Способ построения и обновления фонового кадра для обнаружения движущихся объектов в системе видеонаблюдения

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ И ОБНОВЛЕНИЯ ФОНОВОГО КАДРА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ В СИСТЕМЕ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ(71) Заявитель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(72) Авторы Богуш Рихард Петрович Бровко Надежда Валерьевна(73) Патентообладатель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(57) Способ построения и обновления фонового кадра для обнаружения движущихся объектов в системе видеонаблюдения, в котором из видеопоследовательности, полученной со стационарно установленной камеры видеонаблюдения, выбирают нечетное количествоисходных анализируемых кадров, где 311, с заранее заданным интервалом между ними, сравнивают яркость пикселей с одинаковыми координатами попарно в каждой паре 13619 1 2010.10.30 соседних исходных кадров с целью выявления схожих и несхожих по яркости пикселей,относящихся к фону и к движущимся объектам соответственно, принимая в качестве схожих те пиксели, яркости которых различаются не более чем на 10 , затем формируют -1 черно-белую маску первого уровня, в каждой из которых схожим и несхожим по яркости пикселям двух соседних исходных кадров присваивают черный и белый цвет соответственно, попарно сравнивают соседние маски первого уровня и выявляют в каждой паре совпавшие по цвету пиксели с одинаковыми координатами, затем формируют -2 чернобелые маски второго уровня, на первой из которых белым цветом отмечают совпавшие пиксели движущихся объектов первой пары масок первого уровня, на второй - совпавшие пиксели движущихся объектов второй пары масок первого уровня, и так далее, затем создают первый цветной вспомогательный кадр путем удаления из второго исходного кадра всех пикселей, принадлежащих движущимся объектам первой пары масок второго уровня,и помещения на их место пикселей с теми же координатами с первого исходного анализируемого кадра, второй цветной вспомогательный кадр - путем удаления из третьего исходного анализируемого кадра всех пикселей, принадлежащих движущимся объектам второй пары масок второго уровня, и помещения на их место пикселей с теми же координатами со второго исходного анализируемого кадра, далее аналогично создают все -2 цветных вспомогательных кадра, попарно сравнивают яркость пикселей с одинаковыми координатами в соседних цветных вспомогательных кадрах для выявления схожих и несхожих по яркости пикселей, относящихся к фону и к движущимся объектам соответственно, далее для вспомогательных кадров повторяют необходимое число раз те же операции, что и для исходных кадров, до получения одного цветного вспомогательного кадра, не содержащего пикселей, относящихся к движущимся объектам, который и принимают в качестве фонового, а затем выбирают из указанной видеопоследовательности через указанный интервал от -го исходного кадра новый исходный кадр, помещают его на место первого кадра изисходных кадров и повторяют все указанные операции для получения обновленного фонового кадра. Заявляемое изобретение относится к области информатики и может быть использовано в системах видеонаблюдения, в которых осуществляется обнаружение движущихся объектов. Известен способ построения фонового кадра (кадр, не содержащий никаких движущихся объектов) для обнаружения движущихся объектов в системах видеонаблюдения 1, в котором на протяжении 1-2 с (15-30 кадров) строят фоновый кадр, подсчитывая для каждого пикселя кадра, сколько раз в данном пикселе кадра не было движения. Для этого 1) для каждого пикселя кадра вводят счетчик для подсчета числа кадров, в течение которого яркость пикселя от кадра к кадру не изменялась 2) обнуляют счетчики для всех пикселей 3) выбирают два кадра на расстояниикадров между ними 4) сравнивают яркости пикселей с одинаковыми координатами попарно, используя разностную функцию 5) схожие по яркости пиксели (предположительно пиксели фона) предварительно запоминают в фоновом кадре и увеличивают их счетчики 6) когда значение счетчика становится больше, чем некоторое гарантированное количество кадров, то данный пиксель окончательно фиксируют в фоновом кадре. Гарантированное количество кадров выбирают исходя из скорости движения объектов 7) шаги 1-6 повторяют до полного восстановления фонового кадра. Недостатками известного способа являются наличие шумов в фоновом кадре, а также значительные временные затраты на построение фонового кадра при наличии частой смены яркости динамической сцены. 13619 1 2010.10.30 В качестве прототипа выбран способ построения фонового кадра для обнаружения движущихся объектов в системах видеонаблюдения для полутоновых видеопоследовательностей 2, включающий в себя следующую последовательность действий 1) выбирают 3 анализируемых кадра видеопоследовательности, полученной со стационарной камеры, интервал между кадрами в среднем составляет 5-6 кадров 2) сравнивают яркость пикселей с одинаковыми координатами попарно в исходных анализируемых кадрах (первом-втором, втором-третьем), используя разностную функцию(находя абсолютную разность между яркостями пикселей), и выявляют схожие по яркости пиксели, относящиеся к фону, и несхожие пиксели, относящиеся к движущимся объектам 3) формируют 2 черно-белые маски, в которых схожим по яркости пикселям присваивают белый цвет, а несхожим по яркости пикселям - черный. Схожесть яркостей пикселей определяется оценкой абсолютных разностей, полученных на предыдущем шаге, по формуле 255,где- значение абсолютной разности пикселей с координатамимежду первым-вторым(или вторым-третьим) анализируемыми кадрами- коэффициент в интервале 01 у - значение яркости пикселя черно-белой маски, равное 255, - белый цвет, 0 - черный цвет. По несхожим пикселям (черным) выявляют движущиеся объекты, присутствующие в каждой паре исходных анализируемых кадров 4) формируют вспомогательную черно-белую маску, на которой черным цветом отмечают совпавшие по яркости пиксели, принадлежащие движущимся объектам второго анализируемого кадра, а белым цветом отмечают не совпавшие по яркости пиксели,принадлежащие фону 5) удаляют пиксели, принадлежащие движущимся объектам из второго анализируемого кадра, используя вспомогательную черно-белую маску, полученную на предыдущем шаге 6) помещают на освобожденные участки пиксели с такими же координатами с первого или третьего анализируемых кадров 7) полученный в результате кадр принимают как фоновый. Недостатками прототипа являются наличие шумов в фоновом кадре, которые проявляются в виде фрагментов движущихся объектов, а также отсутствие возможности учета качественных изменений входной видеопоследовательности (изменение яркости динамической сцены, возможное изменение фона и др.). Задачей изобретения является улучшение качественных характеристик фонового кадра и за счет этого повышение эффективности обнаружения движущихся объектов в системах видеонаблюдения в целом. Поставленная задача решается тем, что в способ построения и обновления фонового кадра для обнаружения движущихся объектов в системах видеонаблюдения включены следующие операции 1) из видеопоследовательности, полученной со стационарно установленной камеры видеонаблюдения, выбирают нечетное количествоисходных анализируемых кадров,где 311, с заранее заданным интервалом между ними 2) сравнивают яркость пикселей с одинаковыми координатами попарно в каждой паре соседних исходных кадров с целью выявления схожих и несхожих по яркости пикселей,относящихся к фону и к движущимся объектам соответственно, принимая в качестве схожих те пиксели, яркости которых различаются не более чем на 103) формируют -1 черно-белую маску первого уровня, в каждой из которых схожим и несхожим по яркости пикселям двух соседних исходных кадров присваивают черный и белый цвет соответственно 3 13619 1 2010.10.30 4) попарно сравнивают соседние маски первого уровня и выявляют в каждой паре совпавшие по цвету пиксели с одинаковыми координатами 5) формируют -2 черно-белые маски второго уровня, на первой из которых белым цветом отмечают совпавшие пиксели движущихся объектов первой пары масок первого уровня, на второй - совпавшие пиксели движущихся объектов второй пары масок предыдущего уровня, и так далее 6) создают первый цветной вспомогательный кадр путем удаления из второго исходного кадра всех пикселей, принадлежащих движущимся объектам первой пары масок второго уровня, и помещения на их место пикселей с теми же координатами с первого исходного анализируемого кадра, второй цветной вспомогательный кадр - путем удаления из третьего исходного анализируемого кадра всех пикселей, принадлежащих движущимся объектам второй пары масок второго уровня, и помещения на их место пикселей с теми же координатами со второго исходного анализируемого кадра, далее аналогично создают все -2 цветных вспомогательных кадра 7) операции 2-6 повторяют до получения одного фонового кадра 8) выбирают из видеопоследовательности через указанный интервал от -го исходного кадра новый исходный кадр, помещают его на место первого кадра изисходных кадров 9) операции 2-8 повторяют, получая обновленный фоновый кадр. Для цветных изображений сравнение попарно анализируемых кадров осуществляют отдельно для каждой цветовой составляющей используемого цветового пространства, используя минимаксную функцию схожести. На фиг. 1 представлена схема построения фонового кадра на основе 5 кадров видеопоследовательности, на фиг. 2 представлена иллюстрация конкретного примера построения фонового кадра для видеопоследовательности, полученной со стационарно установленной камеры видеонаблюдения. Построение фонового кадра согласно фиг. 1 осуществляют следующим образом выбирают пять исходных анализируемых кадров (1, 2, 3, 4, 5) с видеопоследовательности,полученной со стационарно установленной камеры видеонаблюдения, с выбранным интервалом между анализируемыми кадрами. Желтый и синий цвет на кадрах 1, 2, 3, 4, 5 отображает фон, зеленый цвет отображает движущиеся объекты. Сравнивают яркость пикселей с одинаковыми координатами попарно в первом-втором (1-2), втором-третьем(2-3), третьем-четвертом (3-4) и четвертом-пятом (4-5) кадрах с использованием минимаксной функции схожести. С учетом порога схожести выявляют схожие по яркости пиксели, относящиеся к фону, и несхожие по яркости пиксели, относящиеся к движущимся объектам. Формируют 4 черно-белые маски 6, 7, 8 и 9 первого уровня, где схожим по яркости пикселям присваивают черный цвет, несхожим пикселям - белый цвет. Затем формируют 3 черно-белые маски 10, 11 и 12 второго уровня, где на маске 10 белым цветом отмечают совпавшие пиксели кадров 6 и 7, принадлежащие движущимся объектам. Аналогично, белым цветом в масках 11 и 12 отмечают совпавшие пиксели, принадлежащие движущимся объектам, кадров 7 и 8, 8 и 9 соответственно. На следующем шаге формируют цветные вспомогательные кадры 13, 14 и 15. Кадр 13 формируют путем удаления из второго анализируемого кадра 2 всех пикселей с координатами, соответствующими движущимся объектам, и помещают на их место пиксели с первого анализируемого кадра 1 с теми же координатами. Аналогично формируют кадры 14 и 15. На полученных кадрах 13,14 и 15 присутствуют фрагменты движущихся объектов (выделены линиями красного цвета). Для их удаления повторяют аналогичные операции, как и для исходных кадров 1,2, 3, 4 и 5. Формируют черно-белые маски 16 и 17, где на маске 16 белым цветом отмечают пиксели, принадлежащие движущимся объектам с кадров 13 и 14, а на кадре 17 белым цветом отмечают пиксели, принадлежащие движущимся объектам с кадров 14 и 15 затем черно-белую маску 18, содержащую совпавшие пиксели кадров 16 и 17. Из 14 кадра удаляют все пиксели с координатами, соответствующими движущимся объектам, и помеща 4 13619 1 2010.10.30 ют на их место пиксели с 13 кадра. На полученном в результате кадре 19 отсутствуют движущиеся объекты (зеленый цвет), этот кадр принимают как фоновый. Пример построения фонового кадра для обнаружения движущихся объектов в системах видеонаблюдения. 1. Выбрали пять анализируемых кадров ( 1, 51, 101, 151, 201) с видеопоследовательности, полученной со стационарно установленной камеры видеонаблюдения. На фиг. 2 это кадры 1, 2, 3, 4 и 5. Для эффективного выявления динамических объектов на анализируемых кадрах необходимо выбрать такие кадры, где объекты совершили бы перемещение в пространстве больше длины своего корпуса. Для анализируемой видеопоследовательности интервал между исходными кадрами выбран равным 50 кадрам. Цветовое пространство для передачи изображений . Движущиеся объекты на всех анализируемых кадрах машины, передвигающиеся по дороге с заднего плана. 2. Для каждой цветовой составляющей сравнивают яркость пикселей с одинаковыми координатами попарно в первом-втором (1-2), втором-третьем (2-3), третьем и четвертом(3-4) и четвертом и пятом (4-5) кадрах с использованием минимаксной функции схожести. С учетом принятой величины схожести выявляют схожие пиксели, относящиеся к фону, и несхожие пиксели, относящиеся к движущимся объектам. 3. Формируют четыре черно-белые маски 6, 7, 8 и 9 первого уровня, где схожим по яркости пикселям присваивают черный цвет, несхожим пикселям - белый цвет. По несхожим пикселям (белым) выявляют движущиеся объекты, присутствующие в каждой паре исходных анализируемых кадров. 4. Сравнивают маски 6, 7, 8 и 9 первого уровня попарно и выявляют в каждой паре совпавшие по яркости (цвету) пиксели с одинаковыми координатами 5. Затем формируют три черно-белые маски 10, 11 и 12 второго уровня. В маске 10 белым цветом отмечают совпавшие пиксели кадров 6 и 7, принадлежащие движущимся объектам. Аналогично, белые пиксели масок 11 и 12 отмечают совпавшие пиксели, принадлежащие движущимся объектам, кадров 7 и 8, 8 и 9 соответственно. 6. На следующем шаге формируют три цветных вспомогательных кадра 13, 14 и 15. Кадр 13 формируют путем удаления из второго исходного анализируемого кадра 2 всех пикселей с координатами, соответствующими движущимся объектам, и помещения на их место пикселей с первого анализируемого кадра 1 с теми же координатами. Аналогично,формируют кадры 14 и 15. На полученных цветных кадрах 13, 14 и 15 присутствуют фрагменты движущихся объектов (выделены линиями красного цвета). 7. Для удаления этих фрагментов повторяют аналогичные операции, как и для исходных кадров 1, 2, 3, 4 и 5. Сравнивают яркость пикселей с одинаковыми координатами попарно в цветных вспомогательных кадрах (13-14 и 14-15) и выявляют схожие по яркости пиксели, относящиеся к фону, и несхожие пиксели, относящиеся к движущимся объектам. 8. Формируют две черно-белые маски 16 и 17 первого уровня, где на маске 16 белым цветом отмечают пиксели, принадлежащие движущимся объектам с кадров 13 и 14, а на маске 17 белым цветом отмечены пиксели, принадлежащие движущимся объектам с кадров 14 и 15. 9. Сравнивают маски 16 и 17 и выявляют совпавшие по яркости (цвету) пиксели с одинаковыми координатами. 10. Затем формируют черно-белую маску второго уровня 18, содержащую совпавшие пиксели масок 16 и 17. 11. Из 14 кадра удаляют все пиксели с координатами, соответствующими движущимся объектам, и помещают на их место пиксели с 13 кадра. На полученном в результате кадре 19 отсутствуют движущиеся объекты, этот кадр принимают как фоновый. 12. Затем из исходных анализируемых кадров удаляют кадр 1 и добавляют кадр 251 с анализируемой видеопоследовательности. Шаги 1-11 повторяют, получая обновленный фоновый кадр (на фиг. 2 не показаны). 13619 1 2010.10.30 Количество исходных анализируемых кадров для удовлетворения качество/временные затраты необходимо выбирать из диапазона 311. Улучшение качественных характеристик фонового кадра и, как следствие, повышение эффективности обнаружения движущихся объектов достигается за счет обновления фонового кадра, поскольку в наблюдаемом фоне с течением времени могут происходить изменения, а также за счет использования минимаксной функции схожести, которая характеризуется высокой контрастностью и позволяет эффективно установить уровень порога схожести пикселей анализируемых кадров. Источники информации Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.