近年來，運動檢測技術(shù)已成為計算機(jī)視覺的重要研究領(lǐng)域之一。視頻序列上已經(jīng)發(fā)明了許多方法，其中一些方法比其他方法更好。在本文中，我們將解釋并在 OpenCV 上實現(xiàn)一些基本方法。

1． 幀差分

幀差分背后的想法非常簡單。我們逐像素檢查兩個視頻幀之間的差異。如果有運動，像素值就會發(fā)生變化，因此我們將獲得運動圖。

很簡單對嗎？但是，由于噪聲（例如照明的變化）可能會發(fā)生一些像素值變化，為了避免在我們的運動蒙版中捕獲噪聲，我們應(yīng)用了一個閾值，該閾值基本上會突出強(qiáng)度方面的大變化并丟棄小的變化。請注意，閾值沒有正確的選擇，通常是憑經(jīng)驗完成的。

現(xiàn)在我們理解了這個概念，讓我們展示一些代碼：

frames＝［］

MAX＿FRAMES ＝ 1000

N ＝ 2

THRESH ＝ 60

ASSIGN＿VALUE ＝ 255 ＃Value to assign the pixel if the threshold is met

cap ＝ cv2．VideoCapture（0）  ＃Capture using Computer＇s Webcam
   

for t in range（MAX＿FRAMES）：

   ＃Capture frame by frame

   ret， frame ＝ cap．read（）

   ＃Convert frame to grayscale

   frame＿gray ＝ cv2．cvtColor（frame， cv2．COLOR＿RGB2GRAY）

   ＃Append to list of frames

   frames．a(chǎn)ppend（frame＿gray）

   if t ＞＝ N：

       ＃D（N） ＝ ｜｜ I（t） － I（t＋N） ｜｜ ＝ ｜｜ I（t－N） － I（t） ｜｜

       diff ＝ cv2．a(chǎn)bsdiff（frames［t－N］， frames［t］）

       ＃Mask Thresholding

       threshold＿method ＝ cv2．THRESH＿BINARY

       ret， motion＿mask ＝ cv2．threshold（diff， THRESH， ASSIGN＿VALUE， threshold＿method）

       ＃Display the Motion Mask

       cv2．imshow（＇Motion Mask＇， motion＿mask）

這種方法具有計算性能，但是它存在兩個主要缺點：前景光圈和由幀速率和物體速度引起的重影。

Kameda 和 Minoh 開發(fā)的一種解決方案是雙重差分，我們在時間 t 和 t－1 以及 t－1 和 t－2 之間的兩個幀之間操作閾值差異，然后將它們與邏輯 AND 結(jié)合以確保我們始終檢測到一個對象而不是它的重影。

幀差分的另一個問題是，當(dāng)對象停止移動時，它不再被檢測到。這顯然取決于我們想要完成的任務(wù)，但是假設(shè)我們想要繼續(xù)檢測移動物體，即使它停止了一段時間。這個問題的一個答案是背景減法技術(shù)。

2． 背景減法

背景減法是一種廣泛使用的方法，用于檢測靜態(tài)攝像機(jī)幀序列中的移動對象。它需要一個參考圖像來播放背景（通常在沒有對象的情況下獲�。�。然后我們計算當(dāng)前幀和背景幀（參考圖像）之間的差異。其主要任務(wù)是檢測通常代表運動物體的前景。

background ＝ None

MAX＿FRAMES ＝ 1000

THRESH ＝ 60

ASSIGN＿VALUE ＝ 255

cap ＝ cv2．VideoCapture（0）
   

for t in range（MAX＿FRAMES）：

   ＃ Capture frame－by－frame

   ret， frame ＝ cap．read（）

   ＃ Convert frame to grayscale

   frame＿gray ＝ cv2．cvtColor（frame， cv2．COLOR＿RGB2GRAY）      

   if t ＝＝ 0：

       ＃ Train background with first frame

       background ＝ frame＿gray

   else：

       ＃ Background subtraction

       diff ＝ cv2．a(chǎn)bsdiff（background， frame＿gray）

       ＃ Mask thresholding

       ret， motion＿mask ＝ cv2．threshold（diff， THRESH， ASSIGN＿VALUE， cv2．THRESH＿BINARY）

       ＃ Display the motion mask and background

       cv2．imshow（＇Motion mask＇， motion＿mask）

       cv2．imshow（＇Background＇， background）

背景減法代碼

如果對象的顏色與背景框不同，這種方法可以獲得很好的效果。然而，像幀差分一樣，它也有一些主要的缺點。毋庸置疑，它對光照變化和相機(jī)運動高度敏感，它還有一個“waking person＂問題，這意味著如果背景物體（屬于參考圖像的物體）移動，則同時檢測到真實物體及其重影．

在這種情況下，我們遇到了與幀差分相反的問題：“如果我們想停止檢測前景對象并將其吸收到背景中怎么辦？”

3． 自適應(yīng)背景減法

這種方法基本上結(jié)合了之前的兩種技術(shù)，通過引入學(xué)習(xí)率 λ 來充分利用兩者。在每個時間步，我們對傳入圖像和先前背景的貢獻(xiàn)進(jìn)行加權(quán)以構(gòu)建新背景。

例如，如果我們設(shè)置 λ＝0．1，則在更新背景幀之前需要 10 幀（換句話說，前景對象將被吸收到背景中）。而對于 λ＝0．5，我們有更快的更新（更新前只需要 2 幀）。請注意，選擇 λ 沒有規(guī)則，它是憑經(jīng)驗完成的，因為它取決于我們正在處理的任務(wù)和環(huán)境。

background ＝ None

MAX＿FRAMES ＝ 1000

THRESH ＝ 60

ASSIGN＿VALUE ＝ 255

ALPHA ＝ 0．1

def update＿background（current＿frame， prev＿bg， alpha）：

   bg ＝ alpha ＊ current＿frame ＋ （1 － alpha） ＊ prev＿bg

   bg ＝ np．uint8（bg）  

   return bg

cap ＝ cv2．VideoCapture（0）
   

for t in range（MAX＿FRAMES）：

   ＃ Capture frame－by－frame

   ret， frame ＝ cap．read（）

   ＃ Convert frame to grayscale

   frame＿gray ＝ cv2．cvtColor（frame， cv2．COLOR＿RGB2GRAY）      

   if t ＝＝ 0：

       ＃ Train background with first frame

       background ＝ frame＿gray

   else：

       ＃ Background subtraction

       diff ＝ cv2．a(chǎn)bsdiff（background， frame＿gray）

       ＃ Mask thresholding

       ret， motion＿mask ＝ cv2．threshold（diff， THRESH， ASSIGN＿VALUE， cv2．THRESH＿BINARY）

       ＃ Update background

       background ＝ update＿background（frame＿gray， background， alpha ＝ ALPHA）

       ＃ Display the motion mask and background

       cv2．imshow（＇Motion mask＇， motion＿mask）

       cv2．imshow（＇Background＇， background）

自適應(yīng)背景減法代碼

4． 高斯混合（MoG）

高斯混合是一種廣泛使用的背景建模方法，用于從靜態(tài)相機(jī)中檢測運動物體。

簡而言之，這種方法首先將每個像素建模為加權(quán)高斯的總和，其中權(quán)重定義了每個高斯的貢獻(xiàn)。擁有多個高斯而不是一個的直覺是一個像素可以代表許多對象（例如雪花和后面的建筑物）。通過使用以前的幀計算顏色直方圖，我們可以知道對象可能是背景或前景對象。

例如，當(dāng)我們得到一個具有大權(quán)重和小標(biāo)準(zhǔn)偏差的高斯時，這意味著所描述的對象經(jīng)常出現(xiàn)并且在幀之間沒有變化，因此它可能是背景的一部分。這就是算法的工作原理；每個輸入像素都會根據(jù)可用模型進(jìn)行檢查。在匹配的情況下，我們更新模型的權(quán)重、均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如果權(quán)重除以標(biāo)準(zhǔn)差很大，我們將像素分類為背景，否則分類為前景。

MAX＿FRAMES ＝ 1000

LEARNING＿RATE ＝ －1  

fgbg ＝ cv2．createBackgroundSubtractorMOG2（）

cap ＝ cv2．VideoCapture（0）

for t in range（MAX＿FRAMES）：

   ＃ Capture frame－by－frame

   ret， frame ＝ cap．read（）

   ＃Apply MOG

   motion＿mask ＝ fgbg．a(chǎn)pply（frame， LEARNING＿RATE）

   ＃Get background

   background ＝ fgbg．getBackgroundImage（）

   ＃ Display the motion mask and background

   cv2．imshow（＇background＇， background）

   cv2．imshow（＇Motion Mask＇， motion＿mask）

混合高斯碼

       原文標(biāo)題 : 運動檢測技術(shù)（OpenCV 上的代碼）