基于三帧差法的静态视频目标跟踪技术的改进

赵海东

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心

基于三帧差法的静态视频目标跟踪技术的改进

赵海东

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心

随着国家对安全问题重视程度的不断提升，静态视频中多目标跟踪技术在网络视频监控中的应用已逐步成为该领域研究重点。三帧差法以其简单、高效的特点在目标跟踪算法中得到广泛应用。本文重点论述三帧差法的具体实现原理，针对该方法在目标低速运动、由静止逐步加速、由低速运动到静止的运动过程中的技术缺陷，提出了通过背景减法与三帧差法相结合的方法对三帧差法做出改进。

静态视频；三帧差法；背景减法；目标跟踪；低速

一、三帧差法的实现原理概述

帧间差分法是通过计算相邻两帧图像之间的差值来获得运动区域的，通过差值图像能够快速检测出相邻图像中运动目标所引起的运动范围。常见的帧间差分法有两帧差法与三帧差法，其中三帧差法是对两帧差法的改进。

两帧差法主要是针对连续视频帧中相邻两帧图像进行差值运算，由于现有摄像头所能拍摄的视频中，连续两帧的时间差往往在0.2s至0.5秒之间，因此，当视频中目标运动速度较慢时，相邻两帧图像中运动目标的位置变化相对较小，应用两帧差法得到的差值图像将造成目标区域的不连通，从而很难检测出运动目标的准确范围。

三帧差法的基本原理[1]与两帧差法一致，其是两帧差法的改进。其通过计算相邻三帧的帧差，并进行帧差的与运算，有效规避了帧间时间间隔所造成的区域不连通问题，能更准确的检测出目标。三帧差法的具体计算流程如下：

其中，fk(x, y)、fk+1(x, y)、fk+2(x, y)为三帧连续的视频图像，Gk,k+1(x, y)、Gk+1,k+2(x, y)为三帧图像中连续两帧的帧差。对得到的上述两帧差做二值化处理：

其中，Dk,k+1(x, y)、Dk+1,k+2(x, y)为上述帧差所对应的二值化图像，对二值化图像进行与操作，得到运动目标区域的二值图像T(x, y)：

二、三帧差法在目标跟踪中的技术缺陷

采用三帧差法改进了两帧差法的目标区域不连通问题，但其在运动目标运动缓慢，尤其是当目标处于减速、由静止逐步启动阶段仍存在一定的弊端[2]，即三帧差法在低速运动的目标中缺乏鲁棒性。

在实际的视频监控中，运动目标的运动过程存在多种情况，以运动速度来区分，主要分为：高速运动、低速运动、接近于0的运动速度。其中，接近于0的运动速度主要发生在运动目标由静止到启动的逐步加速过程、由减速到静止的逐步减速过程中，此时由于帧间的时间间隔较小，采用三帧差法仍然会导致运动目标检测区域的不连通问题，从而导致目标检测的不准确。

本文针对三帧差法的上述问题，结合光流计算法、背景减法等其他目标检测算法的特点，提出了将背景减法与三帧差法结合的方式以提升运动目标在低速行驶过程中的检测准确性问题。

三、背景减法对三帧差法的技术改进

背景减法为目标跟踪中的核心方法之一，其在静态视频图像的目标跟踪中具有简单、准确性高的特点，尤其是针对低速运动的运动目标，具有高准确性的检测效果。

在绝大多数的视频监控中，摄像头基本是不动的，因此，视频监控的场景不发生改变，背景变化量很小。背景减法通过视频帧与背景图像进行减法运算以提取出目标区域，即背景减法应用当前帧与场景的背景图像的差异完成目标检测。

本文采用三帧差法与背景减法结合的方式完成运动目标检测，当运动目标高速行驶时，采用三帧差法进行目标检测，当运动目标低速运动、由静止逐步加速或是由运动逐步减速的过程中，采用背景减法完成目标检测。方法实现流程如下：

1、输入原始视频序列。

2、取一帧图像，采用三帧差法进行目标检测，计算得到含有目标区域的二值图像。

3、计算当前帧与后5帧的差值k，如果k大于阈值T,执行步骤4，如果k小于阈值T，执行步骤5。

4、将当前帧图像与背景帧相减。

5、对目标区域的二值图像进行滤波和膨胀处理[3]。

6、得到准确的运动目标区域。

其中，阈值T可根据实际图像像素的数值进行灵活设置。应用上述方法，在运动目标处于低速运行状态下，尤其是速度接近于0的情况下，能够得到相比三帧差法较准确的运动目标区域。

四、结论

本文针对三帧差法在运动目标低速运动、由静止逐步加速或是由运动逐步减速的过程中所具有的检测准确性缺陷，将背景减法与三帧差法相结合，提出了针对三帧差法的改进方案，得到较准确的实验效果。该方法在静态视频的多目标检测中具有较好的技术效果，使得在复杂的目标运动过程中的区域检测具有鲁棒性。同时，算法针对运动目标区域的二值化图像进行后期处理，消除了区域轮廓毛刺、有效清除目标连通区域的异值点，使得准确性得到进一步提升。

[1]钱荣荣.监控视频结构分段与视频摘要技术研究[D].天津大学,2010.

[2]周小龙.监控视频摘要生成技术的研究与实现[D].重庆大学, 2010.

[3]李毅, 孙正兴, 远博, 等.种改进的帧差和背景减相结合的运动检测方法[J].中国图象图形学报, 2009, 4(6).