周建平

摘要：水下環(huán)境一般較為復(fù)雜，因有光線折射散射等情況的出現(xiàn)加大了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提取的難度，但若成功完成水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提取則能為社會(huì)發(fā)展提供很大的便利。因此，本文提出一種基于HSV顏色空間結(jié)合自適應(yīng)灰度閾值濾取的方法來對(duì)水下視頻中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)前景進(jìn)行提取。該方法是通過對(duì)泳池背景顏色特征的過濾結(jié)合自適應(yīng)計(jì)算灰度圖像的灰度閾值來提取水下視頻中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)前景圖像的。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上可見，運(yùn)用這種方法提取出的水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)前景圖像的完整性更好，成功率高而且處理時(shí)間較短，較之傳統(tǒng)提取算法要更加的適用于水下環(huán)境。

關(guān)鍵詞：水下環(huán)境；HSV顏色空間；運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提取

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）21-0230-03

Abstract： The underwater environment is generally more complicated，the difficulty of extracting the moving target is caused by the occurrence of light scattering and scattering.However，if the successful completion of underwater motion target extraction can provide great convenience for social development.This paper proposes a method based on HSV color space combined with adaptive gray level threshold filtering to extract the foreground of moving objects in underwater video.The method extracts the foreground image of the moving target in the underwater video by filtering the color feature of the swimming pool background and adaptively calculating the gray level threshold of the gray image.From the experimental results， it can be seen that the underwater moving target extracted by this method have better foreground image integrity， higher success rate and shorter processing time， and are more suitable for underwater environments than traditional extraction algorithms.

Key words： underwater environment； HSV color space； motion target extraction

視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)前景提取一直都是機(jī)器視覺領(lǐng)域上的重點(diǎn)和難點(diǎn)研究方向，而處于水下環(huán)境中拍攝得到的視頻處理起來的難度更是比正常的高，其原因主要在于水下環(huán)境中，光線的折射、散射以及水中懸浮顆粒浮動(dòng)等等現(xiàn)象的存在導(dǎo)致了視頻處理時(shí)出現(xiàn)不同程度的干擾?，F(xiàn)如今，科技發(fā)展的速度越來越快，人民生活的水平越來越高，對(duì)強(qiáng)健體魄重要性的認(rèn)知更是越來越廣泛。最近幾年來，人們?cè)絹碓綗嶂杂谟斡具@種健身方式，但盡管這種健身方式好處多多，但還是會(huì)存在一定的危險(xiǎn)。

每年因溺水身亡的人員不在少數(shù)，故而如果在技術(shù)上能開發(fā)出一套完善的溺水識(shí)別系統(tǒng)便能有效減少和預(yù)防游泳過程中因溺水而帶來的隱患問題。眾所周知，人體溺水的情況只會(huì)發(fā)生在水中，那么，要實(shí)現(xiàn)溺水識(shí)別將必須要克服處理水下環(huán)境視頻的種種困難，因此，一種有效的水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)前景提取方法將會(huì)為溺水識(shí)別系統(tǒng)的開發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。

基于上述原因，本文提出一種基于HSV顏色空間的水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)前景提取的設(shè)計(jì)方案。該方案的目的是通過計(jì)算機(jī)對(duì)水下視頻的操作將運(yùn)動(dòng)人體前景和視頻背景分離，實(shí)現(xiàn)去除背景圖像保留運(yùn)動(dòng)前景二值圖像，從而達(dá)到運(yùn)動(dòng)前景圖像提取的目的。

1 HSV顏色空間濾取

直至今天，在機(jī)器視覺領(lǐng)域中，使用率較高的幾種運(yùn)動(dòng)前景目標(biāo)檢測算法有：幀間差分法、背景差分法、混合高斯法和ViBe運(yùn)功目標(biāo)檢測算法等等，但無論是上述的哪一種算法在面對(duì)水下環(huán)境的情況下，其運(yùn)動(dòng)目標(biāo)前景提取的效果都不理想。

HSV顏色空間模型主要參數(shù)有H、S、V三個(gè)子空間參量，其中S和V參量掌控著圖像中的飽和度和明度，基于此，結(jié)合本文實(shí)際的工作環(huán)境中主要影響前景提取的因素考慮，決定將圖像從RGB顏色空間轉(zhuǎn)換為HSV顏色空間后再分別分析各個(gè)子空間分量圖像的實(shí)際情況，提出一個(gè)有利于提取視頻中運(yùn)動(dòng)區(qū)域的方法。

圖1分別展示了視頻中游泳的某一幀原圖以及該幀對(duì)應(yīng)的，從RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到HSV顏色空間中，H，S，V三個(gè)子空間分量對(duì)應(yīng)的灰度圖像。

從圖2中可見看到突出的人體區(qū)域，但同時(shí)也存在著人體區(qū)域部分空洞殘缺的情況，因此，考慮到V子空間分量圖像的完整性，通過與V子空間分量圖像進(jìn)行加法運(yùn)算就可以很好的彌補(bǔ)這方面的缺陷從而達(dá)到突出人體區(qū)域的圖像濾取目的，運(yùn)算公式如下所示：

2 自適應(yīng)灰度閾值濾取

2.1 濾波處理與圖像增強(qiáng)

正常環(huán)境下拍攝到的圖片不可避免地存在一些外界因素帶來的噪聲影響，而本文的工作環(huán)境處于水下，由于水波的蕩漾、光線變化、懸浮物運(yùn)動(dòng)等等因素的作用下這種干擾的情況將會(huì)更加的嚴(yán)重，不巧的是這種影響如果不能減弱甚至消除的話，在提取運(yùn)動(dòng)人體前景圖像時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致圖像出現(xiàn)許多孔洞、斷點(diǎn)和毛刺等情況的出現(xiàn)，這將使得后續(xù)對(duì)圖像質(zhì)量要求較高的人體骨架提取帶來了非常大的麻煩，基于此，為了避免這種問題的出現(xiàn)，本文將采用維納濾波和高斯濾波兩種濾波方式對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理，同時(shí)也采用Gamma校正和灰度直方圖均衡化這兩種方法對(duì)圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)。進(jìn)過濾波與增強(qiáng)后圖像如圖4所示。

2.2 自適應(yīng)灰度閾值計(jì)算

灰度圖像中每個(gè)像素點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著一個(gè)灰度值，也就是說，灰度圖像中無論是背景區(qū)域還是本文所需的人體運(yùn)動(dòng)前景區(qū)域都是由許許多多灰度值不同的像素點(diǎn)按一定的空間順序排列組成的。而基于圖像的這個(gè)特點(diǎn)，提取人體運(yùn)動(dòng)前景目標(biāo)也就相當(dāng)于是完成將圖像中組成人體前景目標(biāo)的灰度區(qū)域保留下來，而將組成視頻背景的灰度區(qū)域?yàn)V除出去的這樣一個(gè)過程。而從這個(gè)角度出發(fā)，本文提出了一種用于提取水下運(yùn)動(dòng)前景的自適應(yīng)灰度閾值計(jì)算的方法，其中，自適應(yīng)灰度閾值計(jì)算的流程圖如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本次設(shè)計(jì)是在matlab[1]平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)研究的。通過上述一節(jié)計(jì)算得出灰度閾值，利用自適應(yīng)灰度閾值濾除無關(guān)背景后，水下運(yùn)動(dòng)前景提取效果如圖6、圖7所示。

本次設(shè)計(jì)主要是采用常規(guī)室外游泳池作為工作場合，以該游泳池拍攝到的自由泳視頻作為處理視頻，其中，上述的圖像均來源于拍攝視頻中的視頻單幀。

從上述提取效果圖像可見，本文提出的基于HSV顏色空間結(jié)合自適應(yīng)灰度閾值濾取的水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)前景提取算法的效果明顯，能夠很好地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)前景圖像和視頻背景圖像的分離，提取出具體的運(yùn)動(dòng)前景二值圖像。雖然該算法尚不能做到平滑的提取出人體運(yùn)動(dòng)前景目標(biāo)，但提取出的前景目標(biāo)完整且成功的濾除了水下環(huán)境中大部分不可抗力因素的影響，可以很好地適應(yīng)于水下環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提取。在此基礎(chǔ)上就能為機(jī)器識(shí)別，骨架提取和網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練等等方面提供了便利，同時(shí)也大大減低了水下環(huán)境復(fù)雜對(duì)水下視覺領(lǐng)域研究開發(fā)的難度，為針對(duì)水下環(huán)境的相關(guān)研究打下了一定的基礎(chǔ)。

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【通聯(lián)編輯：梁書】