融合估 计》，安利民的《量子点／有机分子界面光致电荷转移过程中电子激发态振动结构的飞秒时间分辨瞬态光栅 受激发射光谱研究》。国际合作与交流项目有：白雪峰的《同晶取代的中孑Ｌ磷酸铝分子筛的化学组成及合 成方法对其物理化学性质及催化性能的影响》。 （本刊编辑部）