【技术视界】第19期：视侦检索技术（二）——目标检测

编者按

      本期，数据恢复四川省重点实验室科研人员将介绍视频检索技术重要步骤——目标检测。目标检测有很多具体方法，其中最主流的是背景建模法，具有计算量小、内存占用少、实时性和鲁棒性较高等优点。通过对具体的背景建模方法进行举例介绍，我们将了解目标检测具体过程。

       近年来，在安防行业数字化进程中，DVR、DVS得到了长足发展。特别随着平安城市项目的推进，各个城市大街小巷已经布满了摄像头。存储技术的不断更新，存储了海量视频信息，如何在海量视频中快速提取有价值信息或线索，成为案件侦查或电子取证关键。 

一、好的目标检测算法能大幅提升视频检索效率

1.什么是目标检测

       目标检测是视频检索的重要步骤，简单的说就是把视频中运动变化区域抠出来，以便进行下一步处理。而其它无变化，或微小变化的无意义区域，则不需理会，这对提升视频检索效率有很大帮助。

2.目标检测作用

    ★ 通过目标检测，可以排除无意义时间段，比如监控视频中很多静止的无运动对象画面；

    ★ 检测出运动对象区域，才好进行下一步跟踪操作。运动对象在相邻下一帧中可能位置、形状都不一样，检测出来的区域，可以让我们优先判断选择（判断方法请期待下一期《目标跟踪》），而不用满屏幕去匹配查找；

    ★ 检测出的对象，可以进行模式识别，让计算机自动标注出该区域内对象的类型，比如行人、车辆等（如图1）；

    ★ 检测出的对象还可以进行颜色分析、图像匹配等等。

【图1：利用计算机自动标注检测对象的类型】

3.如何进行目标检测

        经过多年研究，进行目标检测，主要采取以下几类算法：背景建模法（也叫背景差方法）、帧差法、光流法、运动竞争、运动模板、时间熵等等。

        其中，帧差法需要动态设定时间间隔进行差分，对于慢速运动物体，必须选择较大时间差，否则易产生空洞，影响检测结果。光流法抗噪性能差，如果没有特别的硬件装置，其处理速度相当慢，根本达不到视频检索的要求。目前，目标检测使用最多的是背景建模法，下面将对其进行详细介绍。

二、背景建模是进行目标检测主要方法

1.什么是背景建模

       在视频中，背景物体是指静止或是移动非常缓慢的物体，而前景物体就是对应移动的物体。背景建模就是我们可以把物体检测看成一个分类问题，也就是来确定一个像素点是否属于背景点，根据不同的分类方法，再加上模型的更新策略，就能得到不同算法。

        背景建模在实际应用中对算法的要求是：必须适应环境变化（比如光照变化）；能适应相机抖动造成的画面抖动；能正确检测出图像中密集出现的物体（如树叶树技）；能正确检测出背景物体的改变；还有最重要的一点就是速度越快越好。

2.背景建模具体方法

       背景建模具体的分类方法也有很多，比如单高斯模型、混合高斯模型、码本、还有SOBS、Color、VIBE、SACON、PDF等等。背景建模算法效率通常都比较高，但是每种方法都有一些小缺陷，具体应用那种算法需要根据使用环境来决定。

3.VIBE视觉背景提取算法

       作为一种典型的背景建模方法，VIBE（Visual background extractor）视觉背景提取算法由Olivier Bamich等人于2009年提出，是一种像素级的背景建模、前景检测算法。该算法主要不同之处在于背景模型的更新策略，通过随机选择需要替换的像素样本，随机选择邻域像素进行更新。在无法确定像素变化模型时，随机更新策略，在一定程度上可以模拟像素变化的不确定性。

        VIBE视觉背景提取算法具有计算量小、内存占用少、实时性和鲁棒性较高等优点，可以通过改进，解决光照突变和突发运动，是一种非常好的视频检测方法。

三、数据预处理

       在进行目标检测过程中，通常会进行数预处理。所谓的数据预处理，是指为了减小运算或处理方便，在处理帧数据时，常使用灰度图像来进行，即先将RGB格式的图像帧转成灰度图像。数据预处理后，通常色彩的部分损失对检测结果造成影响不大，但是需要注意某些颜色在彩色模式下与背景的对比明显，而转灰度后反而不明显的情况（如图2）。

【图2：RGB模式转灰度后红色的灰度值为75%左右，而路面的灰色值在71%左右，变化过低容易造成检测困难】

       通常多次实验发现RGB中的绿色通道下变化适中，比RGB直接转换的灰度更适合用于检测，且计算量更小（如图3）。

【图3：绿色通道更适用于检测】

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小结：学术界提出新的好算法，是需要时间和灵感的。而在实际生产中，对算法进行CPU多核并行方面的优化，以及使用GPU进行加速，可以在增加硬件的情况下，较好地提高软件处理能力，是一种非常可靠的方法。

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编后语：随着监控视频越来越多，传统的“人海战术”视频检索方法已不能满足实际工作需求，进行目标检测显得十分必要。四川省重点实验室科研人员介绍的背景建模法，可以对视频中运动变化区域进行快速抓取，大大提升视频检索效率。目前，此方法已经成功应用在效率源VICP视频侦查应用平台、VIP视频侦查单兵系统等产品中，在数据恢复、视频侦查、电子取证、司法鉴定过程中发挥了重要作用。

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