摘  要： 結(jié)合DM8168多核多通道的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集、實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)檢測、編解碼以及傳輸?shù)裙δ堋２捎肰iBe的目標(biāo)檢測算法，并利用中值濾波進(jìn)行改進(jìn)，解決了背景中容易出現(xiàn)Ghost區(qū)的問題，提高了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別能力。最后采用像素掃描標(biāo)記法實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法能在達(dá)芬奇平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)魯棒的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測和跟蹤。

　　關(guān)鍵詞： 智能監(jiān)控；目標(biāo)檢測；中值濾波；像素標(biāo)記法

0 引言

　　迅速發(fā)展的視頻監(jiān)控在日常生活中起著十分重要的作用，實(shí)時(shí)處理和智能化分析已經(jīng)成為視頻監(jiān)控發(fā)展的一種趨勢(shì)。當(dāng)前，TI公司推出的TMS320DM8168 Davinci平臺(tái)集成了多個(gè)處理器與高效的異構(gòu)多核和多通道軟件開發(fā)框架，極大地滿足了人們對(duì)高集成度、多功能視頻監(jiān)控的需求。本文綜合利用DM8168及其異構(gòu)多核視頻的開發(fā)套件DVRRDK，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了嵌入式平臺(tái)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測系統(tǒng)。

　　傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測方法[1]存在魯棒性較低，計(jì)算量較大且適應(yīng)復(fù)雜背景變化的問題。為了適應(yīng)嵌入式平臺(tái)的軟硬件系統(tǒng)，本文采用并改進(jìn)ViBe運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測算法，在運(yùn)動(dòng)檢測中能有效應(yīng)對(duì)光照變化和抖動(dòng)等影響，而且計(jì)算量非常小。最后，在檢測的基礎(chǔ)上利用像素掃描標(biāo)記方法[2-4]對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類，根據(jù)分類結(jié)果實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用TI DM8168評(píng)估板，由一塊負(fù)責(zé)視頻處理的母板和一塊主要負(fù)責(zé)輸入輸出的子板組成，系統(tǒng)高度集成了Cortex-A8主處理器、視頻處理子系統(tǒng)VPSS、C674x DSP、3D加速模塊等。視頻采集采用子板上的TVP5158芯片，采用Linux操作系統(tǒng)下的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，VPSS用來實(shí)現(xiàn)本地顯示。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括視頻采集、編碼、處理、網(wǎng)絡(luò)發(fā)送、傳輸、接收、解碼與播放等模塊，整體框架如圖1所示。

　　攝像頭將采集的模擬信號(hào)譯碼成數(shù)字視頻YUV格式后交給DM8168進(jìn)行處理，算法主要是在DSP上實(shí)現(xiàn)，在Video-M3協(xié)處理器上實(shí)現(xiàn)編解碼，本地回放與測試通過Vpss-M3實(shí)現(xiàn)，Cortex-A8核協(xié)調(diào)各處理器運(yùn)行，把處理后的視頻幀通過Linux下的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。

　　1.2 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

　　1.2.1 系統(tǒng)軟件框架

　　為了實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控的基本功能，系統(tǒng)采用DVRRDK開發(fā)套件，基于MCFW[5]軟件框架，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)主要由3個(gè)從處理器和1個(gè)主處理器構(gòu)成，主處理器為Cortex-A8，負(fù)責(zé)外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)、引導(dǎo)、加載各個(gè)從處理器等。3個(gè)從處理器分別負(fù)責(zé)視頻捕獲、播放、隔行轉(zhuǎn)逐行、視頻的編解碼、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測等各類視頻處理計(jì)算。本系統(tǒng)MCFW API包含4個(gè)子系統(tǒng)：視頻捕獲、視頻顯示、視頻編碼和視頻解碼子系統(tǒng)。各個(gè)子系統(tǒng)由若干Link API構(gòu)成，MCFW API通過其下層的Link API實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成視頻處理數(shù)據(jù)通路。

　　1.2.2 視頻處理數(shù)據(jù)通路

　　系統(tǒng)的VPSS-M3通過CaptureLink獲得一路視頻數(shù)據(jù)并傳給DSP，經(jīng)過DSP視頻算法的處理后進(jìn)行編碼，然后經(jīng)過DupLink復(fù)制出兩路視頻數(shù)據(jù)，一路進(jìn)行本地測試，一路傳給ARM HOST A8。

　　本系統(tǒng)使用CCS編寫TI標(biāo)準(zhǔn)的代碼，生成庫文件并加入到MCFW目錄中，以供調(diào)用。本文的運(yùn)動(dòng)檢測算法庫文件運(yùn)行在DSP上，算法接口實(shí)現(xiàn)于alg_link中。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測事件的觸發(fā)是用基于sys/link的支持在異構(gòu)多核之間傳遞消息的組件。

2 結(jié)合中值濾波的ViBe運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測算法

　　2.1 ViBe運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測算法

　　ViBe（Visual Background extractor）是VAN D M[6]等人提出一種像素級(jí)的背景減除算法。與傳統(tǒng)的GMM[7]等方法需要假設(shè)模型不同的是，ViBe建立的是樣本模型，采用隨機(jī)更新策略，計(jì)算量小，對(duì)于光照的變化和抖動(dòng)等其效果都十分穩(wěn)定。該算法過程主要包括：建立背景模型、前景檢測和模型更新。由于在第一幀中沒有包含像素的歷史信息，在初始建模時(shí)容易因存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和噪聲而產(chǎn)生Ghost現(xiàn)象。

　　針對(duì)上述提到的不足，本文結(jié)合中值濾波提出了改進(jìn)方法。在初始化模型的過程中，利用前L幀選取中間的K個(gè)像素值作為初始背景模型。實(shí)驗(yàn)效果如圖3所示，利用中值濾波能在建立背景模型時(shí)有效避免Ghost區(qū)的出現(xiàn)，同時(shí)過濾其他隨機(jī)噪聲。

　　2.2 基于改進(jìn)ViBe算法的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)檢測

　　（1）建立背景建模。利用中值濾波方法得到初始背景模型M0；然后對(duì)于當(dāng)前的第t幀建立背景模型，如圖4所示：設(shè)x點(diǎn)處的像素值為p（x），通過歷史t幀的選擇和更新結(jié)果建立其包含N個(gè)樣本的背景樣本集：

　　M（x）={p1，p2，…，pN}（1）

　?。?）前景檢測。SR（p（x））是以x為中心、R為半徑的球體區(qū)域，用球體SR（p（x））和背景模型M（x）的交集來衡量p（x）與M（x）的相似度：

　　Sim（x）={SR（p（x）∩{p1，p2，…，pN}）（2）

　　若Sim（x）大于閾值Th，則待分類點(diǎn)p（x）與背景模型相似，那么x點(diǎn)屬于背景點(diǎn)，否則為前景。

　?。?）背景模型更新。采用隨機(jī)更新粗略：在新的一幀中，當(dāng)像素點(diǎn)p（x）被判斷為背景點(diǎn)時(shí)，在N個(gè)樣本中選擇替換的樣本值時(shí)，一個(gè)樣本值在時(shí)刻t被更新的概率只有1/N，那么在經(jīng)過時(shí)間dt后，樣本值不被更新的概率是：

　　式（3）表明，當(dāng)前樣本值在背景模型中被替換的概率與當(dāng)前時(shí)間t無關(guān)。

　　（4）輸出。對(duì)每一幀設(shè)置一個(gè)前景點(diǎn)統(tǒng)計(jì)量F，當(dāng)F大于設(shè)定的閾值時(shí)就輸出當(dāng)前幀。

3 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤

　　本文在上述的檢測結(jié)果基礎(chǔ)上結(jié)合像素掃描標(biāo)記方法進(jìn)行實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤，使目標(biāo)檢測系統(tǒng)能應(yīng)用于實(shí)際的車流量統(tǒng)計(jì)、目標(biāo)軌跡提取等方面。具體方法如下：

　　（1）設(shè)當(dāng)前像素所屬的目標(biāo)類為Cxy；M為當(dāng)前矩形框的最小類別號(hào)；List={V1，V2，…}表示屬于同一個(gè)矩形框的類別號(hào)集合；set_List={L1，L2，...}表示所有List的集合。初始化所有像素和背景的類別號(hào)都為0。

　　（2）第一次掃描。將檢測得到的二值化圖像進(jìn)行掃描，檢查掃描框中像素的最小類別號(hào)，對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行標(biāo)記分類。分類方法如下：用V表示掃描過程中的所有分類標(biāo)記的類別數(shù)。如果像素值為1，則檢查該像素所在矩形框中所有像素的最小類別號(hào)M：

　　當(dāng)M為0時(shí)，如圖5（a）所示，將當(dāng)前像素標(biāo)記為新的類別號(hào)V+1，并將Cxy更新為V+1。

　　最小M不為0時(shí)，類似于圖5（b）所示的情況，將當(dāng)前像素標(biāo)記為M類，將Cxy更新為M。

　　（3）歸并。所有的List集合中至少有一個(gè)相同的類別號(hào)時(shí)，歸并為新集合并標(biāo)記新類別號(hào)。此時(shí)，這些相同標(biāo)記的點(diǎn)就是一個(gè)完整的目標(biāo)所在區(qū)域。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

　　4.1 算法仿真實(shí)驗(yàn)

　　為了驗(yàn)證算法的有效性，首先在4 GB內(nèi)存、主頻3.2 GHz的PC平臺(tái)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并與參考文獻(xiàn)[7]、[8]幾種經(jīng)典的背景建模方法進(jìn)行比較，最終得到表1所示的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表1可以看到，在仿真實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)的ViBe目標(biāo)檢測算法的時(shí)間比幾種傳統(tǒng)的背景建模要更快速。

　　4.2 TI DM8168平臺(tái)上的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測實(shí)驗(yàn)

　　基于TI DM8168 EVM平臺(tái)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測實(shí)驗(yàn)，在移植過程中，為了降低DSP的運(yùn)算量，本文將一些浮點(diǎn)運(yùn)算改為定點(diǎn)計(jì)算，減少了循環(huán)中的復(fù)雜運(yùn)算。如圖6、圖7所示，改進(jìn)的ViBe算法能在嵌入式平臺(tái)中克服背景抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)魯棒的目標(biāo)檢測；采用像素標(biāo)記法能夠準(zhǔn)確掃描并跟蹤目標(biāo)。

5 結(jié)論

　　設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于DM8168的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，利用中值濾波方法解決了ViBe算法中容易出現(xiàn)Ghost的問題；然后結(jié)合像素標(biāo)記方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類并實(shí)現(xiàn)跟蹤；最后，通過將該算法融合到TI的視頻監(jiān)控軟件框架中，實(shí)現(xiàn)了嵌入式平臺(tái)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，本文提出的方案還可以應(yīng)用于安防報(bào)警、數(shù)量統(tǒng)計(jì)等系統(tǒng)的應(yīng)用中。

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