賀國慶 閆 騫 吳 潼 辛 璐

（甘肅政法大學(xué)公安技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

由于信息技術(shù)的普及，近幾年安防技術(shù)也有了質(zhì)的飛躍，這其中以智能安防監(jiān)控視頻的應(yīng)用[1]最引人注目， 由于安防監(jiān)控視頻具有空間和時間的二維特性，可直接被用于刑事案件偵查中對嫌疑人的認(rèn)定和判別，尤其是在人像智能識別與分析[2]中，監(jiān)控視頻成為最主要的圖像分析來源。 但在現(xiàn)實情況中，由于時間的緊迫性和成本所限，偵查人員一般都是采用人工輪流以快進(jìn)的形式瀏覽視頻監(jiān)控的方式尋找案件線索，巨大的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)會導(dǎo)致案件相關(guān)信息獲取實時性差、誤判與漏判等問題[3]，高強(qiáng)度的視頻篩選還會影響偵查人員的身體健康，從而加劇降低偵查效率，因此若能利用某種辦法加快檢索監(jiān)控視頻得到關(guān)鍵幀就能加快對案件的偵破。以幀差法為代表的視頻關(guān)鍵幀檢測是非常成熟的一種方法，這種方法原理簡單， 尤其對于小區(qū)監(jiān)控視頻的關(guān)鍵幀檢測非常有效，而且該方法適于硬件[4]，可以實現(xiàn)設(shè)備小型化。 但是在對監(jiān)控視頻進(jìn)行預(yù)處理、二值化，開閉運(yùn)算、幀差提取等整個過程中，最后一個重要的步驟是判定哪一幀可以作為關(guān)鍵視頻片段被保留，而判斷的最重要的參數(shù)就是幀間閾值，當(dāng)閾值過小，提取的視頻片段就會出現(xiàn)過多的冗余，后續(xù)對比檢測時間會延長，閾值過大會出現(xiàn)漏檢，因此選取合適的幀間閾值參數(shù)尤為重要，本文在不同分辨率分別選擇等效的關(guān)鍵幀，得到幀間差閾值T，利用得到的閾值與圖像面積，利用曲線擬合方法對它們之間的關(guān)系進(jìn)行研究，從而得到不同分辨率下所對應(yīng)的閾值函數(shù)關(guān)系， 并通過實驗驗證。

1 關(guān)鍵幀提取流程原理與幀間差閾值T 的作用

本文提取視頻關(guān)鍵幀軟件流程如圖1 所示，初始化開始后，獲取視頻文件的總幀數(shù)N，對獲取的第一幀圖像進(jìn)行預(yù)處理得到F1，在未計算到視頻文件最后一幀時循環(huán)計算，然后處理第二幀圖像得到F2，從而計算得到兩幀圖像差值C， 當(dāng)該差值大于預(yù)定閾值T時，便認(rèn)為該圖像是關(guān)鍵幀圖像，否則不是，如此反復(fù)循環(huán)，直到最后一幀圖像結(jié)束。 圖1 中預(yù)處理包含中值濾波去噪、灰度化、尺寸歸一化、二值化、開閉運(yùn)算等，在圖1 中的流程中可以看出，最重要的是T 的選取，T 值選擇過大，雖然視頻幀壓縮率較大，但容易出現(xiàn)漏檢的情況，而當(dāng)T 取值過小，會出現(xiàn)較多的冗余，不能體現(xiàn)出關(guān)鍵幀提取的作用。 T 的選擇與視頻圖像分辨率有明顯的關(guān)系，當(dāng)視頻圖像分辨率越大T 的值應(yīng)該越大，反之則T 的值應(yīng)該越小，為此專門通過設(shè)計實驗分析T 值與監(jiān)控分辨率的關(guān)系。

圖1 軟件流程原理圖

2 實驗過程與結(jié)果

試驗視頻為1 280×720 大小的約52 秒的視頻，共1 585 幀視頻圖像，對原始視頻圖像進(jìn)行分辨率處理后分別得到 1 440×900、1 280×900、720×480、480×320、352×288 分辨率的視頻圖像。

不同分辨率所選的閾值與分辨率的關(guān)系應(yīng)該是線性關(guān)系， 也就是關(guān)鍵幀的判定應(yīng)該取決于視頻圖像中變化面積與總面積的比，當(dāng)閾值大于這個比值時，認(rèn)定為關(guān)鍵幀，小于這個比值時不認(rèn)為是關(guān)鍵幀，舍棄不保存。根據(jù)這個初步結(jié)論，對不同分辨率下的監(jiān)控視頻做同樣的關(guān)鍵幀提取，得到結(jié)果如表1 所示。

表1 中進(jìn)行了5 次測試，給定圖像分辨率，在得到與人工檢索同等效果的情況下設(shè)定不同分辨率監(jiān)控視頻圖像的閾值T， 分別計算得到 “閾值與面積比”、“檢索后的關(guān)鍵幀數(shù)”、關(guān)鍵幀的“壓縮比”，其中“檢索后的關(guān)鍵幀數(shù)”和關(guān)鍵幀的“壓縮比”與視頻本身的內(nèi)容有很大關(guān)系，但是“閾值面積比”是此類應(yīng)用的一個固定值，能夠作為小區(qū)監(jiān)控視頻關(guān)鍵幀提取的重要參考數(shù)據(jù)。對表1 中的不同分辨率下的圖像總面積與選用閾值T 這兩個值利用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到閾值/面積線性回歸函數(shù)，如圖2 所示。

圖2 面積/閾值線性回歸函數(shù)圖

圖2 中，可以清晰地看到圖像總面積S 與本文所選的對應(yīng)閾值T 呈線性關(guān)系，通過擬合得到S 與T 的關(guān)系式，如式（1）所示：

根據(jù)S 與T 的關(guān)系，計算得到上述測試監(jiān)控視頻在分辨率為576×480 時的閾值應(yīng)該為T≈4267 （取整）， 由此也應(yīng)該得到提取得到相近數(shù)量和等價效果的關(guān)鍵幀，即約原視頻總幀數(shù)1 585 幀的15%，共238幀圖像，經(jīng)過測試，得到有效關(guān)鍵幀230 張，誤差率約為3.36%，在可接受的范圍內(nèi)，得到的有效關(guān)鍵幀及對應(yīng)的二值圖部分如圖3 和圖4 所示。

3 結(jié)語

本文是利用較為成熟的幀差法，對利用硬件實現(xiàn)海量監(jiān)控視頻關(guān)鍵幀提取時的幀間參數(shù)T 進(jìn)行了研究。 通過同一視頻不同分辨率下關(guān)鍵幀提取的研究，利用最小二乘法擬合幀間差值參數(shù)T 與分辨率之間的關(guān)系， 最后用其他分辨率的視頻圖像進(jìn)行驗證，結(jié)果證明本文的方法可行，能夠較好地實現(xiàn)給定分辨率下監(jiān)控視頻關(guān)鍵幀的提取。本文的方法得到的參數(shù)可作為快速實現(xiàn)小區(qū)監(jiān)控視頻關(guān)鍵幀提取模型中幀間參數(shù)確定的重要依據(jù)，具有較高的應(yīng)用參考價值。

表1 同一監(jiān)控視頻在不同分辨率下得到的參數(shù)

圖3 關(guān)鍵幀對應(yīng)的二值圖像（部分圖）

圖4 提取到的關(guān)鍵幀（部分圖）