一种新型快速运动目标检测算法

１改进帧差法
作后图像中坐标为Ｏ，力的点的像素的灰度。 从图２可知：三帧帧差法检测到的目标轮廓出现 部分区域重叠，检测到的目标位置与目标形态信息也
１．１帧差法 帧差法又叫阈值帧间差分法（ＴＩＦＤ），是运动目标 检测中使用最多的算法。它的突出特点是实现简单、 运算速度快，在大多数情况下检测效果较好。
会出现偏差。当运动目标的速度比较快的时候，重叠 区域更大，检测出的轮廓与目标误差更大。 １．２改进帧差法 由于两帧帧差法得到的目标轮廓出现重叠区域，
（ａ）第４０帧图像：（ｂ）第４ｌ帧图像：（ｃ）第４２帧图像；（ｄ）第４ｌ帧检测的动态目标 图４改进帧差法效果图
Ｆｉｇ．４ Ｉｍａｇｅ ｏｆ ｉｍｐｒｏＶｅｄ ａｌｇｏｒｉｍｍ
设：（１）运动物体的灰度在很短的间隔时间内保持不
２光流场的基本方程及改进算法
光流场表达了图像的变化，它包含运动目标的信 息，可以用来确定观察者相对目标的运动情况。一般 光流场是指图像灰度模式的表面运动，它是一种二维 瞬时速度场，其二维速度矢量是可见的三维速度矢量 在成像平面上的投影，它包含的信息即是各像点的瞬 时运动速度矢量信息。 给图像中的每一个像素点赋予１个速度矢量，这 就形成了１个图像运动场。在运动的某特定时刻，图 像上的点与三维物体上的点一一对应，这种对应关系 可由投影关系得到。根据各个像素点的速度矢量特征， 可以对图像进行动态分析。若图像中没有运动目标， 则光流矢量在整个图像区域是连续变化的，当物体和 图像背景存在相对运动时，运动物体所形成的速度矢 量必然和邻域背景速度矢量不同，从而检测出运动物 体的位置和形状，对于背景与目标均运动的情形，可 以利用光流很好地区分前进的目标和后退的背景，得
Ａ ｎ０Ｖｅｌ ｆａｓｔ ｍｏＶｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ
ＬＩ Ｊｉａｎｌ，ＬＡＮ Ｊｉｎｈｕｉｌ，ＬＩ Ｊｉｅ２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ
ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｕｎｉｖｅｒｓ时ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ，
摘要：为了克服光流法计算量大和亮度不连续性引起的运动估计误差，提出一种基于改进帧差法和改进光流法相 结合的快速运动目标检测算法。通过改进帧差法，精确获取运动目标区域。利用改进的光流法，在光亮度不连续 的情况下，准确地提取运动目标区域特征点的光流，并对光流矢量采用阈值标注，进而检测出运动目标。实验结 果表明：该目标检测算法鲁棒性强，计算量小。 关键词：改进帧差法；改进光流法；运动目标检测；帧差偏移 中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２—７２０７（２０１３）０３一０９７８—０７
第ｊ—ｌ帧
一
Ｆｉｇ．１
目标轮廓
一一
ｏｆｔ阶丘锄ｅ ｄｉ丘．ｅｍｎｃｅ ａｌｇｏｒｎｈｍ
图１两帧帧差法效果示意图
Ｄｉａｇｒａｍ
动目标的运动信息，而且携带了有关景物三维结构的 丰富信息，它能够在不知道场景任何信息的情况下， 检测出运动对象。还有诸多其他算法可以有效提取运 动目标【１１－１６１。文献［１ｌ】提出一种基于角点检测的块匹 配光流法目标检测方法，该方法可以改善检测效果， 但是计算耗时，并且光照变化对效果影响较大。文献 ［１２］提出一种基于光流法和颜色概率分布的特征点匹 配方法，该方法误匹配少，精度高，但是效果受到金 字塔参数和特征区域大小设置的影响，并且计算耗时， 实时性和实用性都较差。文献【１３】采用模板匹配检测 目标，但是当日标外形变化较快时，存在检测精度问 题。文献【１４】采用基于特征融合的点特征检测目标，也 可用于移动背景下的情况，但是算法速度较慢。为了 克服帧差法和光流法的缺点，并使其优点互补，本文 作者给出一种基于这２种方法的适用于序列图像的快 速运动目标检测算法，即先用改进帧差法检测出运动 物体的运动区域，然后利用改进光流法，提取运动区 域中的目标。 从图１可知：虽然该方法能检测出动态目标轮廓， 但是２幅图像产生的目标轮廓出现了较大的重叠区域 （图中灰色区域所示）。相对于真实目标，检测到的目 标轮廓范围太大，无法获得准确的目标位置与目标形 态信息。 为了获得好的目标轮廓效果，人们提出三帧帧差
万方数据
中南大学学报（自然科学版）
第“卷
第ｆ＿１帧
（３）ｐｌ与ｐ２进行“与”操作，得到新图像ｐ３： 肪（ｘ，ｙ）＝Ａ（ｘ，ｙ）ｎｐ２（ｘ，ｙ）＝
｛冀萎慨＠∥）－２５５＆＆以五力＝２５５） Ｉｏ，其他
…’ （６）
（４）ｐ２与肋进行“异或”操作，得到检测结果图
］一圃√
Ｆｉｇ．２
口Ｄ
图２三帧帧差法效果示意图
法【７１，其原理如式（１Ｈ３）所示，效果图如图２所示，
图中边框为目标轮廓。
州训，惯嬲芝譬棠；㈣ 椭，＝高糍嚣高等Ｑ，
ｐ（ｘ，ｙ）＝Ａ（ｘ，Ｊ，）ｎ．改（工，ｙ）＝
１０，其他
１２５５，ｉｆ（Ａ（工，ｙ）＝２５５＆＆．沈（ｘ，ｙ）＝２５５）
，。 ｕＪ
其中：，，（ｘ，ｙ）和，，－１（矗ｙ）分别表示第ｆ帧和第卜１帧 图像中＠，力像素的灰度；ｒ为阈值：ｐＯ，力表示差分操
Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｔｈＩ＿ｅｅ－丘ａｍｅ
像： 肌（ｘ，Ｊ，）＝ｐ２（ｘ，Ｊ，）０见（ｚ，ｙ）＝
｛：５翟磐＠∥”秘ｏ∥” Ｉｏ，其他
ｐ（ｘ，ｙ）＝胁（ｘ，ｙ）ｎ朋（ｘ，ｙ）＝
（７）
…７
ｄｉ廊ｒｅｎｃｅ ａ培ｏｒｉｔｈＩｎ
（５）ｐ３与肌进行“与”操作，得到检测结果图像：
相对于真实目标而言，轮廓范围太大，无法获得准确 的目标位置与目标形态信息；三帧帧差法检测到的目 标轮廓，出现部分区域重叠，因此，提出一种改进的 三帧帧差法（ＩＴｌＦＤ）。该算法是在三帧帧差法的原理基 础上，利用连续三帧图像，通过图像间的“差分”，“与” 以及“异或”操作，实现运动目标的准确检测，获得准 确的运动目标形态信息。改进帧差法的算法步骤如下。 （１）第１帧与第２帧做“差分”操作，得到差分 图像ｐｌ：
｛：５翟：：惑＠∥）－２５５＆＆肌＠∥）＿２５５） ｌｏ，其他
（８） …７
图３所示为改进算法的效果图。从图３可知：该 算法可以准确地获取目标的轮廓。为了验证改进三帧 帧差法的性能，采用运动车辆图像进行试验。图４所 示为基于改进三帧帧差法进行动态目标检测结果。从 图４可以看到：经过第４０帧、第４１帧、第４２帧连续 ３帧图像的运算，检测到的动态目标是目标的轮廓， 没有出现重叠区域。所以，相对于帧差法，该算法具 有很好的检测效果。 改进三帧差分法检测运动目标效果好，且易于实 现。对于多目标的运动检测，仍可采用此方法作为初 始分割，然后，用基于光流场的检测方法，对运动物 体进行检测。
棚，＝戳舅端等卿
（２）第２帧与第３帧进行“差分”操作，得到差 分图像ｐ２：
以训，＝尉羔苗二端搿＠
第卜１帧
门㈠■一—Ｈ
图３改进三帧差分法效果示意图
ｎｇ．３
Ｄｉ姆ｒａｍ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｌ鹏ｅ一丘锄ｅ
ｄｉ仃ｅｒｃｎｃｅ
ａｌｇ耐ｔｈＩｎ
万方数据
第３期
李建，等：一种新型快速运动目标检测算法
９８ｌ
运动对象检测是数字图像处理技术的一个重要组 成部分，它是计算机视觉、模式识别、目标识别与跟 踪、运动图像编码、安全监控等研究领域的重点和难 点，在军事、国防和工业等领域有着广阔的应用前景。 图像序列运动分析因其巨大的应用价值而受到广泛的
重视。它的基本任务是从图像序列中检测出运动信息， 简化图像处理过程，得到所需的运动矢量，从而能够 识别与跟踪物体‘卜２１。在运动检测中，以视频图像中运 动目标检测为主。图像序列运动可以分为４种模式： 摄像机和目标都静止、摄像机静止但目标运动、摄像
１０００８３，Ｃｈｉｎａ； Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
Ｂｅｉｊｉｎｇ
２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
ｏｆｌｒｅｃｈｎ０１０９弘Ｂｅｉｊｉｎｇ
１ ０００８
１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ
ｔｏ
ｌａ唱ｅ锄ｏｕｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ
ａｎｄ ｍｅ ｉｎａｃｃｕｍｃｙ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ
ｏｎ
ｐ猢ｅｔｅｒ
ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｄｕｅ
ｌｉ曲ｎｌｅｓｓ
ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔ），ｂｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｌｏｗ
ａｌｇｏｒｉｔｍ，ａ ｆａｓｔ
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ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔ１１ｅ ｉｍｐｒｏＶｅｄ ｉｍｐｍｖｅｄ
ｉｎｔｅｒｆｈｍｅ
ｄｉ舵ｒｅｎｃｅ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｍｅ ｉｍｐｍＶｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ
ｎｏｗ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔ０也ｅ
ｔｈｒｅｅ・丘ａｍｅ ｄｉｆｆｂｒｅｎｃｅ ａｌｇｏｒｉｔｌｌｍ，ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｗａｓ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ Ｂｙ ｔｈｅ ｉｍｐｍｖｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｎｏｗ
通信作者
蓝金辉（１９６７一），女，吉林长春人，教授，从事视频图像处理、目标识别、智能交通研究：电话：０１０—６２３３４９６ｌ：Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｈ．１ｍ＠２６３．ｎｅｔ
万方数据
箜！塑——
李建，等：一种新型快速运动目标检测算法
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机运动且目标也运动以及摄像机运动但目标静止。其 中，摄像机静止物体运动是一类非常重要的场景分析， 包括运动目标检测、目标运动特性估计。本文主要研
两帧帧差法基本原理就是将前后两帧图像对应像 素点的灰度相减，在环境亮度变化不大的情况下，若
对应像素灰度相差很小，则可以认为此处景物是静止
的，若图像区域某处的灰度变化很大，则可以认为这 是由于图像中运动物体引起的。将这些区域标记，利 用这些标记的像素区域就可以求出运动目标在图像中 的位置。其效果图如图１所示。