基于机器视觉的交通视频监控目标检测快速适应方法

摘要

本发明属于机器视觉与智能控制领域，用于实现交通视频监控目标检测的快速自适应。首先建立初始训练样本库，接下来分别训练基于Haar特征的AdaBoost分类器和基于HOG特征的SVM分类器，利用训练好的两个分类器对监控图像逐帧检测，检测过程为分别利用两类分类器对检测框中的子图像进行预测，并对预测结果进行置信度判断，将大置信度对应的预测标签以及子图像加入到小置信度对应的分类器的附加训练样本库中，直到检测框大小达到被检测图像大小一半时结束，此时利用更新后的训练样本库重新训练两类分类器，并进行下一帧图像的检测，直到检测完所有图像，此时可将最终分类器用于实际的交通场景中进行车辆、行人等目标的检测。

说明书

技术领域

本发明属于机器视觉与智能控制领域，是一种利用计算机技术、图像处理技 术、机器学习技术和模式识别技术等对交通视频监控目标进行检测的发明。

背景技术

准确而实时的检测出交通视频中的行人、车辆等监控目标是进行目标跟踪、 行为分析等后续交通视频处理的根本保证。交通视频监控目标检测的相关研究已 经有很多，目前大多采用模式识别中的机器学习方法进行目标检测。只要将待检 测的目标图像加入到训练样本库的正样本库中，将复杂的背景加入到训练样本库 的负样本库中，选择合适的分类器对正负样本进行学习，从中找出目标与背景之 间的差异，就可以在以后的检测中准确检测出来。

对于行人、车辆等交通视频监控目标，已经具有大规模标注数据库，然而利 用这些数据库中的样本所训练的分类器对一些特定场景中的监控目标进行检测 并不能取得较好的检测效果，这是因为用于训练分类器的样本数据分布与目标场 景中的数据分布存在一定差异。

已有数据库中的正样本图像多为监控目标的正面图像，而在实际应用中，由 于不同路段的摄像机具有不同的架设条件，如不同的架设高度和倾斜角度，以及 PTZ（Pan/Tilt/Zoom）的随时调整，使得待检测视频中拍摄到的有可能是监控目 标的侧面或顶部，因此需要获得这些监控目标图像并加入到训练样本库的正样本 库中。已有数据库中的负样本图像为不包含监控目标的背景图像，然而在不同路 段会存在不同的背景，使得拍摄的待检测视频中出现树木及不同建筑等复杂背景 图像，因此需要获得这些背景图像并加入到训练样本库的负样本库中。而这样的 过程需要花费大量的时间和人力成本，想要获得全面的样本库是难以实现的，目 前的现状已经严重影响了交通视频智能检测技术的广泛应用。

因此需要找到一种方法来改变目前的这种现状，这种方法需要做到以下三 点。第一，该方法能够快速适应于各路段摄像机的不同架设条件，并得到鲁棒的 目标检测精度。第二，该方法应适用于人脸检测、车辆检测及行人检测等的分类 器训练，并可移植到DSP中，应用于实际系统中。第三，该方法应节省时间和 人力成本，并加强基于模式识别的现代先进视觉目标检测及识别技术的实际工程 应用及系统维护。

发明内容

本发明提出了利用半监督学习方法中的co-training方法提高交通视频监控目 标检测算法的鲁棒性，使其自适应外界环境的变化。当检测的交通场景发生改变 时，通过co-training方法让两个相互独立的分类器互相监督学习，为对方加入新 环境下的待检测目标和非检测目标的样本图片进行新分类器的训练，以此适应外 界环境的变化，提高交通目标检测算法的鲁棒性。而为了保证新增加样本的可靠 性，在co-training方法中加入样本图片预测标签的置信度判断。

1.基于机器视觉的交通视频监控目标检测快速适应方法，基于由监控摄像机、 监控设备、服务器构成的硬件平台，其特征在于包括以下步骤：

(1).建立初始训练样本库，所述的初始训练样本库由正样本即包含待检测目标的 图像，和负样本即不包含待检测目标的图像组成；

(2).训练初始分类器：

从初始训练样本库的各个样本中提取Haar特征用于训练初始AdaBoost分类 器，所选择的Haar特征包含边缘特征、线性特征、中心环绕特征和特殊对角线 特征；再从初始训练样本库的各个样本中提取HOG特征用于训练初始SVM分 类器；

(3).使用检测框对监控摄像机所拍摄的同一段视频的同一帧图像进行遍历，对遍 历过程中检测框所圈中的子图像进行检测，检测过程结束后移动检测框至下一位 置重复检测过程，直至遍历完整帧图像；之后扩大检测框的大小并再次遍历整帧 图像，直至检测框的大小达到一帧图像的一半时，完成对一帧图像的检测，继续 步骤(4)；

所述的检测过程是对子图像进行标签预测并计算预测标签的置信度，子图像 及其预测标签将用于训练更新分类器，因此为了保证更新分类器的检测性能有所 提高，就要保证用于训练更新分类器的子图像及其预测标签的正确性，包括以下 步骤：

（3.1）利用AdaBoost分类器和SVM分类器分别对同一子图像进行检测，分别 得到子图像的预测标签和预测标签用于表示子图像属于正样本或负 样本，

若结果不一致，则表示无法保证预测标签的正确性，因此跳出检测过程，并 将检测框移动至下一位置；

若结果一致，则继续进行下一步；其中若子图像属于视频中的第一帧图像， 则使用步骤(2)所训练的初始分类器，否则使用步骤(4)最近一次更新后的分类器； （3.2）从初始训练样本库的各个样本图像中分别提取Haar特征和HOG特征的 特征值，其中，表示第k个样本图像的Haar特征，表示第k个样本图 像的HOG特征；从检测的子图像中分别提取Haar特征和HOG特征的特征值， 记作和计算子图像中提取的特征值与初始训练样本库的各个样本图 像中提取的特征值之间的欧式距离，其中，子图像的Haar特征值与初始训练样 本库的第k个样本图像的Haar特征值之间的欧式距离为子图像 的HOG特征值与初始训练样本库的第k个样本图像的HOG特征值之间的欧式 距离为分别从两组欧式距离中选出K个最小值计算得到两组权重 ω^Haar和ω^HOG，每组包括K个权重值，第k个权重值的计算公式为：

${\omega }_k^{\mathrm{Haar}}={(1+d(x_p^{\mathrm{Haar}},x_{\mathrm{qx}}^{\mathrm{Haar}}))}^{-1},0<{\omega }_k^{\mathrm{Haar}}<1$

${\omega }_k^{\mathrm{HOG}}={(1+d(x_p^{\mathrm{HOG}},x_{\mathrm{qx}}^{\mathrm{HOG}}))}^{-1},0<{\omega }_k^{\mathrm{HOG}}<1$

（3.3）因为在样本图像的特征空间中相距越近的样本其所属标签相同的概率也 就越高，所以可以利用欧式距离最小的K个样本图像分别对子图像的预测标签进 行置信度的投票，而它们之间的权重值则作为投票的系数。

计算子图像的预测标签对特征值的置信度以及子图像的预测标 签对特征值的置信度其计算公式为

$J_p^{\mathrm{Haar}}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\omega }_k^{\mathrm{Haar}}{I}_k^{\mathrm{Haar}}$

$J_p^{\mathrm{HOG}}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\omega }_k^{\mathrm{HOG}}{I}_k^{\mathrm{HOG}}$

其中表示对应的初始训练样本库的第k个样本图像的标签是否与子图 像的预测标签一致，若一致，否则样本图像的标签即表 示该样本图像属于正样本还是负样本；

表示对应的初始训练样本库的第k个样本图像的标签是否与子图像的 预测标签一致，若一致，否则

（3.4）比较步骤(3.3)计算出的和将大的置信度对应的预测标签以及 子图像加入到小的置信度对应的分类器的附加训练样本库中，这样在更新分类器 的过程中较小J_p对应的分类器可以从子图像中获得更多信息来提高分类器的性 能；所述的附加训练样本库中的样本由每次循环过程中加入的子图像及其预测标 签构成，附加训练样本库和初始训练样本库共同构成对应分类器的训练样本库；

(4).若视频未检测至最后一帧，则利用两分类器各自的训练样本库分别重新训练 基于Haar特征的AdaBoost分类器和基于HOG特征的SVM分类器，然后跳转 至步骤(3)继续检测下一帧图像；

否则，分类器训练完成，可将训练的最终分类器用于实际的交通场景中进行 车辆、行人等目标的检测。

至此，已完成基于机器视觉的交通视频监控目标检测系统的实现。

有益效果

①将各类目标的大规模通用检测器快速自适应到各特定场景，有效组织分类 器的训练及测试流程，在确保分类器检测性能的基础上尽可能地缩短分类器的训 练进程，在各特定的场景中，仍然能够得到鲁棒的精确目标检测结果。

②用于建立及更新样本库，形成针对交通视频中机动车辆、非机动车辆及行 人等特定目标类别的分类器，便于基于模式识别的现代先进视觉目标检测及识别 技术的实际工程应用及系统维护。

附图说明

图1本发明流程图

图2本发明硬件平台原理框图

图3应用本发明的监控系统中监控设备的目标检测方法

图4Haar矩形特征

图5HOG特征提取算法流程

图6每帧图像中检测子图像流程图

具体实施方式

交通视频监控系统是由摄像机、监控设备和后台服务器三部分组成，其工作 方式如下：

将摄像机拍摄到的交通视频传送到监控设备和后台服务器，训练两个具有较 好检测性能的初始分类器，在监控设备中用于实际场景中的交通视频监控目标检 测，同时在后台服务器上进行分类器的更新，因此初始分类器既要保证初始的监 控过程中能够提供精度较高的检测结果，同时也要保证在co-training半监督学习 过程中新加入样本库中样本标签的可信度。

在监控设备中，利用这两个分类器在初始阶段对交通视频监控目标进行检 测，当两分类器检测结果一致时则将其作为最终检测结果，不一致时则利用k— 近邻法则判断两分类器检测结果置信度，取置信度较高一方的检测结果作为最终 检测结果。于此同时，将这段期间录制的交通视频传到后台服务器上，利用本发 明在服务器上进行两分类器的快速适应更新过程，更新完成后再将两个新分类器 传回监控设备进行新环境下的监控目标检测。重复执行此过程，直到更新后的分 类器能够精确检测出新环境下的监控目标。

本发明的具体实施过程如下：

（1）建立训练初始样本库

打开一段交通视频逐帧读取，或者打开图片，将视频或图片中出现的待检测 交通监控目标截取出来并保存为png格式图片，作为训练分类器的正样本图像。 选择未出现交通监控目标的图片作为训练分类器的负样本图像。

将训练AdaBoost分类器的训练样本图像均缩放为20×20像素大小，训练SVM 分类器的训练样本图像均缩放为40×40像素大小。

（2）训练初始分类器，本步骤属于公知技术。

（2.1）训练基于Haar特征的AdaBoost分类器

在PC机上安装VC2008和OpenCV2.0，则可利用OpenCV中AdaBoost分类 器的训练功能实现分类器的训练，共分3个步骤：

第一，生成训练样本的描述文件：将保存正样本图片的文件夹与保存负样本 图片的文件夹放在相同目录下，并通过程序在该目录下创建正负样本的描述文 件。对于正样本描述文件，程序首先读取所有正样本图片并得到每一幅图片的信 息，接着创建正样本描述文件positive.txt，以“正样本图片所在文件夹名称\图片 名100图片宽图片高”的格式将每一幅图片的信息记录在文件中；对于负样 本描述文件，程序首先读取所有负样本图片并得到每一幅图片的信息，接着创建 负样本描述文件negative.dat，以“负样本图片所在文件夹名称\图片名”的格式 将每一幅图片的信息记录在文件中。

第二，转换正样本描述文件：打开DOS命令窗口，通过DOS指令进入到正 负样本描述文件所在文件夹，然后输入 C:\OpenCV2.0\bin\opencv_createsamples.exe-info positive.txt-vec positive.vec -num2000-w20-h20>createsamples_result.txt并回车，则会在正负样本描述文件 所在文件夹中生成转换好的正样本描述文件positive.vec。其中-num后的数字为 正样本图片数量，可根据实际情况修改。

第三，训练AdaBoost分类器：打开DOS命令窗口，通过DOS指令进入到 正负样本描述文件所在文件夹，然后输入 C:\OpenCV2.0\bin\opencv_haartraining.exe-data haarcascade-vec positive.vec-bg  negative.dat-nstages20-nsplits2-minhitrate0.999-maxfalsealarm0.5-npos2000 -nneg5000-mem1024-mode ALL-w20-h20>haartraining_result.txt并回车，分类 器训练完成后则会在正负样本描述文件所在文件夹中生成训练好的xml格式的 分类器文件。其中-npos后的数字为正样本图片数量，-nneg后的数字为负样本图 片数量，可根据实际情况修改。

（2.2）训练基于HOG特征的SVM分类器

对于初始训练样本库中的每一幅图像，首先将图像进行细胞单元和块的划分， 8×8像素作为一个细胞单元，每相邻4个细胞单元即16×16像素作为一个块；计算 图像中各像素点的梯度值和梯度方向，在每个细胞单元中划分出梯度方向分布的9 个区间，将细胞单元内的各像素点的梯度方向投影到划分出的区间中构成梯度直 方图，再将每个块中单元细胞的梯度直方图进行归一化，最后收集图像中所有块 的梯度直方图就构成了HOG特征。

得到HOG特征后可利用OpenCV中的CvSVM类的成员函数进行SVM分类 器的训练，将从初始训练样本中得到的HOG特征以及各特征所对应的样本标签作 为输入，设置参数核函数为RBF(Radial Basis Function)，惩罚因子为10，程序运 行后可得到格式为xml的SVM分类器文件。

（3）使用检测框对监控摄像机所拍摄的同一段视频的同一帧图像进行遍历，在 遍历时首先设置检测框的初始大小为20×20像素大小，将检测框置于图像的左上 角进行从左至右、从上至下的图像遍历，对遍历过程中检测框所圈中的子图像进 行检测，检测过程结束后移动检测框至下一位置重复检测过程，直至遍历完整帧 图像；之后扩大检测框的大小为原检测框大小的1.3倍并再次遍历整帧图像，直 至检测框的大小达到一帧图像的一半时，完成对一帧图像的检测，继续步骤(4)；

所述的检测过程包括以下步骤：

（3.1）利用AdaBoost分类器和SVM分类器分别对同一子图像进行检测，分别 得到子图像的预测标签和预测标签用于表示子图像属于正样本或负 样本，

若结果不一致，则跳出检测过程，并将检测框移动至下一位置；

若结果一致，则继续进行下一步；其中若子图像属于视频中的第一帧图像， 则使用步骤(2)所训练的初始分类器，否则使用步骤(4)最近一次更新后的分类器；

（3.2）从初始训练样本库的各个样本图像中分别提取Haar特征和HOG特征的 特征值，其中，表示第k个样本图像的Haar特征，表示第k个样本图 像的HOG特征；从检测的子图像中分别提取Haar特征和HOG特征的特征值， 记作和计算子图像中提取的特征值与初始训练样本库的各个样本图 像中提取的特征值之间的欧式距离，其中，子图像的Haar特征值与初始训练样 本库的第k个样本图像的Haar特征值之间的欧式距离为子图像 的HOG特征值与初始训练样本库的第k个样本图像的HOG特征值之间的欧式 距离为分别从两组欧式距离中选出K个最小值计算得到两组权重 ω^Haar和ω^HOG，每组包括K个权重值，第k个权重值的计算公式为：

${\omega }_k^{\mathrm{Haar}}={(1+d(x_p^{\mathrm{Haar}},x_{\mathrm{qx}}^{\mathrm{Haar}}))}^{-1},0<{\omega }_k^{\mathrm{Haar}}<1$

${\omega }_k^{\mathrm{HOG}}={(1+d(x_p^{\mathrm{HOG}},x_{\mathrm{qx}}^{\mathrm{HOG}}))}^{-1},0<{\omega }_k^{\mathrm{HOG}}<1$

K的取值范围为3≤K＜20的所有奇数，本发明中选择K＝5。

（3.3）计算子图像的预测标签对特征值的置信度以及子图像的 预测标签对特征值的置信度其计算公式为

$J_p^{\mathrm{Haar}}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\omega }_k^{\mathrm{Haar}}{I}_k^{\mathrm{Haar}}$

$J_p^{\mathrm{HOG}}=\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\omega }_k^{\mathrm{HOG}}{I}_k^{\mathrm{HOG}}$

其中表示对应的初始训练样本库的第k个样本图像的标签是否与子图 像的预测标签一致，若一致，否则样本图像的标签即表 示该样本图像属于正样本还是负样本；当计算时用到的欧式距离所对应的 初始训练样本库的样本图像的标签与子图像的预测标签一致时，否则$I_k^{\mathrm{Haar}}=0;$

表示对应的初始训练样本库的第k个样本图像的标签是否与子图像的 预测标签一致，若一致，否则

（3.4）比较步骤(3.3)计算出的和将大的J_p对应的预测标签以及子 图像加入到小的J_p对应的分类器的附加训练样本库中；所述的附加训练样本库 中的样本由每次循环过程中加入的子图像及其预测标签构成，附加训练样本库和 初始训练样本库共同构成对应分类器的训练样本库；

（4）若视频未检测至最后一帧，则利用两分类器各自的训练样本库分别重新训 练基于Haar特征的AdaBoost分类器和基于HOG特征的SVM分类器，然后跳 转至步骤(3)继续检测下一帧图像；

否则，分类器训练完成，可将训练的最终分类器用于实际的交通场景中进行 车辆、行人等目标的检测。