石 慶 福

(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 體育學(xué)院，鄭州 450002)

0 引 言

視頻一詞源自于電視廣播，它由一系列連續(xù)的靜止圖像組成，內(nèi)容包括感知特征、結(jié)構(gòu)信息和語義信息3方面。近幾年來，隨著體育運(yùn)動的普及和盛行，體育視頻轉(zhuǎn)播有著大量需求，僅NBA每年的比賽轉(zhuǎn)播就達(dá)到2 000余場次，因此體育視頻分析有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。視頻中的語義分析是視頻分析中比較重要的一項(xiàng)，經(jīng)過多年來的努力，底層特征處理的系統(tǒng)和處理方法有了很大進(jìn)步，但高層語義分析和理解仍然有很多亟待解決的問題，如：語義事件相互間關(guān)系研究的缺乏、多模式融合有效分析方法的缺乏和體育視頻統(tǒng)一分析框架的缺乏。因此多模式信息融合技術(shù)近年來受到越來越多的關(guān)注，在體育視頻分析領(lǐng)域占據(jù)越來越重要的位置[3]。在目前的多模式分析中，孤立事件成為主要考慮對象，通過分析各個孤立事件之間的邏輯關(guān)系或因果關(guān)系，有助于建立模型進(jìn)行分析。這種模型的建立需要結(jié)合多模式融合的理論，而目前的模式融合有特征和決策2種形式的融合。不同形式的途徑分別為：多特征空間共同進(jìn)行特征融合，獲取最終特征，進(jìn)行特征到?jīng)Q策的轉(zhuǎn)換，得到最終結(jié)果；或多特征空間首先分別進(jìn)行特征到?jīng)Q策的轉(zhuǎn)換，生成不同空間決策，再將不同決策共同進(jìn)行決策融合，得到最終決策。

特征融合被稱為前期融合，在融合后會產(chǎn)生高維向量，由于目前計(jì)算技術(shù)的限制，融合后的向量需要降維，然而目前這種降維方法仍有爭議[4]；決策融合被稱為后期融合，在視頻分析中比較常見，由于處理中有一個中間決策的過程，利用祁佳[5]所提出的概率推理融合不同模式線索的方法，將不同模式信息在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)了融合。該項(xiàng)技術(shù)曾成功應(yīng)用于F1賽車比賽轉(zhuǎn)播中的精彩視頻片段提取。

本文基于貝葉斯動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，提出了針對多媒體視頻的多模式融合分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了將多模式信息和事件上下文約束關(guān)系的融合處理分析。在貝葉斯動態(tài)網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)上，用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示事件的上下文關(guān)系,建立多模式之間交互關(guān)系。在此框架的基礎(chǔ)上，成功設(shè)計(jì)了FHHMM、CHHMM和PHHMM 3種統(tǒng)計(jì)模型，并通過體育賽事視頻對該技術(shù)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 多模式融合語義分析框架的建立

不同模式的分析和不同層次的約束關(guān)系是多媒體視頻語義分析中的關(guān)鍵，文中基于貝葉斯動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)造性地提出了多層次多模式分析框架，并設(shè)計(jì)了析因?qū)哟坞[馬爾科夫模型(Factorial Hierarchical Hidden Markov Model, FHHMM)、耦合層次隱馬爾科夫模型(Coupling Hierarchical Hidden Markov Model, CHHMM)和乘積層次隱馬爾科夫模型(Product Hierarchical Hidden Markov Model, PHHMM)3種模式，下面首先將給出3種模式的表示形式，然后討論其學(xué)習(xí)和推理的算法。

1.1 模型表示

圖1 3層HHMM的DBN結(jié)構(gòu)

圖1中的相關(guān)概率分布表示為3層：

(1) 最上層概率分布。

(1)

(2)

(2) 中間層概率分布。

(3)

(4)

(5)

(3) 最下層概率分布。

(6)

(7)

(8)

(9)

Xie等[7-8]采用HHMM發(fā)現(xiàn)體育視頻內(nèi)容的結(jié)構(gòu)，將一個事件作為一個HHMM過程，然后將各獨(dú)立事件之間通過馬爾科夫鏈將關(guān)系聯(lián)系在一起；Garg等[9-10]采用多層模型來訓(xùn)練和識別這些具有層次關(guān)系的事件；但這兩者在多模式融合方面基本沒有建樹，只是想當(dāng)然地認(rèn)為所觀測到的數(shù)據(jù)源于同一模式。

多模式融合在語音識別領(lǐng)域首次被嘗試，而后得到重視，接著在貝葉斯動態(tài)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上演化而來的被稱作耦合隱馬爾科夫模型得到大范圍的應(yīng)用[11]。以這種思路為參考，在HHMM模型的基礎(chǔ)上提出了如圖2所示的FHHMM、CHHMM、PHHMM 3種多模式融合貝葉斯動態(tài)模型。動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種相同結(jié)構(gòu)延時間軸展開的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)仍然是一種貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，這種周期性結(jié)構(gòu)更加適合對時間信號的處理。圖中方框表示狀態(tài)變量，圓圈表示來自兩個不同模式的觀測變量。與傳統(tǒng)的HHMM相比，由于這些模型的變量依然保持層次分布狀態(tài)，故這些策略傳承了HHMM層次結(jié)構(gòu)處理的好處。

(a) FHHMM模型

(b) CHHMM模型

(c) PHHMM模型

除此之外，它們還具有兩個優(yōu)點(diǎn)：① 由于保持了層次結(jié)構(gòu)，避免了融合多個模式時導(dǎo)致高維向量的處理；② 不同模式的箭頭表示，可以將多種模式信息的相互關(guān)系展示出來。

在實(shí)際應(yīng)用中，動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)常用來表示一些時間系統(tǒng)的行為，其中節(jié)點(diǎn)被分成兩部分：上層節(jié)點(diǎn)表示系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，通常是隱藏的；下層節(jié)點(diǎn)表示系統(tǒng)的外部觀測，通常是可以測量到的。常用于時間系統(tǒng)建模的隱馬爾科夫模型(Hidden Markov Model，HMM)和卡爾曼濾波模型(Kalman Filter Model，KFM)都可以看作是動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的特例。HMM 表示為具有離散狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的 DBN，而 KFM 表示為具有連續(xù)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)和觀測節(jié)點(diǎn)的DBN。

圖2(a)中FHHMM對傳統(tǒng)的HHMM進(jìn)行了擴(kuò)展，把最下面的狀態(tài)節(jié)點(diǎn)分解成了一系列因子，表示為：

(10)

(11)

(12)

(13)

CHHMM的多模式融合更加復(fù)雜，其底層的節(jié)點(diǎn)關(guān)系為：

(14)

(15)

(16)

(17)

PHHMM的底層概率定義為：

(18)

(19)

(20)

(21)

PHHMM的優(yōu)勢在于允許多狀態(tài)異步性的存在，底層節(jié)點(diǎn)能夠由多模式任意組合。

1.2 學(xué)習(xí)和推理

在標(biāo)記好的樣本中估計(jì)模型的參數(shù)叫做學(xué)習(xí)，在已有觀測序列的基礎(chǔ)上，求取概率最大情況下的狀態(tài)序列被稱為推理[12]，先研究推理的問題，首先需要把多層次的貝葉斯動態(tài)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成馬爾科夫模型，采用Viterbi方法求取結(jié)果[13]。當(dāng)然，也可以基于貝葉斯Junction Tree方法來推理。使用Viterbi算法后，轉(zhuǎn)換后的馬爾科夫模型為：

(22)

(23)

b(Xt|i)=N(Xt,μiD,σiD)

(24)

馬爾科夫模型的狀態(tài)總數(shù)為N=i1,i2,…,iD。

基于結(jié)構(gòu)已知的模型，采用EM算法來訓(xùn)練模型[14]。EM算法的一般分為估計(jì)步驟和修改步驟。計(jì)算中EM算法容易出現(xiàn)局部最大值的問題，因此，將K均值與Viterbi算法相結(jié)合提出了一種效果很好的初始化算法：首先，采用K均值對所有模式的觀測特征聚類，作為每個模式各自的初始劃元，接著對各節(jié)點(diǎn)的概率進(jìn)行估計(jì)，然后，依據(jù)估計(jì)的參數(shù)，運(yùn)用Viterbi算法劃分最優(yōu)狀態(tài)，接著參考新的劃分，來確定新的估計(jì)參數(shù)，將上述操作重復(fù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)概率不再變大就可以停止。

2 實(shí)驗(yàn)檢測與結(jié)果

為了驗(yàn)證DBN模型的實(shí)用性，以足球視頻為例，采用上述模型對體育視頻中的中斷事件和進(jìn)行事件進(jìn)行分析。首先對視頻提取特征數(shù)據(jù)，提取的幀圖像特征包括：場地面積、圖像中運(yùn)動員占據(jù)的面積大小，禁區(qū)和中場4種描述符，通過這些特征對足球視頻中的基本場景進(jìn)行區(qū)分。場地面積通過場地顏色范圍內(nèi)的像素?cái)?shù)目與圖像總像素?cái)?shù)目做比值可以得到，主色提取算法過程如下：

(1) 將從視頻中間部分隨機(jī)選取的K幀圖像放入緩存隊(duì)列。

(2) 將緩存圖像的顏色空間由RGB空間轉(zhuǎn)換到HSV空間，然后選取H分量計(jì)算它們的直方圖h(i)。設(shè)i為像素最多的H色度，初始的主色范圍為[i-r,i+r]，其中r為主色半徑。

(3) 在初始的主色區(qū)間上，首先計(jì)算主色區(qū)間均值m，然后重新設(shè)定主色區(qū)間為[m-r,m+r]，重復(fù)上述過程直到主色區(qū)間不再變化，或迭代次數(shù)超過閾值為止。

考慮到比賽是動態(tài)過程，主色會根據(jù)時間發(fā)生變化，因此在記錄中把處于主色范圍的像素?cái)?shù)目超過一半的幀加入緩存隊(duì)列，同時拋棄較早的一幀，當(dāng)更新的幀數(shù)超過K/2，則重復(fù)以上步驟重新計(jì)算主色空間。

運(yùn)用主色提取算法，首先基于主色來區(qū)分顏色特征，用主色表示場地的出現(xiàn)，將主色二值化便得到了圖3(b)的二值圖。

(a) 原始圖像

(b) 二值圖像

本次實(shí)驗(yàn)為了達(dá)成兩個目的:① 檢測能否實(shí)現(xiàn)多模式的融合;② 通過與傳統(tǒng)HHMM模型比較，看本文模型的性能如何。為了實(shí)現(xiàn)第1個目的，先實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的HHMM的系統(tǒng)，并以此作為基準(zhǔn)，在操作時，用來訓(xùn)練的對象只有顏色這一項(xiàng)，接著用來訓(xùn)練的只有運(yùn)動這一項(xiàng)。針對第2個目的，先實(shí)現(xiàn)了特征融合的系統(tǒng)，并以此作為參考，與上述系統(tǒng)不同的是，將運(yùn)動特征和顏色特征結(jié)合在一起作為觀測輸入的對象。與基于傳統(tǒng)模型不同的是，本文的3種模型對各模式各自組建了觀測概率與基元。而模型性能會受不同的基元所對應(yīng)的狀態(tài)數(shù)的影響，因此最終結(jié)果取的是各模型的最好結(jié)果。

采用20幾～10幾min的視頻作為本次實(shí)驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)集，選擇的格式是MPEG-1，尺寸為352×288，幀率為25幀/s，每隔0.5 s提取1次運(yùn)動特征和顏色。然后先對模型訓(xùn)練，接著再評價，主要選用交叉交驗(yàn)的方法。每次實(shí)驗(yàn)選擇90%的數(shù)據(jù)來訓(xùn)練，其余的用來測試。上述操作重復(fù)次數(shù)為10次以上，當(dāng)全部的數(shù)據(jù)都經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)方可停止。

為了對分析結(jié)果有一個整體的衡量，運(yùn)用常用的查全率R、查準(zhǔn)率A以及它們的調(diào)和平均值F-value來評價。

查全率

查準(zhǔn)率

調(diào)和平均值

F-value=2RP/(R+A)

基于幀和基于片段來評價不同模型分析得到的結(jié)果分別見表1、2。

表1 基于幀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

表2 基于片段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %

由表1可知，準(zhǔn)確率最高的是PHHMM；相對比之下，F(xiàn)HHMM、CHHMM以及PHHMM模型的準(zhǔn)確率比使用特征融合的HHMM模型效果好。由表2可見，HHMM、FHHMM以及CHHMM 3種模型的查準(zhǔn)率均在70%以下甚至更低，即都表現(xiàn)出了較低的查準(zhǔn)率和較高的查全率，這是因?yàn)檫@3種模式的結(jié)果出現(xiàn)了過度分割。根據(jù)本文的評價算法，只有第1個事件被認(rèn)為是準(zhǔn)確的，因此查準(zhǔn)率比較小，而過度分割是由模型在全局間關(guān)系約束不強(qiáng)、過度關(guān)注局部的變化造成的。不同的是，剛開始的實(shí)驗(yàn)中PHHMM的效果不錯，沒有發(fā)生這種狀況[16]。綜合上述，PHHMM不但能夠滿足上下文的多層約束關(guān)系，而且可以有效利用各模式間動態(tài)交互。是一種應(yīng)用性很好的模型。

3 結(jié) 語

多媒體視頻中的語義事件的本質(zhì)是一個多模式的表達(dá)，融合視頻中運(yùn)動信息、音頻信息和文本信息有助于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的分析，在前人基礎(chǔ)上，基于貝葉斯動態(tài)網(wǎng)絡(luò)提出了多模式的多媒體視頻分析，實(shí)現(xiàn)了將多模式信息和事件上下文約束關(guān)系的融合處理分析。在貝葉斯動態(tài)網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)上，首先用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示事件的上下文關(guān)系；接著，建立了多種模式之間的連接關(guān)系，以此為基礎(chǔ)，成功提出了PHHMM模型，以足球視頻為例，并通過對其比賽視頻中的進(jìn)行/中斷事件的實(shí)驗(yàn)測試及與傳統(tǒng)HHMM方法的對比，證明了本文提出的模型在多模式的信息與多層次間的約束關(guān)系之間做了很好的平衡，性能得到很大的提高。