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        基于改進(jìn)三幀差法的微小目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡檢測方法研究

        2019-06-22 02:45:52孫清濤趙欣悅張曉萌
        裝備制造技術(shù) 2019年3期
        關(guān)鍵詞:差分法差分閾值

        孫清濤,趙欣悅,張曉萌

        (沈陽理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,遼寧 沈陽110159)

        0 引言

        激光廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量和軍事目標(biāo)的準(zhǔn)確對(duì)抗。在激光應(yīng)用領(lǐng)域,激光點(diǎn)檢測和跟蹤技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。激光光斑作為沒有明顯特征和紋理的點(diǎn)通常被淹沒在復(fù)雜的背景中并且難以檢測。因此,跟蹤和檢測這種小目標(biāo)的激光點(diǎn)被認(rèn)為是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

        近年來,檢測激光點(diǎn)類型的微小目標(biāo)的方法的主要有光流法[1-3]、幀間差分法[4]和背景差分法[5,6]。但是光流法不能定位運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輪廓,需要使用其他算法來定位目標(biāo)。這將使計(jì)算任務(wù)對(duì)于具有大量計(jì)算的光流方法更加沉重[7]。背景差分法計(jì)算量很大,通常需要2~3個(gè)小時(shí)才能更新背景,無法實(shí)時(shí)更新。幀差分方法具有計(jì)算量小,實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),常用于檢測物體。但是,兩幀差分法檢測激光點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生很多噪聲。

        因此,本文提出了一種將三幀差分[8]方法與顏色閾值分割相結(jié)合的新算法。利用三幀差分法檢測運(yùn)動(dòng)激光點(diǎn)可以有效降低噪聲,然后在HSV(Hue,Saturation,Value)顏色空間中使用顏色閾值分割方法。通過干涉檢測到的其他移動(dòng)物體被移除以獲得激光軌跡的連續(xù)和完整坐標(biāo)。實(shí)踐證明,該算法對(duì)快速移動(dòng)激光點(diǎn)的檢測效果非常好,完全滿足工業(yè)等行業(yè)的要求。利用了Visual Studio軟件平臺(tái)中的OpenCV實(shí)現(xiàn)。

        1 改進(jìn)的三幀差法

        針對(duì)幀間差分中目標(biāo)快速運(yùn)動(dòng)時(shí)的誤檢測目標(biāo)區(qū)域的空洞問題,在對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理之后,使用改進(jìn)的幀差異即三幀差異來檢測移動(dòng)目標(biāo)。對(duì)于攝像機(jī)靜止時(shí)拍攝的視頻序列,對(duì)第一個(gè)k幀和k-1幀圖像進(jìn)行平滑處理,然后使用幀間差分的方法進(jìn)行幀減法。從第k幀圖像中減去k-1幀圖像以獲得二值圖像。公式表示為:

        其中,T是預(yù)設(shè)閾值,可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇。如果T選擇得太大,那么目標(biāo)的檢測可能是一個(gè)較大的空洞甚至是漏檢,如果T選擇太小,會(huì)有很多噪聲。然而,由幀間差分法檢測的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)包含兩幀中的運(yùn)動(dòng)信息,從而檢測到更多目標(biāo)點(diǎn)。為了改善幀差分方法的不足,提出了三幀差分方法。

        三幀差分方法首先平滑圖像的三個(gè)連續(xù)幀,然后分別執(zhí)行幀差分處理。從k幀圖像中減去k-1幀圖像以獲得二值圖像D1(x,y)從第k圖像中減去第k圖像以獲得二值圖像D2(x,y)。最后,AND操作的結(jié)果是 D1(x,y)和 D2(x,y)圖像 D(x,y),公式表示為:

        2 實(shí)驗(yàn)方法

        將室內(nèi)激光點(diǎn)檢測作為微小目標(biāo),在不同環(huán)境背景和速度情況下進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)。其中算法實(shí)現(xiàn)流程如下:

        (1)通過攝像頭采集紅外激光筆射出的激光在不同環(huán)境背景和不同速度情況下的激光點(diǎn)視頻圖像。

        (2)將采集到的視頻圖像應(yīng)用均值濾波器進(jìn)行預(yù)處理,去除圖像采集過程中的環(huán)境噪聲。均值濾波方法是:對(duì)待處理的當(dāng)前像素,選擇一個(gè)模板,該模板為其鄰近的若干個(gè)像素組成,用模板的均值來替代原像素的值的方法。因此可以幫助消除圖像尖銳噪聲。

        (3)應(yīng)用改進(jìn)的三幀差分法進(jìn)行激光點(diǎn)的粗檢測和運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。

        (4)將檢測到的激光點(diǎn)以1.5倍分辨率進(jìn)行目標(biāo)選定。從RGB(Red、Green、Blue)顏色空間轉(zhuǎn)換到HSV顏色空間,進(jìn)行目標(biāo)的精確識(shí)別。

        應(yīng)該注意的是,通常的三幀差法每三幀處理一次,但這將失去視頻中三分之一的信息。在本文中,使用移動(dòng)窗口來讀取三幀視頻,每次讀取窗口后向下移動(dòng)一幀。視頻信息不會(huì)因此而丟失,如圖1所示。

        圖1 三幀差分方法

        在三幀差分方法得到二值化圖像后,使用邊緣檢測和輪廓檢測來定位動(dòng)態(tài)目標(biāo)。由于檢測目標(biāo)是小型目標(biāo),因此對(duì)識(shí)別的輪廓畫出最小外接圓,用圓心坐標(biāo)代替目標(biāo)的位置,半徑代替目標(biāo)的大小。

        在確定動(dòng)態(tài)目標(biāo)的位置后,在原始圖像的對(duì)應(yīng)位置對(duì)檢測到的目標(biāo)進(jìn)行顏色識(shí)別。在HSV顏色空間中確定每一個(gè)目標(biāo)的顏色、飽和度、明度,濾除掉不符合要求的目標(biāo)。最后留下的就是所需檢測到的目標(biāo)。

        3 仿真分析

        本實(shí)驗(yàn)分別比較了HSV顏色空間中使用顏色(H)、明度(V)、顏色與明度組合(H&V)三種閾值模式下的不同去噪效果。由于在該實(shí)驗(yàn)中噪聲的飽和度和測試對(duì)象的飽和度(S)沒有顯著差異,因此該實(shí)驗(yàn)不測試飽和度。

        在強(qiáng)光和弱光條件下,在兩組實(shí)驗(yàn)視頻中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每組包含一個(gè)只有激光點(diǎn)的視頻和一個(gè)只有噪音的視頻如圖2、圖3。改變限制目標(biāo)的閾值范圍,運(yùn)行算法的過程中用計(jì)數(shù)器記錄可識(shí)別到的總數(shù)(N總)和可濾除的噪點(diǎn)數(shù)(n濾除或n未識(shí)別)。并進(jìn)行統(tǒng)計(jì),該范圍下算出:

        計(jì)算結(jié)果如表1~表4所示。

        圖2 噪音視頻(圖中綠色點(diǎn))

        表1 H-閾值模式檢測效果

        表2 V閾值模式檢測效果

        表3 黑暗環(huán)境中的H&V閾值模式檢測效果

        表4 明亮環(huán)境中的H&V閾值模式檢測效果

        從上表可以看出:

        1)與Hue和Value的綜合利用相比,只有Hue值用于去噪,去噪能力和識(shí)別率都略有下降。這可能是由于少量噪聲在有限的顏色范圍內(nèi)。

        2)當(dāng)僅使用Value值時(shí),雖然識(shí)別率會(huì)相對(duì)增加,但噪聲會(huì)顯著增加,尤其是在明亮的環(huán)境中。這是因?yàn)閮H使用Value值不會(huì)消除高光噪聲

        3)隨著閾值的不斷提高,雖然識(shí)別率會(huì)繼續(xù)上升,但去噪能力也會(huì)明顯降低,達(dá)到一定限度后,噪音會(huì)明顯增加。同樣,如果不斷縮小閾值并達(dá)到某個(gè)閾值,識(shí)別率將急劇下降。經(jīng)過上述數(shù)據(jù)表明,亮度和顏色的共同區(qū)別將使最佳的噪聲去除效果幾乎不影響識(shí)別目標(biāo)的需要。

        4 結(jié)束語

        本文采用一種新的識(shí)別小物體的方法,即采用改進(jìn)的三幀差分法檢測運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。在確定目標(biāo)位置之后,使用顏色識(shí)別來消除干擾。在一定程度上,該方法解決了三幀差分方法無法區(qū)分被檢測物體是否為被測目標(biāo)的問題。該算法的特點(diǎn)是計(jì)算量小,應(yīng)用范圍廣泛。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文算法具有很強(qiáng)的適用性。

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