视频交通监控系统中背景提取算法

文章编号：１００２－８６９２（２００６）０５－００９１－０３　视频交通监控系统中背景提取算法　郭永涛，宋焕生，贺昱曜　（长安大学信息工程学院，陕西西安７１００６４）　・论文・　【摘　要】介绍了几种常用的背景提取算法，提出一种新的算法，其通过平均法得到一个初始背景，计算当前帧图像与初始背景图　像的差，以该判断差值的大小来决定是否累积当前帧图像的灰度值，计数后再通过算数平均法得到背景图像。实验表明，该算法得　到的背景效果良好，适用于视频交通系统。　【关键词】视频监控；背景减法；背景提取　【中图分类号】ＴＰ３９１．４１　【文献标识码】Ｂ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｆｏｒ　Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｖｉｄｅｏ　Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＧＵＯ　Ｙｏｎｇ－ｔａｏ，ＳＯＮＧ　Ｈｕａｎ－ｓｈｅｎｇ，ＨＥ　Ｙｕ－ｙ￣　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇ　ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００６４，Ｃｈｉｎａ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｓｏｍｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｆｏｒ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｏｍｍｏｎ，ａｎｄ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｎｅｗ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｂａｃｋ－　ｇｒｏｕｎｄ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｇｅｔｓ　ａｎ　ｉｎｉｔｉｌ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｂｙ　ａｖｅｒａｇｉａｎｇ．ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｐｉｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｊｕｄｇｅｓ　ｔｈｅ　ｍａｇｎｉｔｕｄｅ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｗｈｅｔｈｅｒ　ｔｏ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｇｒｅｙ　ｌｅｖｅｌ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｐｉｃｔｕｒｅ，　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｇｅｔｓ　ｔｈｅ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｂｙ　ａｖｅｒａｇｉｎｇ　ａｆｔｅｒ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃａｎ　ｅｘｔｒａｃｔ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｅｆ－　ｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｖｉｄｅｏ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】ｖｉｄｅｏ　ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ；ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ；ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　１　引言　基于视频的交通监控系统是图像处理技术在ＩＴＳ　（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ）中一项重要应用。它是　用于生成背景图像的方法主要有以下几种。　２．１多帧图像平均法　由于道路上车辆的多样性，有的车辆亮度值比路面　亮度值高，有的车辆亮度值比路面亮度值低，所以，从统　计学角度看，由车辆经过而引起的变化长时间内可忽略。　多帧图像平均法是将运动的车辆看作为噪声，用累　加平均的方法消除噪声，利用车辆运行一段时间的序列　图像进行平均而得到道路背景图像。其表达式为　１　将摄像机固定安放在路边或道路上方，获得相对稳定的　远距离交通场景图像，应用图像处理技术进行车辆检测、　车辆跟踪、交通流参数检测等。视频交通监控中的车辆检　测和跟踪属于整个交通监控系统中的最底层，需在视频　序列图像中实时地发现并提取车辆，再不断跟踪它们，为　进一步的交通信息分析提供依据。　运动目标车辆检测常用方法有光流法【ｌＪ、相邻帧差的　帧间差分法回、基于背景图像与当前帧差的背景减法刚。光　Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ￣ｘ，Ｙ）＝　』Ｖ　ｉ＝１　ｉｍａｇｅ　（　，Ｙ）　（１）　式中：Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ￣ｘ，Ｙ）表示背景图像，ｉｍａｇｅ　（　，Ｙ）表示　第ｉ帧序列图像，Ⅳ表示平均的帧数（即表示时间）。　但是，在实际应用中，一段短时间内路面上某点　（　，Ｙ）不可能既有亮度高的车辆，又有亮度低的车辆经　过，而是某些地方有亮度高的车辆，或者亮度低的车辆经　过，而通过平均法得到的背景就会出现亮暗分布不均匀　的状态。该算法得到的背景图像受车流量的影响变化较　大，随着平均帧数的增加，噪声消除的效果会有所改善。　２．２统计直方图法　流法的优点是能检测运动对象，不需预先知道交通　场景的任何信息，但该算法计算复杂，难以实现实时检测；　帧间差分法不受背景图像的和影响，算法只对运动　变化区域敏感，进行目标检测，但不能完整地分割运动对　象，当场景中运动目标没有显著运动时，往往会在目标检　测时留下大面积本应属于目标而却未被检测到的区域；　背景减法是一种有效的车辆检测算法，速度快，检测准　确，实现最简单，但静止的背景图像不能直接获得，其关　键是如何在有车辆运行的情况下获取良好的背景图像。　考虑到路面上同一点被相同亮度的车辆一直覆盖的　可能性很小，从而可统计一段时间内各个像素点上不同　亮度值出现的次数，其中出现次数最多的，即直方图中最　大值所对应的亮度值就是路面本身的亮度值。统计直方　图公式可表示为　２　几种常用背景提取算法的分析比较　背景图像是道路上没有车辆运行的图像，通常要求　在有车辆运行的情况下系统能自动得到背景图像。目前　９１　维普资讯 http://www.cqvip.com

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ｏｆ　ｒｉｄｅｏ　ｔ　本实验使用ＳＯＮＹ数码摄像机利用三脚架固定在长　ｔｉｃａｌ　ｆｌｏｗ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ叨．　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｖｉｓｉｏｎ，　安大学的彩虹天桥上，拍摄一段南二环路的交通场景图　１９９４，１２（１）：４３—４７．　像，图像大小为４００ｘ３００，通过ＤＨ—ＣＧ３００图像采集卡将　【２１　ＡＬｌ　Ａ　Ｔ。ＤＡＧＬＥＳＳ　Ｅ　Ｌ．Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ　ｐｒａｃｔｉｃｌａ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｍｏｖｉｎｇ　图像采集到计算机（２５帧，ｓ），通过ＶＣ＋＋６．０对采集到的　ｎｂｊｅｃ￡ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　【Ｃ］／／Ｉｎｔｅｒｎａｔｉａｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｉｍａｇｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　图像实时处理并显示。通过比较，可清楚的看出本文提出　ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｍａａｓｔｒｉｃｈｔ：［ｓ．ｎ．】，１９９２：７７—８０．　的新算法得到的背景图像最好。　【３ｌ　ＨＡＲＩＴＡＯＧＬｕ　Ｉ，ＨＡＲＷＯＯＤ　Ｄ，ＤＡＶＩＳ　Ｌ　Ｓ．Ｗ４：Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ＳＵ－－　ｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ　ｏｆ　ｐｅｏｐｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ［Ｊ１．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｐａｔ・　该算法减少了２．１节算法中道路上的车流量变化带　ｔｅｒｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，２０００，２２（８）：８０９－８３０，　来的影响，只要图像中路面不被车辆一直覆盖，能显现一　『４】ＴＯＹＡＭＡ　Ｋ，ＫＲＵＭＭ　Ｊ，ＢＲＵＭ１ＴＩ＂Ｂ，ｅｔ　ａｌ。Ｗａｌｌｆｌｏｗｅｒ：ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　次便可以累积然后平均，这样就解决了２．２和２．３节算法　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｏｆ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ【Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ—　中由于车速缓慢带来的统计误差。对２－３节算法的交叠　ｌａ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｖｉｓｉｏｎ　Ｃｏｒｆｕ：［ｓ．ｎ．Ｊ，ｌ９９９：２５５－２６１．　误差也有较为有效的抑制。　【５】ＧＵ　．Ｅ　Ｓ，ＭＡＳＯＵＤ　０，ＭＡＲＴＩＮ　Ｒ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｌａｓｓｉｉｆ－　５小结　ｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ【Ｊ】．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００２，（３）：３７—４７．　◇　本文讨论了目前常用的几种背景提取算法，并分析　比较了几种算法的优缺点，新提出的背景提取算法不但　作者简介：　效果好，还克服了其他几种算法的缺点，而且计算简单、　郭永涛（１９８１－）．硕士生，主研智能交通和图像处理；　速度快、易于实现，适用于视频交通系统。　宋焕生（１９６４－），副教授．博士后．主研智能交通、图像处理及计算　机视觉；　参考文献　贺昱啊（１９５６－）．教授．博士生导师．主研智能测控技术。　…１　ＢＡＲＲＯＮ　Ｊ　Ｉ　，ＦＬＥＥＴ　Ｄ　Ｊ，Ｂｅａｕｃｈｅｍ　ｉｎ　Ｓ　Ｓ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　０ｐ－　责任编辑：张家豪　收藕日期：２００６－０２－２１　土－．‘ＩＬ　土－　．址　土－　土－　土－　土－　土－　土－　土－　土－　上－　土－　Ｌ　Ｌ“　Ｌ　Ｌ　‘　（上接第５３页）　［２Ｊ高文，黄铁军．信源编码标准ＡＶＳ及其在数字电视中的应用『ＪＪ．电　进音视频编码第２部分：视频》已正式成为国家标准　视技术，２００３（１１）：４－６．　（ＧＢ／Ｔ　２００９０．２—２０ｏ６），并于２００６年３月１日起实施。随　【３Ｊ黄铁军，高文．ＡＶＳ标准制定背景与知识产权状况【ＪＪ．电视技术，　后，音频、移动视频、系统、数字版权管理等部分也将相继　２００５（７）：４—７．　【４】黄铁军．ＡＶＳ标准的背景、进展与产业应用展望叨．信息技术与标　审批、发布。　准化，２００３（９）：４—８．　随着数字电视的推广应用，ＡＶＳ标准已分别应用于　【５】虞露，胡倩，易峰．ＡＶＳ视频的技术特征叨．电视技术，２００５（７）：８—１１．　卫星电视、移动电视、流媒体、ＩＰＴＶ等领域，整个ＡＶＳ产　【６】虞露．ＡＶＳ－视频技术概述叨．中国多媒体视讯，２００４（１－２）：３４—３５．　业链也涵盖到芯片、软件、整机、网络运营、内容提供商　【７】郭春辉，周经野，刘东华．ＡＶＳＩ－Ｐ７与Ｈ．２６４关键技术及性能比较［Ｊ］．　（ＣＰ）、服务提供商（ＳＰ）等。据预测，高清、标清ＡＶＳ解码　电信科学，２００６（１）：４７－５０．　芯片，在未来１Ｏ多年的时间内国内需求量年均将达到４　【８】梁凡．ＡＶＳ视频标准的技术特点『Ｊ］．电视技术，２００５（７）：１２－１５．　０００多万片，随着ＡＶＳ节目制作与管理系统、ＡＶＳ标准　【９屠颖尊，９】解光军，黄晁．用于ＡＶＳ和Ｈ．２６４可变长解码嚣的设计与实　现［Ｊ］．集成电路应用，２００６（１）：４４—４７．　流媒体播出、点播、机顶盒、播出服务器、编码器、高清激　［１ＯＪ＿乇国中，赵海武，顾君忠．ＭＰＥＧ一２到ＡＶＳ视频转码器的实现『ＪＪ．　光视盘机、解码器、便携式数码产品等应用，将带来２００－　计算机工程。２００５（１９）：１８９—１９１．　３００亿美元的大市场，有利于我国培育出自己的具有核　【１１】黄铁军．高清倍源编码标准的理想选择一ＡＶＳ［ＪＩ．世界广播电视，　心竞争力的芯片产业。虽然ＡＶＳ产品已经成功运用于数　２００４（１）：２６—２８．　字电视卫星直播，转播雅典奥运会，且播出效果良好㈣。　【１２】王瑞胡．有线数字电视机顶盒硬件系统及软件体系结构【Ｊ】．中国　然而，现阶段的基于ＡＶＳ标准的产品线还比较单薄，　有线电视，２００６（２）：１２１－１２４．　【１３】刘道甫，曹英男．Ａ、　～强力促进数字电视的发展［Ｊ］．有线电视技　ＡＶＳ标准能否后来居上产业化速度是关键，目前我国正　术，２００５（２３）：３７－３９．　在进行的大规模高清、标清数字电视网络改造，这给　◇　ＡＶＳ产业化应用提供了良好发展的机遇和挑战。　作者简介：　郭敏强。博士．研究领域为音视频数宇处理、广播与电视技术、嵌入　参考文献　式系统、Ｌｌｎｕｘ系统应用、数字通信网络系统。　【１１　ＪＡＣＫ　Ｋ．Ｖｉ】ｄｅｏ　Ｄｅｍｙｓｔｉｉｆｅｄ［Ｍ］．４ｔｈ　Ｅｄｉｔｉｏｎ．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｅｌｓｅｖｉｅｒ　责任编辑：刘伯义　收稿日期：２Ｏｏ６—０４－２７　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００５．　Ｎｏ．５　２００６（Ｓｕｍ　Ｎｏ．２８７　１￣，ｖｍｏ硎ＧＭ田　ａ