一种快速自适应的实时彩色背景提取方法

技术领域

本发明属于计算机视觉和图像处理技术领域，特别涉及了一种彩色背景提取方法。

背景技术

如今，随着计算机视觉和图像处理技术的发展，对视频数据的智能化管理逐步受到广泛关注。基于视频对场景进行理解与分析是一个重要的研究方向，主要体现对物体的分类、定位和事件检测上，在现实生活中有着广泛的应用，如在安全管控方面，可实现异常目标和行为的识别；在智能交通方面，可实现运动车辆的检测和分类等。目前，场景分析的方法主要包括两类，即基于深度神经网络的场景分析以及基于背景的场景分析。前者需要收集若干视频帧训练神经网络，再利用训练好的神经网络模型对场景中的异常行为或运动目标进行识别，这种分析方法的精度虽然较高，但往往仅对训练该神经网络的场景效果较好，当视频场景更换后，其效果将大大降低，故普适性较差；同时，该方法需要大量的计算，无法满足实时性要求。

基于背景的场景分析方法是通过提取视频场景的背景，分析当前视频帧与背景的差别，实现对物体的分类、定位和事件检测。相比而言，基于背景的场景分析方法在普适性和实时性两方面显示了巨大的优势。该方法不需要收集训练数据，可以适用于各种场景；同时，相比基于深度神经网络的方法，其计算速度较快，可满足实时性要求。基于背景的场景分析效果往往取决于所提取的背景的精度。然而，由于实际环境的变化，难以提取高精度的实时彩色背景；与此同时，由于背景的提取是后续场景分析的基础，故需要提高运算效率，以空余更多算力服务上层应用；更重要的是，现有的背景提取结果多为灰度背景，缺失了大量了数据信息，不利于后续的场景分析。基于此，快速提取一个实时的、高精度的彩色背景具有很重要的现实意义。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种快速自适应的实时彩色背景提取方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种快速自适应的实时彩色背景提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于实时采集的监控视频，载入当前图像并存入图像库，更新图像库的图像数量；

(2)设定当前图像的图像序号为更新的图像库所包含的图像数量；若当前图像的图像序号为设定的初始彩色背景更新频率的整数倍，转入步骤(3)，否则直接跳至步骤(5)；

(3)更新用于提取初始彩色背景的图像库；

(4)基于更新的初始彩色背景图像库，提取并更新初始彩色背景；

(5)计算当前图像与初始彩色背景的差分值；

(6)计算各个像素位置上的初始彩色背景权重及当前图像权重，提取实时彩色背景。

进一步地，在步骤(3)中，以图像序号[k-Rate，k]为范围，在图像库中等间隔选取K帧图像，更新用于提取初始彩色背景的图像库，选取的图像序号n满足下式：

其中，k为更新的图像库所包含的图像数量，k＝Rate×N，Rate是设定的初始彩色背景的更新频率，N为正整数，K是设定的初始彩色背景图像库的图像数量，且满足K≤Rate，[x]表示取不超过x的最大整数。

进一步地，在步骤(4)中，在更新的初始彩色背景图像库中，针对每一个像素位置(i，j)，计算图像

其中，

进一步地，在步骤(4)中，针对每一个像素位置(i，j)，将K个平均值

进一步地，在步骤(4)中，在更新的初始彩色背景图像库中，针对每一个像素位置(i，j)，取图像序号为ORD(i，j)的图像在像素位置(i，j)上的像素值作为该像素位置(i，j)的初始彩色背景值：

其中，

进一步地，在步骤(5)中，当前图像与初始彩色背景的差分值如下：

其中，

其中，

进一步地，在步骤(6)中，初始彩色背景权重及当前图像权重随着像素位置(i，j)的变化而自适应地调节：

其中，

进一步地，根据权利要求1所述快速自适应的实时彩色背景提取方法，其特征在于，在步骤(6)中，若像素位置(i，j)的初始彩色背景权重

则像素位置(i，j)的实时彩色背景值：

否则像素位置(i，j)的实时彩色背景值：

其中，

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明实现了实时彩色背景的提取，并提高了背景的精度和计算速度，有利于提升视频监控场景分析的效率和准确性，具有很重要的现实意义。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是实施例中的当前图像；

图3是图2对应的三通道示意图，其中(a)、(b)、(c)分别对应R、G、B；

图4是实施例中初始彩色背景图；

图5是图4对应的三通道示意图，其中(a)、(b)、(c)分别对应R、G、B；

图6是实施例中当前图像和初始彩色背景的三通道平均值示意图，其中(a)和(b)分别对应当前图像和初始彩色背景；

图7是实施例中当前图像与初始彩色背景差分值及二维表示图，其中(a)、(b)、(c)分别对应差分值图、横向位置二维表示、纵向位置二维表示；

图8是实施例中实时彩色背景图；

图9是图8对应的三通道示意图，其中(a)、(b)、(c)分别对应R、G、B；

图10是实施例中当前图像与实时彩色背景差分值及二维表示图，其中(a)、(b)、(c)分别对应差分值图、横向位置二维表示、纵向位置二维表示。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明设计了一种快速自适应的实时彩色背景提取方法，在本实施例中，视频帧率为30帧/秒，初始彩色背景的更新频率Rate设定为900帧，初始彩色背景图像库的图像数量K设定为30帧，故仅需每15min进行一次初始彩色背景的更新，可提升技术方案的速度。为遍历所有步骤，将当前的图像库所包含的图像数量设定为2699帧。如图1所示，本实施例的步骤如下：

S1：基于实时采集的监控视频，载入当前图像并存入图像库。更新图像库的图像数量。具体如下：

当前的图像库所包含的图像数量为2699帧，载入当前图像并存入图像库后，更新的图像库所包含的图像数量为2700帧。

S2：设定当前图像的图像序号为更新的图像库所包含的图像数量。若当前图像的图像序号为设定的初始彩色背景更新频率的整数倍，转入S3，否则直接跳至S5。具体如下：

更新的图像库所包含的图像数量为2700帧，故当前图像的图像序号k为2700。当前图像的为

若当前图像的图像序号为初始彩色背景更新频率的整数倍，即满足式(1)时，则转入S3，否则直接跳至S5，即：

k＝Rate×N (1)

式(1)中，k是当前图像的图像序号；Rate是初始彩色背景的更新频率，单位为帧；N为正整数。当前图像的图像序号为2700，初始彩色背景的更新频率为900帧，故当前图像的图像序号是初始彩色背景更新频率的3倍，满足式(1)，转入S3；

S3：更新用于提取初始彩色背景的图像库。具体如下：

以图像序号[k-Rate，k]为范围，在图像库中等间隔选取K帧图像，更新用于提取初始彩色背景的图像库。选取的图像序号n满足式(2)：

式(2)中，n是选取的图像序号；K是设定的初始彩色背景图像库的图像数量，单位为帧，且满足K≤Rate；[x]为取整函数，取不超过实数x的最大整数。

当前图像的图像序号为2700，初始彩色背景的更新频率为900帧，初始彩色背景图像库的图像数量为30帧，故以图像序号[1800，2700]为范围，在图像库中等间隔选取30帧图像，进行初始彩色背景图像库的更新。利用式(2)，选取的图像序号为1801，1831，1861，1891，1921，1951，1981，2011，2041，2071，2101，2131，2161，2191，2221，2251，2281，2311，2341，2371，2401，2431，2461，2491，2521，2551，2581，2611，2641，2671。

S4：基于更新的初始彩色背景图像库，提取并更新初始彩色背景。具体如下：

在更新的初始彩色背景图像库中，针对每一个像素位置(i，j)，计算图像

式(3)中，

针对每一个像素位置(i，j)，将K个平均值

对更新的初始彩色背景图像库中的每一帧图像，利用式(3)，计算该帧图像在各个像素位置上三个颜色通道的平均值。初始彩色背景图像库的图像数量为30帧，故在每一个各像素位置上，将30个三通道平均值由小至大进行排序。由于30为偶数，故记录第15位平均值所对应的图像序号，记作ORD(i，j)。部分ORD(i，j)的记录结果如表1所示：

表1部分ORD(i，j)的记录结果

在更新的初始彩色背景图像库中，针对每一个像素位置(i，j)，取图像序号为ORD(i，j)的图像在像素位置(i，j)的像素值作为该像素位置(i，j)的初始彩色背景值，如式(4)所示：

式(4)中，

结合记录的各个像素位置(i，j)对应的图像序号ORD(i，j)，利用式(4)提取并更新初始彩色背景

S5：计算当前图像与初始彩色背景的差分值。具体如下：

进一步，所述步骤S5中，当前图像与初始彩色背景的差分值计算如式(5)所示：

式(5)中，

式(6)中，

为提取高精度的实时彩色背景，首先需要分析当前图像与初始彩色背景的差分值。利用式(6)和式(7)，分别计算当前图像和初始彩色背景的三通道平均值

利用式(5)计算当前图像与初始彩色背景的差分值

S6：计算各个像素位置上的初始彩色背景权重及当前图像权重，提取实时彩色背景。具体如下：

初始彩色背景权重及当前图像权重非经验值，而是随着像素位置(i，j)的变化而自适应地调节，计算如式(8)所示：

式(8)中，

利用式(8)，计算各像素位置(i，j)的初始彩色背景权重

表2部分初始彩色背景权重

表3部分当前图像权重

若像素位置(i，j)的初始彩色背景权重满足公式(9)，

则像素位置(i，j)的实时彩色背景值的计算如式(10)所示：

否则，像素位置(i，j)的实时彩色背景值的计算如式(11)所示：

式(10)及式(11)中，

利用式(9)，式(10)及式(11)，计算当前图像的实时彩色背景。图8为实时彩色背景

为进一步从像素级的层面分析实时彩色背景的精确程度，当前图像与实时彩色背景的差分值的计算如式(12)所示：

式(12)中，

式(13)中，

利用式(12)计算当前图像与实时彩色背景的差分值

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。