摘要: 本文重點(diǎn)介紹運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的原理，給出了運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在海康威視板卡中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，最后，對(duì)常用的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的比較。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，背景減除，時(shí)間差分，光流法

1、引言
　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)安全技術(shù)防范的要求也越來(lái)越高。二十世紀(jì)八十年代末到九十年代中期，隨著各種新型安保觀念的引入，社會(huì)各部門、各行業(yè)及居民小區(qū)紛紛建立起了各自獨(dú)立的閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控受到當(dāng)時(shí)技術(shù)發(fā)展水平的限制，監(jiān)控系統(tǒng)大多只能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬電視監(jiān)視，視頻信息存儲(chǔ)到錄像帶上，如果是監(jiān)控的地點(diǎn)比較多，要求錄像的數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)，錄像帶的數(shù)量就會(huì)變的驚人，整個(gè)查詢、檢索工作變的很復(fù)雜，管理運(yùn)營(yíng)成本增加，而且還會(huì)出現(xiàn)錄像帶時(shí)間長(zhǎng)了或轉(zhuǎn)錄次數(shù)多了時(shí)圖像質(zhì)量變差的問(wèn)題。 隨著編解碼技術(shù)的發(fā)展，特別是MPEG4/H264編解碼技術(shù)的成熟，越來(lái)越多的用戶采用了數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)壓縮多路視頻，并存儲(chǔ)到硬盤上，錄像信息以數(shù)字形式存放在硬盤上。由于計(jì)算機(jī)屏幕尺寸有限，在同時(shí)顯示多路視頻時(shí)每一路預(yù)覽的畫(huà)面都比較小，這一點(diǎn)不利于工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)一些細(xì)小的隱蔽的安全隱患問(wèn)題；而且智能化在數(shù)字安全防范領(lǐng)域也得到越來(lái)越多的應(yīng)用，在某些監(jiān)控的場(chǎng)所對(duì)安全性要求比較高，需要對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)和跟蹤，因此我們需要一些精確的圖像檢測(cè)技術(shù)來(lái)提供自動(dòng)報(bào)警和目標(biāo)檢測(cè)。運(yùn)動(dòng)檢測(cè)作為在安防智能化應(yīng)用最早的領(lǐng)域，它的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用前景都受到關(guān)注。

　　運(yùn)動(dòng)檢測(cè)是指在指定區(qū)域能識(shí)別圖像的變化，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的存在并避免由光線變化帶來(lái)的干擾。但是如何從實(shí)時(shí)的序列圖像中將變化區(qū)域從背景圖像中提取出來(lái)，還要考慮運(yùn)動(dòng)區(qū)域的有效分割對(duì)于目標(biāo)分類、跟蹤等后期處理是非常重要的，因?yàn)橐院蟮奶幚磉^(guò)程僅僅考慮圖像中對(duì)應(yīng)于運(yùn)動(dòng)區(qū)域的像素。然而，由于背景圖像的動(dòng)態(tài)變化，如天氣、光照、影子及混亂干擾等的影響，使得運(yùn)動(dòng)檢測(cè)成為一項(xiàng)相當(dāng)困難的工作。

2、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)（移動(dòng)偵測(cè)）原理
　　早期的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)如MPEG1是對(duì)編碼后產(chǎn)生的I幀進(jìn)行比較分析，通過(guò)視頻幀的比較來(lái)檢測(cè)圖像變化是一種可行的途徑。原理如下：

　　MPEG1視頻流由三類編碼幀組成，它們分別是：關(guān)鍵幀（I幀），預(yù)測(cè)幀（P幀）和內(nèi)插雙向幀（B幀）。I幀按JPEG標(biāo)準(zhǔn)編碼，獨(dú)立于其他編碼幀，它是MPEG1視頻流中唯一可存取的幀， 每12幀出現(xiàn)一次。截取連續(xù)的I幀，經(jīng)過(guò)解碼運(yùn)算，以幀為單位連續(xù)存放在內(nèi)存的緩沖區(qū)中，再利用函數(shù)在緩沖區(qū)中將連續(xù)的兩幀轉(zhuǎn)化為位圖形式，存放在另外的內(nèi)存空間以作比較之用，至于比較的方法有多種。此方法是對(duì)編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而目前的MPEG1/MPEG4編碼都是有損壓縮，對(duì)比原有的圖象肯定存在誤報(bào)和不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。

目前幾種常用的方法[1]
1）背景減除（Background Subtraction ）
　　背景減除方法是目前運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中最常用的一種方法，它是利用當(dāng)前圖像與背景圖像的差分來(lái)檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)區(qū)域的一種技術(shù)。它一般能夠提供最完全的特征數(shù)據(jù)，但對(duì)于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的變化，如光照和外來(lái)無(wú)關(guān)事件的干擾等特別敏感。最簡(jiǎn)單的背景模型是時(shí)間平均圖像，大部分的研究人員目前都致力于開(kāi)發(fā)不同的背景模型，以期減少動(dòng)態(tài)場(chǎng)景變化對(duì)于運(yùn)動(dòng)分割的影響。

2 ）時(shí)間差分（Temporal Difference ）
　　時(shí)間差分（又稱相鄰幀差）方法是在連續(xù)的圖像序列中兩個(gè)或三個(gè)相鄰幀間采用基于像素的時(shí)間差分并且閾值化來(lái)提取出圖像中的運(yùn)動(dòng)區(qū)域。時(shí)間差分運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法對(duì)于動(dòng)態(tài)環(huán)境具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，但一般不能完全提取出所有相關(guān)的特征像素點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)實(shí)體內(nèi)部容易產(chǎn)生空洞現(xiàn)象。

3 ）光流（Optical Flow ）
　　基于光流方法的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)采用了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)隨時(shí)間變化的光流特性，如Meyer[2] 等通過(guò)計(jì)算位移向量光流場(chǎng)來(lái)初始化基于輪廓的跟蹤算法，從而有效地提取和跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是在攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)存在的前提下也能檢測(cè)出獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。然而，大多數(shù)的光流計(jì)算方法相當(dāng)復(fù)雜，且抗噪性能差，如果沒(méi)有特別的硬件裝置則不能被應(yīng)用于全幀視頻流的實(shí)時(shí)處理。關(guān)于光流更加詳細(xì)的討論可參見(jiàn)Barron [3]等的文章。

　　當(dāng)然，在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中還有一些其它的方法，運(yùn)動(dòng)向量檢測(cè)法，適合于多維變化的環(huán)境，能消除背景中的振動(dòng)像素，使某一方向的運(yùn)動(dòng)對(duì)象更加突出的顯示出來(lái)，但運(yùn)動(dòng)向量檢測(cè)法也不能精確地分割出對(duì)象。

3 、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)
　　海康威視作為國(guó)內(nèi)著名的視音頻編解碼卡的生產(chǎn)商，依靠中電集團(tuán)第52研究所強(qiáng)大的技術(shù)研發(fā)力量，在DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）上完成MPEG4/H264實(shí)時(shí)編碼，在給用戶的SDK的接口中，提供了有效的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)分析功能。其過(guò)程如下：

　　★信號(hào)輸入處理模塊：標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號(hào)（CVBS彩色或黑白）是亮度信號(hào)和色度信號(hào)通過(guò)頻普間置疊加在一起，需經(jīng)過(guò)A/D芯片（如philips7113）的解碼，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的ITU 656 YUV格式的數(shù)字信號(hào)以幀為單位送到編碼卡上的DSP和內(nèi)存中。

　　★ICP（Image Coprocessor 圖象協(xié)處理器）處理模塊：YUV數(shù)據(jù)在DSP中加上OSD（字符時(shí)間疊加）和LOGO（位圖）等，復(fù)合后通過(guò)PCI總線送到顯存中，供視頻實(shí)時(shí)預(yù)覽用，還將復(fù)合后的數(shù)據(jù)送到編碼卡的內(nèi)存中，供編碼使用。
★ENCODER（編碼）模塊：將編碼卡內(nèi)存中的YUV數(shù)據(jù)送到MPEG4/H264編碼器中，產(chǎn)生壓縮好的碼流，送到主機(jī)內(nèi)存中，供錄像或網(wǎng)絡(luò)傳輸使用。

　　★MOTIONDETECT處理模塊：對(duì)編碼卡內(nèi)存中的以幀為單位YUV數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
目前，我們采用的是背景差分和時(shí)間差分相結(jié)合的一種幀差分的算法。通過(guò)計(jì)算兩個(gè)有一定時(shí)間間隔的幀的象素差分獲得場(chǎng)景變化。主要分以下幾個(gè)步驟：
1）設(shè)置運(yùn)動(dòng)檢測(cè)區(qū)域等參數(shù)：
　　用戶可以通過(guò)SDK中的函數(shù)，來(lái)設(shè)置1-99個(gè)有效的矩形，還可以設(shè)置快速和慢速兩種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)狀態(tài)。快速檢測(cè)是對(duì)每隔兩幀的兩幀數(shù)據(jù)進(jìn)行差分運(yùn)算，慢速檢測(cè)是指對(duì)相隔12幀以上的兩幀數(shù)據(jù)進(jìn)行差分運(yùn)算。

2）啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能：
　　因?yàn)榻?jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)的ITU 656 YUV 4:2:2格式，而人眼又是對(duì)亮度最敏感，為了簡(jiǎn)化算法，提高效率，直接對(duì)亮度（Y）值進(jìn)行處理。對(duì)于某個(gè)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)每個(gè)象素點(diǎn)（x,y），T時(shí)刻與T－n時(shí)刻亮度（Y）的差值為Mx,y(T)=||Yx,y(T) – Yx,y(T-n)||，IF ||Mx,y(T) – Mx,y(T-n)||≥Ta THEN L=TRUE，得到區(qū)域差分系數(shù)IMsum=ΣL。
 

　　實(shí)際決定是否報(bào)警，可由整個(gè)設(shè)置檢測(cè)區(qū)域的IMsum值來(lái)判斷。
 

　　報(bào)警 = 真, IF||ΣIMsum( ) ||≥Tb
　　假, ELSE
　　Ta,Tb為適當(dāng)閾值量。
　　

　　在CIF格式下，整個(gè)畫(huà)面的分辨率是352*288（PAL），按16*16像素宏塊大小來(lái)劃分整個(gè)檢測(cè)區(qū)域，宏塊內(nèi)的像素點(diǎn)是逐點(diǎn)從左到右，從上到下進(jìn)行差分運(yùn)算并得到宏塊差分系數(shù)。整個(gè)檢測(cè)區(qū)域又是按16*16的宏塊從左到右，從上到下進(jìn)行掃描，最后計(jì)算出整個(gè)區(qū)域的差分系數(shù)。

3）返回運(yùn)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果
　　如果整個(gè)區(qū)域的差分系數(shù)大于設(shè)定的閥值，置報(bào)警狀態(tài)并實(shí)時(shí)將每個(gè)檢測(cè)區(qū)域的宏塊差分系數(shù)都返回。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的快速和慢速兩種檢測(cè)狀態(tài)，對(duì)畫(huà)面進(jìn)行不間斷的分析處理，并返回結(jié)果，直到停止運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。

　　如果整個(gè)區(qū)域的差分系數(shù)小于設(shè)定的閥值，復(fù)位報(bào)警狀態(tài)。

　　這種基于幀差分算法的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)完全獨(dú)立于編碼，可以靈活的任意啟動(dòng)停止。實(shí)現(xiàn)“動(dòng)則錄，不動(dòng)則不錄”。配合其它接口函數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)預(yù)錄像功能，即通常狀態(tài)下只是進(jìn)行畫(huà)面預(yù)覽監(jiān)控和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，編碼后的數(shù)據(jù)不寫(xiě)入文件，只暫時(shí)寫(xiě)入一個(gè)FIFO緩沖區(qū)里，一旦發(fā)生運(yùn)動(dòng)檢測(cè)報(bào)警，可以先將報(bào)警之前緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件，然后再實(shí)時(shí)將編碼后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件，報(bào)警解除后，延時(shí)一段時(shí)間再停止寫(xiě)文件，轉(zhuǎn)入寫(xiě)緩沖區(qū)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)報(bào)警的全過(guò)程錄像。這樣既可以完整獲取整個(gè)報(bào)警事件的過(guò)程，又可以節(jié)約系統(tǒng)的資源，在相同的存儲(chǔ)空間下，可以大大延長(zhǎng)保存錄像的時(shí)間。

4、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)（移動(dòng)偵測(cè)）技術(shù)評(píng)估
　　要對(duì)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的性能進(jìn)行評(píng)估并不容易，特別是要進(jìn)行定量的分析時(shí)，必須提供一個(gè)供作比較、研究的標(biāo)準(zhǔn)視頻序列，它應(yīng)該包括突然場(chǎng)景變化，攝像機(jī)移動(dòng)以及光線明暗變換等特殊效果。檢測(cè)方案可用多種參數(shù)來(lái)評(píng)估，比如檢測(cè)成功率、檢測(cè)失敗率等等。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)閥值對(duì)室內(nèi)普通環(huán)境，室外環(huán)境獲得比較好的監(jiān)測(cè)效果。

　　還可根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)的方法分類，主要是對(duì)軟件和硬件兩大類實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行一些定性的分析。

　　采用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，不占用CPU，擁有較快的處理速度，因而可以采用一些較為復(fù)雜的算法以獲得更為準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果，并且有很好的實(shí)時(shí)性。譬如有些 攝像機(jī) 內(nèi)置VMD（Video Motion Detector視頻移動(dòng)探測(cè)器）電路可以當(dāng)報(bào)警探頭使用。檢測(cè)電路首先會(huì)將靜態(tài)圖像貯存起來(lái)，之后，如果發(fā)現(xiàn)畫(huà)面的變化量超過(guò)了預(yù)先設(shè)定的值，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以提醒安防人員或啟動(dòng)錄像機(jī)。然而硬件實(shí)現(xiàn)也意味著較高的成本，而且一旦系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能提出了更新更高的要求，那么原來(lái)的硬件系統(tǒng)只能棄而不用，必須采購(gòu)新的硬件，造成浪費(fèi)。

　　用軟件實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)功能，如果用主機(jī)的CPU來(lái)完成數(shù)值計(jì)算，算法不能太復(fù)雜，而且計(jì)算量不宜太大，否則會(huì)影響監(jiān)控系統(tǒng)其他功能（如顯示、錄像等）的實(shí)現(xiàn)。如果算法下載到DSP上運(yùn)行，就可以解決這個(gè)問(wèn)題，首先它的功能擴(kuò)充非常容易，算法的優(yōu)化不會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，可以生成新的微碼下載到DSP上，就可以提升性能，并且可以根據(jù)用戶不同的需求提供一些個(gè)性化的功能組合。

　　我們認(rèn)為，用DSP加軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能，是一種眼光更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的選擇，而且也是運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的必由之路。實(shí)際上我們?cè)赑hilips 的Trimedia1300芯片上完成MPEG4/H264 CIF/2CIF編碼加運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能，在TI的DM642芯片上完成了MPEG4/H264的4CIF/2CIF/CIF編碼加運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能。

參考文獻(xiàn)：
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