運(yùn)動(dòng)偵測

目錄
·什么是運(yùn)動(dòng)偵測
·運(yùn)動(dòng)偵測原理
·實(shí)際應(yīng)用
·實(shí)現(xiàn)方法
·工作原理





什么是運(yùn)動(dòng)偵測

運(yùn)動(dòng)偵測，英文翻譯為“Motion detection technology”，一般也叫移動(dòng)檢測，常用于無人值守監(jiān)控錄像和自動(dòng)報(bào)警。通過攝像頭按照不同幀率采集得到的圖像會(huì)被CPU按照一定算法進(jìn)行計(jì)算和比較，當(dāng)畫面有變化時(shí)，如有人走過，鏡頭被移動(dòng)，計(jì)算比較結(jié)果得出的數(shù)字會(huì)超過閾值并指示系統(tǒng)能自動(dòng)作出相應(yīng)的處理。移動(dòng)偵測技術(shù)是運(yùn)動(dòng)檢測錄像技術(shù)的基礎(chǔ)，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛使用于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、汽車監(jiān)控鎖、數(shù)字寶護(hù)神、嬰兒監(jiān)視器、自動(dòng)取樣儀、自識別門禁等眾多安防儀器和設(shè)施上。常見的移動(dòng)偵測系統(tǒng)還允許使用者可以自由設(shè)置布防撤防時(shí)間、偵測的靈敏度、探測區(qū)域。當(dāng)觸發(fā)時(shí)應(yīng)可聯(lián)動(dòng)錄像、聯(lián)動(dòng)報(bào)警輸出、聯(lián)動(dòng)攝像機(jī)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的預(yù)置位。


運(yùn)動(dòng)偵測原理

運(yùn)動(dòng)偵測允許在指定區(qū)域能識別圖像的變化，檢測運(yùn)動(dòng)物體的存在并避免由光線變化帶來的干擾。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，還要考慮運(yùn)動(dòng)區(qū)域的有效分割對于目標(biāo)分類、跟蹤等后期處理是非常重要的，因?yàn)橐院蟮奶幚磉^程僅僅考慮圖像中對應(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)檢測成為一項(xiàng)相當(dāng)困難的工作。
早期的運(yùn)動(dòng)檢測如MPEG1是對編碼后產(chǎn)生的I幀進(jìn)行比較分析，通過視頻幀的比較來檢測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，對比原有的圖像肯定存在誤報(bào)和不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。




實(shí)際應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)偵測可以降低公共機(jī)構(gòu)和企業(yè)場所的人工監(jiān)控成本，并且避免人員長期值守疲勞導(dǎo)致的監(jiān)察失誤，可以極大地提高監(jiān)控效率和監(jiān)控精度。主要被用于以下場合
1、遠(yuǎn)程無線嬰幼兒監(jiān)護(hù)
2、家庭、企業(yè)、銀行、碼頭、倉庫防盜
3、設(shè)備智能啟動(dòng)、自動(dòng)觸發(fā)門禁
4、交通、鐵路等違規(guī)拍攝和記錄
5、教學(xué)取樣、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)無人值守采集
6、保育、醫(yī)療、養(yǎng)老等護(hù)理機(jī)構(gòu)和場所的監(jiān)控報(bào)警


實(shí)現(xiàn)方法

（一）背景減除法（Background Subtraction ）
背景減除方法是目前運(yùn)動(dòng)檢測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檢測出運(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)，但對于動(dòng)態(tài)場景的變化，如光照和外來無關(guān)事件的干擾等特別敏感。最簡單的背景模型是時(shí)間平均圖像，大部分的研究人員目前都致力于開發(fā)不同的背景模型，以期減少動(dòng)態(tài)場景變化對于運(yùn)動(dòng)分割的影響。


（二）時(shí)間差分法（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)檢測方法對于動(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。


（三）光流法（Optical Flow）
基于光流方法的運(yùn)動(dòng)檢測采用了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)隨時(shí)間變化的光流特性，如Meyer[2] 等通過計(jì)算位移向量光流場來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。

此外，在運(yùn)動(dòng)檢測中還有一些其他的方法，運(yùn)動(dòng)向量檢測法，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)對象更加突出的顯示出來，但運(yùn)動(dòng)向量檢測法也不能精確地分割出對象。


工作原理

（一）主要模塊
1、信號輸入處理模塊：標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號（CVBS彩色或黑白）是亮度信號和色度信號通過頻普間置疊加在一起，需經(jīng)過A/D芯片（如philips7113）的解碼，將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的ITU 656 YUV格式的數(shù)字信號以幀為單位送到編碼卡上的DSP和內(nèi)存中。
2、CP（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。
3、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。
4、MOTIONDETECT處理模塊：對編碼卡內(nèi)存中的以幀為單位YUV數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（二）實(shí)現(xiàn)步驟
1、設(shè)置運(yùn)動(dòng)檢測區(qū)域等參數(shù)：
用戶可以通過SDK中的函數(shù)，來設(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)檢測狀態(tài)�？焖贆z測是對每隔兩幀的兩幀數(shù)據(jù)進(jìn)行差分運(yùn)算，慢速檢測是指對相隔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)檢測功能：
因?yàn)榻?jīng)過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，而人眼又是對亮度最敏感，為了簡化算法，提高效率，直接對亮度（Y）值進(jìn)行處理。對于某個(gè)檢測區(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)置檢測區(qū)域的IMsum值來判斷。
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)畫面的分辨率是352*288（PAL），按16*16像素宏塊大小來劃分整個(gè)檢測區(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狀態(tài)，對畫面進(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。
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)行畫面預(yù)覽監(jiān)控和運(yùn)動(dòng)檢測，編碼后的數(shù)據(jù)不寫入文件，只暫時(shí)寫入一個(gè)FIFO緩沖區(qū)里，一旦發(fā)生運(yùn)動(dòng)檢測報(bào)警，可以先將報(bào)警之前緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入文件，然后再實(shí)時(shí)將編碼后的數(shù)據(jù)寫入文件，報(bào)警解除后，延時(shí)一段時(shí)間再停止寫文件，轉(zhuǎn)入寫緩沖區(qū)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)檢測報(bào)警的全過程錄像。這樣既可以完整獲取整個(gè)報(bào)警事件的過程，又可以節(jié)約系統(tǒng)的資源，在相同的存儲(chǔ)空間下，可以大大延長保存錄像的時(shí)間。



移動(dòng)偵測評估
要對運(yùn)動(dòng)檢測技術(shù)的性能進(jìn)行評估并不容易，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。檢測方案可用多種參數(shù)來評估，比如檢測成功率、檢測失敗率等等。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，可以通過調(diào)節(jié)閥值對室內(nèi)普通環(huán)境，室外環(huán)境獲得比較好的監(jiān)測效果。
還可根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)的方法分類，主要是對軟件和硬件兩大類實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行一些定性的分析。


（一）硬件評估
采用硬件來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能，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)測結(jié)果，并且有很好的實(shí)時(shí)性。譬如數(shù)字寶護(hù)神、無線嬰兒監(jiān)視器等監(jiān)控設(shè)備會(huì)通過內(nèi)置VMD（Video Motion Detector視頻移動(dòng)探測器）電路可以當(dāng)報(bào)警探頭使用。檢測電路首先會(huì)將靜態(tài)圖像貯存起來，之后，如果發(fā)現(xiàn)畫面的變化量超過了預(yù)先設(shè)定的值，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號，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)對動(dòng)態(tài)監(jiān)測功能提出了更新更高的要求，那么原來的硬件系統(tǒng)只能棄而不用，必須采購新的硬件，造成浪費(fèi)。


（二）軟件評估
用軟件實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測功能，如果用主機(jī)的CPU來完成數(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。

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