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淺析基于圖像處理的鐵路沿線視頻監(jiān)控算法設計

2010-02-10 00:00:00   作者:   來源:   評論:0 點擊:



引言
  近些年來,在很多涉及生命財產(chǎn)安全的行業(yè)中,安全監(jiān)控越來越引起人們的重視。鐵路行業(yè)的安全監(jiān)控一直以來是鐵道部和國家關注的重點項目,隨著我國火車的不斷提速,安全問題不容忽視,如何保證行車安全和行人安全直接關系到整個鐵路行業(yè)的發(fā)展。
  本文設計的鐵路沿線視頻監(jiān)控方法是通過一種基于視頻圖像處理實現(xiàn)對于行人穿越鐵路線的監(jiān)控。當被監(jiān)視區(qū)域中出現(xiàn)目標后可以自動報警并且存儲相應的故障照片,為事后的工作提供可靠的依據(jù)。算法設計的最大特點是提出一種以圖像處理為核心的安全監(jiān)控設計,通過圖像處理可以自動判斷有無危險情況發(fā)生并自動報警,特別是在監(jiān)控人員不在時能夠發(fā)揮很大的作用。
1.視頻監(jiān)控系統(tǒng)中背景的提取
  背景圖像是指視場中沒有運動目標的圖像,即使視場內(nèi)有運動目標,背景算法也通過技術處理除去目標而獲得沒有運動目標的背景圖像。目前常規(guī)的背景提取的方法有統(tǒng)計直方圖法、統(tǒng)計中值法、多幀圖像平均法和連續(xù)幀差法等。
  以上四種方法分別有各自的缺點。統(tǒng)計直方圖法存在的問題是隨著統(tǒng)計幀數(shù)的增加,得到的背景圖像效果并不明顯;統(tǒng)計中值法存在的問題與統(tǒng)計直方圖法也相差無幾,此外該算法實現(xiàn)時計算量較大,占用計算機內(nèi)存較大,處理較慢;多幀圖像平均法得到背景圖像受目標運動量的影響比較大,隨著平均幀數(shù)的增加,噪聲消除才會有所改善;連續(xù)幀差法靜止的背景圖像不能直接獲得,其關鍵是如何在有目標運動的情況下獲得良好的背景圖像,由于該算法并沒有對幀差分本身進一步處理,存在的問題是易把紋理相似的前景交疊區(qū)域誤認為背景。
  綜合考慮以上四種背景提取方法,本文采用結合多幀圖像平均法和連續(xù)幀差法這兩種方法來進行視頻序列背景的提取?紤]到運動目標的多樣性,有目標經(jīng)過視場而引起的變化長時間內(nèi)可忽略不計。多幀圖像平均法時將運動目標看作為噪聲,用累加平均的方法消除噪聲,利用目標運行一段時間的序列圖像進行平均而得到視場背景圖像。連續(xù)幀差算法是通過當前幀的圖像與前一幀圖像的差值找到運動區(qū)域,對運動區(qū)域的背景保持不變,而非運動區(qū)域的背景則用當前幀進行更新,經(jīng)過一段時間的迭代便可提取出背景。兩種方法的結合可以很好地彌補各自的缺點,能夠適應鐵路沿線周邊環(huán)境的要求,對存在運動目標的背景能夠提取出質(zhì)量較高的背景圖像。具體過程如下:
  只考慮三幀的情況下,首先從視頻序列中隨便提取三幀,如圖1(a)~圖1(c)所示。然后對提取出來的三幀圖像分別轉(zhuǎn)換為灰度圖并求出它們的灰度平均圖像,以灰度平均圖像作為連續(xù)幀差法的第一幀圖像(即原始圖像)。通過原始圖像和提取的三幀圖像來做連續(xù)幀差法,得到的背景圖像經(jīng)過灰度圖如圖1(d)所示。


  圖像二值化后的結果如圖2(a)所示,得到的最終結果如圖2(b)所示。從兩幅圖像的對比可以看出,圖像經(jīng)過一系列處理后,基本標定了危險區(qū)域。對于得到的圖2(b),圖中白色的區(qū)域為鐵道雙軌內(nèi)部即設定的危險區(qū)域。應用此種方法得到的結果圖像在光照條件充足情況下能夠得到更好的效果,不適用于光照條件不足和夜間的危險區(qū)域標定。


  對每一幀都做上述處理,經(jīng)過一段時間的監(jiān)測后,系統(tǒng)會自動保存一些危險情況存在時的圖像(灰度圖形式)。圖像自動保存方法流程圖如圖3所示。
  從監(jiān)控結果來看,得到的是一幅幅危險情況存在時的圖像,圖像自動保存的部分結果如圖4所示。這些圖像是從10 min的視頻數(shù)據(jù)中自動抽取出來的,從這些圖像中可以分析整個設計的識別率,識別率的高低影響著算法設計和程序編寫的好壞。

4 .一種目標識別算法
  鐵路上運動目標主要分為:行人、車輛、小動物和其他。
  在對目標進行識別前先要對危險情況存在時灰度圖圖像自動保存的結果進行必要的圖像處理,目的是為后續(xù)的目標識別奠定基礎,使經(jīng)過處理后的圖像更加方便地應用于目標識別。在這里圖像預處理主要包括增強圖像對比度、中值濾波和平滑處理等。目標識別算法的流程圖如圖5所示。

5 .結語
  本文首先對拍攝到的視頻進行背景提取,根據(jù)提取到的背景經(jīng)過一系列的圖像處理最終對視場中危險區(qū)域進行劃定。然后系統(tǒng)自動監(jiān)測視頻數(shù)據(jù),自動以灰度圖的形式保存危險情況存在時的圖像,目的是為了后續(xù)的目標識別。最后根據(jù)鐵路沿線上可能出現(xiàn)的運動目標,提出了一種運動目標識別算法。從監(jiān)控結果可以看出,整個算法設計具有一定的可行性,可以作為基于圖像處理的鐵路沿線視頻監(jiān)控的一種算法,有一定的參考價值。
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