基于圖像處理的鐵路沿線(xiàn)視頻監控算法設計

0 引 言

近些年來(lái)，在很多涉及生命財產(chǎn)安全的行業(yè)中，安全監控越來(lái)越引起人們的重視。鐵路行業(yè)的安全監控一直以來(lái)是鐵道部和國家關(guān)注的重點(diǎn)項目，隨著(zhù)我國火車(chē)的不斷提速，安全問(wèn)題不容忽視，如何保證行車(chē)安全和行人安全直接關(guān)系到整個(gè)鐵路行業(yè)的發(fā)展。

本文設計的鐵路沿線(xiàn)視頻監控方法是通過(guò)一種基于視頻圖像處理實(shí)現對于行人穿越鐵路線(xiàn)的監控。當被監視區域中出現目標后可以自動(dòng)報警并且存儲相應的故障照片，為事后的工作提供可靠的依據。算法設計的最大特點(diǎn)是提出一種以圖像處理為核心的安全監控設計，通過(guò)圖像處理可以自動(dòng)判斷有無(wú)危險情況發(fā)生并自動(dòng)報警，特別是在監控人員不在時(shí)能夠發(fā)揮很大的作用。

1視頻監控系統中背景的提取

背景圖像是指視場(chǎng)中沒(méi)有運動(dòng)目標的圖像，即使視場(chǎng)內有運動(dòng)目標，背景算法也通過(guò)技術(shù)處理除去目標而獲得沒(méi)有運動(dòng)目標的背景圖像。目前常規的背景提取的方法有統計直方圖法、統計中值法、多幀圖像平均法和連續幀差法等。

以上四種方法分別有各自的缺點(diǎn)。統計直方圖法存在的問(wèn)題是隨著(zhù)統計幀數的增加，得到的背景圖像效果并不明顯；統計中值法存在的問(wèn)題與統計直方圖法也相差無(wú)幾，此外該算法實(shí)現時(shí)計算量較大，占用計算機內存較大，處理較慢；多幀圖像平均法得到背景圖像受目標運動(dòng)量的影響比較大，隨著(zhù)平均幀數的增加，噪聲消除才會(huì )有所改善；連續幀差法靜止的背景圖像不能直接獲得，其關(guān)鍵是如何在有目標運動(dòng)的情況下獲得良好的背景圖像，由于該算法并沒(méi)有對幀差分本身進(jìn)一步處理，存在的問(wèn)題是易把紋理相似的前景交疊區域誤認為背景。

綜合考慮以上四種背景提取方法，本文采用結合多幀圖像平均法和連續幀差法這兩種方法來(lái)進(jìn)行視頻序列背景的提取?？紤]到運動(dòng)目標的多樣性，有目標經(jīng)過(guò)視場(chǎng)而引起的變化長(cháng)時(shí)間內可忽略不計。多幀圖像平均法時(shí)將運動(dòng)目標看作為噪聲，用累加平均的方法消除噪聲，利用目標運行一段時(shí)間的序列圖像進(jìn)行平均而得到視場(chǎng)背景圖像。連續幀差算法是通過(guò)當前幀的圖像與前一幀圖像的差值找到運動(dòng)區域，對運動(dòng)區域的背景保持不變，而非運動(dòng)區域的背景則用當前幀進(jìn)行更新，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的迭代便可提取出背景。兩種方法的結合可以很好地彌補各自的缺點(diǎn)，能夠適應鐵路沿線(xiàn)周邊環(huán)境的要求，對存在運動(dòng)目標的背景能夠提取出質(zhì)量較高的背景圖像。具體過(guò)程如下：

只考慮三幀的情況下，首先從視頻序列中隨便提取三幀，如圖1(a)～圖1(c)所示。然后對提取出來(lái)的三幀圖像分別轉換為灰度圖并求出它們的灰度平均圖像，以灰度平均圖像作為連續幀差法的第一幀圖像(即原始圖像)。通過(guò)原始圖像和提取的三幀圖像來(lái)做連續幀差法，得到的背景圖像經(jīng)過(guò)灰度圖如圖1(d)所示。

2視場(chǎng)中危險區域的劃定

從已經(jīng)得到的背景圖像灰度圖開(kāi)始，進(jìn)行一系列的圖像處理，將會(huì )得到一幅標定了危險區域的二值圖像。首先對背景灰度圖進(jìn)行均勻化處理，依次是圖像增強、圖像二值化、區域標記、除去圖像毛糙和圖像膨脹。

圖像二值化后的結果如圖2(a)所示，得到的最終結果如圖2(b)所示。從兩幅圖像的對比可以看出，圖像經(jīng)過(guò)一系列處理后，基本標定了危險區域。對于得到的圖2(b)，圖中白色的區域為鐵道雙軌內部即設定的危險區域。應用此種方法得到的結果圖像在光照條件充足情況下能夠得到更好的效果，不適用于光照條件不足和夜間的危險區域標定。

3 危險情況存在時(shí)圖像的自動(dòng)保存

由于視頻拍攝的位置是平行于地面，所以拍攝到的視場(chǎng)很寬廣。如果對拍到的整個(gè)鐵路線(xiàn)進(jìn)行監控，那么周?chē)h(huán)境會(huì )對圖像處理帶來(lái)很大的干擾。所以為了達到較好的監控效果，只考慮沿線(xiàn)的某一塊區域，本文選定的監測區域是：行的位置從346～386的像素點(diǎn)，列的位置從341～370的像素點(diǎn)。待監測的視頻是25幀／s，每秒鐘從視頻中抽取一幀進(jìn)行監測。對于每一幀待監測的圖像首先要進(jìn)行圖像的預處理，處理步驟包括有轉換為灰度圖、二值化、圖像膨脹等。把預處理后的圖像和圖2(b)做相與運算，然后對得到的結果圖像在監測區域內進(jìn)行像素統計。

首先設定一個(gè)計數器counter，并令其初始值為0。在監測區域內對每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行二值判斷，如果像素點(diǎn)的值為0(即黑色點(diǎn))，那么計數器自動(dòng)加1，待監測區域內的每個(gè)點(diǎn)判斷完畢后，再對counter的值進(jìn)行判斷。如果counter的值大于200(說(shuō)明監測區域有很大的干擾，即有人進(jìn)入)，則自動(dòng)對當前待監測的幀以灰度圖的形式保存起來(lái)，如果counter的值小于等于200(說(shuō)明監測區域沒(méi)有受到足夠大的干擾)，則本幀監測結束，不保存圖像，轉而監測下一幀。

對每一幀都做上述處理，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的監測后，系統會(huì )自動(dòng)保存一些危險情況存在時(shí)的圖像(灰度圖形式)。圖像自動(dòng)保存方法流程圖如圖3所示。