一种基于光学相关的低存储监控方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于光学相关的低存储监控方法，其主要技术特点是：视频采集模块针对视频流数据按照一定频率提取样本图像；图像处理模块根据SSIM方法对样本图像进行图像相关性计算；图像处理模块判断图像相关性是否大于预设阈值，如果不大于预设阈值，则进行视频存储；否则进行图像存储。本发明对采集到的视频图像进行图像相关性比较，智能判断是否出现周界入侵事件，有选择性地保存视频数据，可通过不存储环境未发生周界入侵事件时的无意义数据而达到节省内存的目的，解决了现有视频监控系统存在的构建成本高、占用存储空间大、能耗较高等问题，可广泛应用于物流系统运输过程中的安防视频监控、停车场与宿舍区夜间安防监控等视频监控场合。
【专利说明】一种基于光学相关的低存储监控方法
【技术领域】
[0001]本发明属于视频监控【技术领域】，尤其是一种基于光学相关的低存储监控方法。
【背景技术】
[0002]随着监控系统由最初的闭路电视(CCTV，ClosedCircuitTelevis1n)到后来的“模拟-数字”监控系统，再发展到如今的全IP监控系统，监控系统在安防中起着越来越重要的作用。
[0003]为真实记录视频数据，高清视频监控系统也应运而生。高清视频监控生成的MPEG4或AVI数据文件大小动辄是几G到几十G，超大视频文件的出现对监控系统的存储设备提出了严格的要求。据了解，高清视频在经过不同的编码处理以后，一般码率在6-20Mb之间，由于压缩效率、压缩方式不同，所获得的最终文件大小约为:3-10GB/小时。目前720P高清视频摄像资料每小时视频录像可压缩到3GB左右容量，而一般的监控系统摄像路数都是几百乃至上千路，所以需要更多的存储设备来存储高清视频数据。以此为例，按一个月保存时间要求计算，可以得到这样一个数据:3GB/小时X24小时X30天Xl路=2.16T。每存储一路视频数据需要2T以上的存储空间，那么一个拥有500路高清视频监控系统，需要保存30天的监控数据所需的最少存储容量是1PB。
[0004]目前对于高清视频存储大容量的问题，通常采取增加存储容量的解决方法，如果长时间保存监控录像，需要大量的存储设备，由此就会产生巨大的成本。此外，采取压缩视频的方法虽然在一定程度上减少了对于存储容量的需求，但由此对视频数据的真实性、稳定性及安全性问题提出了更高的要求。由于绝大多数安防摄像设备全天候记录周界环境数据，而在未出现周界入侵事件时，因此采集到的视频数据并无实际意义，这些无意义数据占用了大量内存空间。
[0005]综上所述，现有视频监控系统普遍存在构建成本闻、占用存储空间大、能耗较闻等问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光学相关的低存储监控方法，其通过对视频图像进行图像相关性比较，在环境中未发生周界入侵事件时，只记录一幅图像，解决了视频监控系统构建成本高、占用存储空间大、能耗较高等问题。
[0007]本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的:
[0008]一种基于光学相关的低存储监控方法，包括以下步骤:
[0009]步骤1、视频采集模块针对视频流数据按照一定频率提取样本图像；
[0010]步骤2、图像处理模块根据SSIM方法对样本图像进行图像相关性计算；
[0011]步骤3、图像处理模块判断图像相关性是否大于预设阈值？如果不大于预设阈值，则进行视频存储；否则进行图像存储。
[0012]而且，所述步骤图像相关性计算采用如下公式:
[0013]S(x, y) = [I (x, y)]α.[c(x, y) ]0.[s(x, y) ]Y
[0014]其中，函数S(x,y)为图像相关性，I (x,y)表示亮度的比较函数；c (x, y)表示对比度的比较函数；s(x，y)表示结构度的比较函数；α，β，γ均为正值，分别表示三个函数在相关性中的权重；上述三个比较函数的表达式分别为:
2μ,μ? + C1
[0015]lixfy^lIJTpTF1
2σχσ + C2
[0016]
[0017]= JZ.r
aXefy + C3
[0018]式中，x，y分别表示目标图像和背景图像的坐标位置，^与、分别表示^7坐标的均值，σ x与σ y分别表示X, y的标准差，O xy表示X，y的协方差；C1, C2, C3为常数。
[0019]而且，所述结构度的比较函数采用频域加权处理，其协方采用频域加权协方差。
[0020]而且，所述预设阈值根据实际的光照、监测范围、角度条件进行设置。
[0021]而且，所述步骤3进行图像存储的具体过程为:
[0022]判断是否处于视频存储状态？如果处于视频存储状态，则停止存储视频、插入时间节点、视频压缩存储，然后将目标图像作为原图像并进行目标图像存储；如果未处于视频存储状态，将目标图像作为原图像并进行目标图像存储。
[0023]本发明的优点和积极效果是:
[0024]本发明对采集到的视频图像进行图像相关性比较，智能判断是否出现周界入侵事件，有选择性地保存视频数据，可通过不存储环境未发生周界入侵事件时的无意义数据而达到节省内存的目的，可以显著减小存储视频数据所需空间，提高有效信息密度，并最终实现在便携式智能终端上的集成，实现低功耗、便携的视频监控系统布置，解决了现有视频监控系统存在的构建成本高、占用存储空间大、能耗较高等问题，可广泛应用于物流系统运输过程中的安防视频监控，停车场与宿舍区夜间安防监控，临时性的监控系统布置、手机防盗等针对于入侵事件的视频监控场合。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明采用的视频监控系统的模型图；
[0026]图2为本发明的处理流程示意图。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
[0028]一种基于光学相关的低存储监控方法，是在图1所示的视频监控系统的框架下实现的。本监控系统在软件层面上，通过对视频帧的处理分析，对视频流数据进行选择性存储，从而减小内存占用，高效利用存储空间的多个模块。上述视频监控系统包括以下处理模块:
[0029](I)视频采集模块
[0030]视频采集模块针对视频流数据按照一定频率提取样本帧，并将采集帧传送到视频处理模块，对记录周界入侵事件的视频流数据进行录入和存储。
[0031]按帧将视频保存，同时安插图像处理模块，实现对视频流存储的反馈控制。当图像相似度达到阈值要求时，终止当前视频流存储，转向图像处理模块进行取帧比较。
[0032](2)视频处理模块
[0033]视频处理模块主要实现入侵事件视频的存储功能，因此需要确定视频的编码方式。所谓视频编码方式就是指通过特定的压缩技术，将某个视频格式的文件转换成另一种视频格式文件的方式。
[0034](3)图像处理模块
[0035]图像处理模块对样本图像进行联合图像预处理，去除光照及噪声的影响。按照图像相关性比较算法，进行相关性比较，与视频处理系统进行交互。与此同时，该模块会将样本图像相关度值同预设阈值进行比较，判断是否发生周界入侵事件，并对视频流的存储实现反馈控制。
[0036](4)存储控制模块
[0037]存储控制模块用于与前面三个模块进行协调交互，并控制视频流数据的存储以及调整摄像头的截取图片的帧率，并且设定图像比对的阈值和各种参数的设定。
[0038]一种基于光学相关的低存储监控方法，如图2所示，包括以下步骤:
[0039]步骤1、视频采集模块针对视频流数据按照一定频率提取样本图像。
[0040]步骤2、图像处理模块根据SSIM方法对样本图像进行图像相关性计算。
[0041]在本步骤中，图像处理模块首先对图像进行预处理，去除光照及噪声的影响，然后对样本图像进行图像相关性计算。
[0042]在本处理过程中，对样本图像进行相关性计算时，采用基于结构相似度信息的图像质量评价方法(SSIM 方法，Structural Similarity Index Measurement System),即米用基于结构失真评价图像质量法，用于图像处理过程中的图片相似度评估。通过目标图像和背景图像的SSIM处理获取相关度，若结构失真度不大，即认为图像相关性较强，反之则认为相关度较差。通过相关度与预设阈值的比较判断是否存在入侵事件。SSIM算法的核心公式可表示为:
[0043]S (X, y) = f (I (X, y), c(x, y), s (x, y))
[0044]其中，使用函数S(x，y)描述目标图像与背景图像之间的相似性，作为相关度；l(x，y)表示亮度的比较函数；c(x, y)表示对比度的比较函数；s(x, y)表示结构度的比较函数；f O为整合函数，三个函数相互独立。上述三个函数的表达式分别为:
「 I I, 、+ C1
[0045]=
f+ C2
[0046]c(:,>，)、2+42+Q
[0047]s(x,y)=
[0048]式中，x，y分别表示目标图像和背景图像的坐标位置，^与1^分别表示1，7坐标的均值，σ x与σ y分别表示X, y的标准差，O xy表示X，y的协方差；C1, C2, C3为常数。
[0049]结合以上函数表达形式，图像相关性可以表示为:
[0050]S(x, y) = [I (x, y)] °.[c(x, y) ]0.[s(x, y) ] Y
[0051]其中，α，β，Y均为正值，表示三个函数在相关性测量中的权重。目标图形和背景图像的相似度通过求整个图像中S(x，y)的算术均值而得。
[0052]由于实验中发现单纯基于SSIM的算术平均值在目标图像产生模糊情况下(对应实际情况下的雾霾监测条件或镜头污染)与背景图像的相似度降低，因此，本处理方法采用引入频域分析的结构相似度算法，根据频域对于不同频率信息的敏感程度进行处理。
[0053]由光学的图像分析理论的基本结论，获得的图像信息中低频部分表示图像的轮廓，而高频部分对应图像的细节。频域的SSIM分析中将结构度的比较函数进行频域加权处理，将原有坐标的协方差换为频域加权协方差
[0054]5f(x, y)=參
σχσγ + C3
[0055]通过以上处理，可以增大目标图像与背景图像进行相关运算中的低频成分权重，比较两图片的大概轮廓相似度，适当减小相关运算中低频成分的权重，即忽略图像细节，从而排除因细节变化引起目标图像与背景图像相关度下降引发入侵事件误判的情况。
[0056]步骤3、图像处理模块判断图像相关性是否大于预设阈值？如果不大于预设阈值，则说明有环境中发生周界入侵事件，则通过视频处理模块进行视频存储；否则说明环境中未发生周界入侵事件，则存储目标图像。
[0057]本步骤通过图像相关性与预设阈值进行比较，判断监控环境中是否发生入侵事件，当相关峰值低于阈值，即环境中发生周界入侵事件时，则需要存储完整的视频数据，以真实记录入侵事件的发生，当相关性高于预设阈值，即环境中未发生周界入侵事件时，只记录一幅图像，从而达到降低得到的数据文件的大小来节约内存的目的。
[0058]在本步骤中，预设阈值需要根据实际的光照、监测范围、角度等条件进行设置。例如在弱光照、无风、无镜面的条件下，预设阈值设置为0.87 ;在弱光照、无风、有镜面的条件下，预设阈值设置为0.82 ;在强光照、无风、无镜面的条件下，预设阈值设置为0.78 ;在强光照、无风、有镜面的条件下，预设阈值设置为0.73。
[0059]对于视频数据的存储，通过视频处理模块进行。
[0060]本步骤在具体实现时，在环境中未发生周界入侵事件时，具体处理过程如下:
[0061]判断是否处于视频存储状态？
[0062]如果处于视频存储状态，则停止存储视频、插入时间节点、视频压缩存储，然后将目标图像作为原图像并进行目标图像存储；
[0063]如果不处于视频存储状态，将目标图像作为原图像并进行目标图像存储。
[0064]通过以上处理过程实现环境中未发生周界入侵事件时的图像存储功能。
[0065]本发明通过对采集到的视频图像进行处理，去除环境光照等干扰因素后进而进行图像相关性比较，将比较结果以相关度数值形式进行反馈并与系统预设的相关度阈值进行比较，从而判断监控环境中是否发生入侵事件。当相关峰值低于预设阈值，即环境中发生入侵事件时，完全存储得到的录像，同时记录入侵事件发生时的时间节点信息，以真实记录入侵事件的发生，并方便事后监控人员资料调取；当相关峰值高于阈值，即环境中未发生入侵事件时，只记录一幅图像，从而达到降低得到的数据文件的大小来节约内存的目的。
[0066]在实际应用过程当中，本发明可整合成嵌入式图像检测系统，实现在手机等存储空间偏小的便携式智能终端上的使用。系统可直接使用手机附带摄像设备与数据存储设备完成对目标区域较长时间的视频监控，方便物流等行业的便携式、低成本、短时间内的安防视频监控。
[0067]需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于【具体实施方式】中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
【权利要求】
1.一种基于光学相关的低存储监控方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤1、视频采集模块针对视频流数据按照一定频率提取样本图像； 步骤2、图像处理模块根据SSIM方法对样本图像进行图像相关性计算； 步骤3、图像处理模块判断图像相关性是否大于预设阈值？如果不大于预设阈值，则进行视频存储；否则进行图像存储。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学相关的低存储监控方法，其特征在于:所述步骤图像相关性计算采用如下公式:
S(x, y) = [I (x, y)] α.[c(x, y)]0.[s(x, y) ]Y 其中，函数S(x，y)为图像相关性，l(x，y)表示亮度的比较函数；c (x，y)表示对比度的比较函数；s(x，y)表示结构度的比较函数；α，β，Y均为正值，分别表示三个函数在相关性中的权重；上述三个比较函数的表达式分别为: c(Xty) =tf1- k >yJ σχ2+σ/ + ?ζ
Kx.y)
W + Q 式中，x，y分别表示目标图像和背景图像的坐标位置，口!￡与4,分别表示1，7坐标的均值，σ x与σ y分别表示X, y的标准差，O xy表示X，y的协方差；C1, C2, C3为常数。
3.根据权利要求2所述的一种基于光学相关的低存储监控方法，其特征在于:所述结构度的比较函数采用频域加权处理，其协方采用频域加权协方差。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学相关的低存储监控方法，其特征在于:所述预设阈值根据实际光照、监测范围、角度条件进行设置。
5.根据权利要求1所述的一种基于光学相关的低存储监控方法，其特征在于:所述步骤3进行图像存储的具体过程为: 判断是否处于视频存储状态？如果处于视频存储状态，则停止存储视频、插入时间节点、视频压缩存储，然后将目标图像作为原图像并进行目标图像存储；如果未处于视频存储状态，将目标图像作为原图像并进行目标图像存储。
【文档编号】H04N7/18GK104320609SQ201410483696
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】郭浩, 孙承君, 冯帆, 史冠男, 李昂 申请人:南开大学