張鵬飛 劉亞玲

摘 要：隨著消費(fèi)者對(duì)無人機(jī)越來越多的使用，在安全、隱私等領(lǐng)域引發(fā)了新的挑戰(zhàn)。采用視頻檢測無人機(jī)已經(jīng)變得越來越重要，動(dòng)態(tài)攝像機(jī)監(jiān)控?zé)o人機(jī)時(shí)無法采用幀間差分法與背景差分法，為了應(yīng)用于動(dòng)態(tài)攝像機(jī)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行檢測，本文提出一種基于光流法的飛行目標(biāo)檢測方法。基于系統(tǒng)的可行性考慮，采用Simulink搭建仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的有效性。

關(guān)鍵詞：光流法；Simulink；檢測；

0 前言

隨著消費(fèi)者對(duì)無人機(jī)越來越多的使用，無人機(jī)檢測系統(tǒng)對(duì)于安全、隱私等領(lǐng)域已經(jīng)變得越來越重要。光傳感器價(jià)格低廉，便于推廣、實(shí)現(xiàn)?；谝曨l檢測原理的系統(tǒng)中，視頻圖像是檢測任務(wù)的核心，因?yàn)樗梢暂p松覆蓋大面積區(qū)域，并且容易進(jìn)行處理。視頻檢測系統(tǒng)大多采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)攝像頭對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行捕捉，基于幀間差分法和背景差分法的視頻檢測系統(tǒng)需要攝像機(jī)保持靜態(tài)，為了運(yùn)用于基于動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的視頻檢測系統(tǒng)，本文提出一種基于光流法的飛行目標(biāo)檢測方法。

1 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測算法研究

光流法可以避免背景差分法和幀間差分法的不足，不需要知道場景的任何信息，并且能夠有效的提取完整運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)在三維空間中，都會(huì)形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)場，投影在二維平面上是一個(gè)二維場，也就是光流場。光流場不僅涵蓋了目標(biāo)的三維信息，還有目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度和方向。當(dāng)目標(biāo)連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其在圖像上的映射也會(huì)跟著發(fā)生連續(xù)變化，也就形成了光流場。Horn-Schunck光流法假設(shè)像素點(diǎn)的強(qiáng)度是恒定的，認(rèn)為在整個(gè)成像平面上光流的不會(huì)發(fā)生太大的變化，或者說變化的速度是連續(xù)的，或者說光流改變的速度很慢。如果運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是剛體，其局部的位移是一樣的，所以剛體局部的速度相等。Horn-Schunck光流法的計(jì)算復(fù)雜度低、實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單。但是計(jì)算量大，平滑速度場容易導(dǎo)致紋理丟失，噪聲會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果有不小的影響。Lucas-Kanade光流法（簡稱L-K光流法）提出于1981年。與Horn-Schunck不同，Lucas-Kanade光流法是基于局部約束，約定在一個(gè)很小的空間內(nèi)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向不變，用最小二乘法對(duì)圖像的位移進(jìn)行預(yù)測。因?yàn)長ucas-Kanade光流法應(yīng)用在大量位置離的較遠(yuǎn)的點(diǎn)時(shí)，計(jì)算效果更佳，故被稱為之稀疏光流場，該方法需要滿足三個(gè)條件：

（1）在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的過程中，目標(biāo)表面的光照強(qiáng)度需要恒定。對(duì)于灰度圖像，即需要保持像素點(diǎn)的灰度值不變。

（2）運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像表現(xiàn)上時(shí)間應(yīng)該是連續(xù)的，即目標(biāo)在兩幀中的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是較小的位移，只能應(yīng)用于緩慢的運(yùn)動(dòng)。

（3）同一個(gè)尺度空間下的相鄰點(diǎn)應(yīng)該均出現(xiàn)在圖像上的相鄰位置。

2 仿真系統(tǒng)

Simulink是MATLAB最重要的組件之一，是在MATLAB中基于幀的視頻圖形處理的系統(tǒng)仿真軟件，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量編寫程序代碼，設(shè)計(jì)的流程在Simulink中以圖形形式描述算法。Simulink 提供了交互式圖形化環(huán)境和定制模塊庫來對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測試。Simulink中的Computer Vision System

（機(jī)器視覺工具箱）工具可對(duì)視頻圖像進(jìn)行幀處理?；诠饬鞣ǖ倪\(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)的整體系統(tǒng)算法框圖如圖1所示。

根據(jù)圖1，通過在Simulink中搭建仿真系統(tǒng)，如圖2所示。仿真系統(tǒng)由讀取視頻模塊、灰度轉(zhuǎn)換模塊、光流計(jì)算模塊、預(yù)處理模塊、矩陣框計(jì)算、以及顯示模塊組成。

通過讀取視頻模塊提取視頻樣本后采用色彩轉(zhuǎn)換模塊將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，將灰度化后的視頻樣本送至Optical Flow模塊執(zhí)行光流法操作進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)，此模塊可選擇Horn-Schunck法或Lucas-Kanada法。本系統(tǒng)采用Horn-Schunck法對(duì)天空區(qū)域進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)。將經(jīng)過運(yùn)動(dòng)估計(jì)后的圖像送至預(yù)處理模塊進(jìn)行腐蝕、膨脹等操作。Display Results子系統(tǒng)將對(duì)超過閾值的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)生成矩形框，最后在原始視頻中顯示出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與矩形框。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)手機(jī)拍攝的無人機(jī)視頻進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2所示，識(shí)別率如表1所示。

4 結(jié)語

本文對(duì)基于光流法的飛行目標(biāo)檢測方法進(jìn)行分析和仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光流法可以有效檢測到飛行目標(biāo)。本文通過Simulink建立仿真系統(tǒng)，采用Optical Flow模塊中的Horn-Schunck法對(duì)飛行目標(biāo)進(jìn)行檢測。通過實(shí)驗(yàn)表明，基于光流法的飛行目標(biāo)檢測方法對(duì)飛行目標(biāo)檢測的成功率非常高。

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作者簡介：

張鵬飛 （1993.02--） 男，山西省晉城市人，碩士，專業(yè)：信息與通信工程。