基于jpeg图像的目标异常检测装置的制作方法

专利名称：基于jpeg图像的目标异常检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于JPEG图像的目标异常检测装置。
背景技术：
随着人们生活要质量的提高，监控系统发展迅速。利用图像检测技术实现监控是一 种常用方法。目前，常用的图像目标异常检测方法是帧差法，例如申请号为 200510001843.4的中国专利公开了一种远程监控的方法与系统，其判断监控现场是否出 现异常目标的方法为以YUV格式采集图像数据，去掉图像中的UV分量，利用边缘 提取算法，提取出灰度图像边缘。比较本次灰度图像边缘与上次灰度图像边缘，判断位 置之差在设定范围之外的边缘点的个数是否大于某个阈值，如果是，则认为出现了异常 目标。还例如《高技术通讯》中一篇名为《数字化家庭图像监控系统》的文献介绍了作 者设计实现了经济实用的数字化家庭图像监控系统，该系统以Windows Java2为开发平 台，以廉价的USB摄像头为图像釆集设备。针对USB摄像头采集图像效果差，提出了 一种联合利用YUV颜色空间图像像素亮度和色彩分量检测运动对象方法，并能在异常 发生时快速报警。
上述帧差法实现图像目标异常检测方法容易受到图像噪声的影响，结果容易失真， 同时处理的数据量很大，以每帧320X240像素的非彩图像为例，每进行一次比较要读 取320X240X2 = 153600个灰度数值，做320X240 = 76800次绝对值减法、比较转移等。 尤其是当提高图像的分辨率时，算法用时将以平方速率增长。
另外还有一种块平均值比较法用于异常目标检测。这种方法在帧差法基础上改进而 来，它将图像分为M个NXN的子块，并对子块求平均值。比较时，先比较前后两帧 对应子块的变化情况，如果大于某一阈值Tl，则认为该子块发生了变化。然后计算发 生变化的子块数目，如果子块数目大于阈值T2，则认为发生了确定的异常变化。《海 军工程大学学报》中公布的一篇《视频监控系统中的动目标检测新方法》文献就提出了 一种新的同时考虑运动像素的时间和空间相关性的算法。算法中利用运动目标的空间相 关性，将帧间差分图像分块，用图像块代替像素来进行动目标检测，实验证明该算法具 有一定的抗噪性能。
但是块平均值比较法以子块的平均值做阈值比较，相当于对图像作了一次均值滤 波，可以有效地抑制高斯噪声，并且阈值的选取更容易，运算量更小，在采集分辨率为 320X240的情况下，每块平均后其处理的数据量为40X30，小于帧差法，因此算法实现较简单。虽然块平均值比较法的运算量得到大幅度减少，但当输入的图像格式为JPEG 图像时，如果采用这种方法，必须将JPEG图像解码成点阵格式，而将JPEG图像解码 成点阵格式这个步骤运算量就很大。
另外，上述现有图像监控系统中，均采用基于YUV格式的图像数据进行处理并识 别判断，然后再压縮成JPEG图像进行传输。采用这种方法有两个主要问题第一，未 经压缩的YUV格式的图像数据量大，因此处理时运算量也大，从图像数据输入到结果 判断结束耗时长，所需要的系统资源较多，无法适合嵌入式系统中实时性要求；第二， 通过具有JPEG压縮功能的摄像头或其它接口(如USB、网络)输入的JPEG图像数据， 如果还要采用己有方法，必须先解码并获得YUV格式的图像数据，这样实现的代价大。

实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种计算效率高、直接对JPEG图像数据进 行分析与特征提取，从而检测出目标异常的基于JPEG图像的目标异常检测装置。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为该基于JPEG图像的目标异常 检测装置，包括JPEG图像输入单元，JPEG图像异常检测单元，所述JPEG图像输入单 元通过通信接口与所述JPEG图像异常检测单元相连，其特征在于所述JPEG图像异 常检测单元包括有
第一存储模块,用于存储预设的JPEG图像亮度误差阈值、第一最大误差个数、JPEG 图像色度误差阈值、第二最大误差个数；
一 Huffman解码模块，对接收的JPEG图像进行解码，并得到JPEG图像的亮度Y 分量的直流离散余弦系数组成的数组、色差U分量的直流离散余弦系数组成的数组以及 色差V分量的直流离散余弦系数组成的数组；
第二存储模i央，用来存储JPEG图像的亮度Y分量的直流离散余弦系数组成的数组、 色差U分量的直流离散余弦系数组成的数组以及色差V分量的直流离散余弦系数组成 的数组；
第一统计模块，用来统计对接收的JPEG图像中前后连续的两帧JPEG图像的亮度 Y分量的直流离散余弦系数偏离JPEG图像亮度误差阈值之外的总个数；
第二统计模块，用来统计对接收的JPEG图像中前后连续的两帧JPEG图像的色差 U、 V分量的直流离散余弦系数偏离JPEG图像色度误差阈值之外的总个数；
一比较器，比较第一统计模块输出值与预设的第一最大误差个数，如果第一统计模 块输出值大于等于第一最大误差个数，则输出目标异常的开关量；如果第一统计模块输 出值小于第一最大误差个数，则比较第二统计模块输出值与预设的第二最大误差个数， 如果第二统计模块输出值大于等于第二最大误差个数，则输出目标异常的开关量，否则 就输出目标正常的开关量。
4与现有技术相比，本实用新型的优点在于
第一，对于JPEG图像输入的监控系统，如果采用现有技术中的方法及装置，就必 须先将JPEG图像数据解码成图像YUV数据，然后进行前后两帧图像的比较以检测异 常目标。本实用新型直接对JPEG图像数据进行处理，省去将JPEG图像解码成YUV数 据的过程，直接对前后两帧图像进行比较以检测目标异常。虽然本实用新型也需要从 JPEG中提取亮度、色差的直流离散余弦系数分量，但与将JPEG图像解码成YUV数据 相比，这个步骤只是解码过程中的一部分运算，省去了反量化、重排序与反向离散余弦 (IDCT)等运算工作，从而大大地提高异常目标检测速度；
第二，由于本实用新型不是对YUV图像数据进行处理，而是通过时间上前后连续 的两帧JPEG的亮度Y分量与色差U、 V分量的比较来决定是否存在目标异常现象，每 个基本像素块(8*8)才有1个字节的亮度Y分量与一个字节的色差分量，而在RGB格式 时每一个像素就有3个字节，YUV格式(以YUV422为例)时每一个像素有一个字节的 Y分量、每2*2个像素还有1个字节的U分量与1个字节的V分量，因此本实用新型 与采用YUV图像数据处理方法的装置相比，数据量存储空间、存取次数和运算量均较 少，从而使所必需系统资源大大减少；
第三，已有装置一般采用先输入YUV数据存储在缓冲区内，再对YUV数据进行 处理，判断是否有目标异常，然后再压縮成JPEG图像。本实用新型对JPEG图像数据 直接处理，监控系统可以把图像压縮与图像检测分成两部分，图像压縮采用专用芯片， 压縮后将数据存储在缓冲区内，再进行图像检测，从而使得系统中数据传输流量与缓冲 容量减少，系统所需硬件资源相应也少。减少量与JPEG压縮率T1(T^1)有关，如果一幅 JPEG图像的数据量为N，则压縮前数据为N/ri，减少量为NX(l")/T!。


图1为本实用新型实施例中基于JPEG图像的目标异常检测装置的框图2为实施例中基于JPEG图像的目标异常检测方法的流程图； 图3实施例从JPEG图像中提取亮度Y分量、色差U、 V分量的直流离散余弦系数 组成的数组的流程图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
本实用新型提供了一种基于JPEG图像的目标异常检测装置，其包括JPEG图像输 入单元，JPEG图像异常检测单元，JPEG图像输入单元通过通信接口与JPEG图像异 常检测单元相连，JPEG图像异常检测单元包括有参见图1所示
第一存储模块，用于存储预设的JPEG图像亮度误差阈值7;、第一最大误差个数7;、JPEG图像色度误差阈值7^ 、第二最大误差个数7^ ;
一 Huffman解码模块，对接收的JPEG图像进行解码，并得到JPEG图像的亮度Y 分量的直流离散余弦系数组成的数组、色差U分量的直流离散余弦系数组成的数组以及 色差V分量的直流离散余弦系数组成的数组；
第二存储模i央，用来存储JPEG图像的亮度Y分量的直流离散余弦系数组成的数组、 色差U分量的直流离散余弦系数组成的数组以及色差V分量的直流离散余弦系数组成 的数组；
第一统计模块，用来统计对接收的JPEG图像中前后连续的两帧JPEG图像的亮度 Y分量的直流离散余弦系数偏离JPEG图像亮度误差阈值之外的总个数；
第二统计模块，用来统计对接收的JPEG图像中前后连续的两帧JPEG图像的色差 U、 V分量的直流离散余弦系数偏离JPEG图像色度误差阈值之外的总个数；
;一比较器，比较第一统计模块输出值与预设的第一最大误差个数，如果第一统计模 块输出值大于等于第一最大误差个数，则输出目标异常的开关量；如果第一统计模块输 出值小于第一最大误差个数，则比较第二统计模块输出值与预设的第二最大误差个数， 如果第二统计模块输出值大于等于第二最大误差个数，则输出目标异常的开关量，否则 就输出目标正常的开关量。
本实用新型提供的装置中，JPEG图像输入单元可以为USB摄像头或其他JPEG图 像输入设备，JPEG图像异常检测单元可以为包含以下处理模块的PC机、单片机，也可 以为包含以下处理模块的嵌入式系统。JPEG图像输入单元通过通信接口与JPEG图像 异常检测单元相连，而通信接口可以是串口、网络接口或无线通信接口等。
而JPEG图像异常检测单元通过以下方法进行JPEG图像的异常检测参见图2所
示
(1) 、在JPEG图像异常检测单元中预设JPEG图像亮度误差阈值i;、第一最大误差
个数7;、 JPEG图像色度误魉阈值:^、第二最大误差个数7^
(2) 、 JPEG图像异常检测单元接收JPEG图像输入单元输入的JPEG图像；
(3) 、 JPEG图像异常检测单元对接收的JPEG图像中前后连续的两帧JPEG图像进 行Huffman解码，分别得到前后连续的两帧JPEG图像的亮度Y分量的直流离散余弦系
数组成的数组DCy[1，2,3,......n]、色差U分量的直流离散余弦系数组成的数组
DCjl，2,3,......n]以及色差V分量的直流离散余弦系数组成的数组DCV [1,2,3,......n];
(4) 、 JPEG图像异常检测单元对前后连续的两帧JPEG图像的亮度Y分量的直流离 散余弦系数组成的数组进行比较，统计前后连续的两帧JPEG图像的亮度Y分量的直流离散余弦系数偏离所述JPEG图像亮度误差阈值i;之外的总个数F,如果得到的总个数 i^大于等于第一最大误差个数j;，则JPEG图像异常检测单元认为目标异常，并输出目
标异常的开关量，否则进入下一步骤；
(5)、 JPEG图像异常检测单元开始统计前后连续的两帧JPEG图像的色差U、 V分
量的直流离散余弦系数偏离JPEG图像色度误差阈值4之外的总个数i^，如果得到的
总个数i^大于等于第二最大误差个数r2，则JPEG图像异常检测单元认为目标异常，
并输出目标异常的开关量，否则输出目标正常的开关量。
上述步骤(3)中从JPEG图像中提取亮度Y分量、色差U、 V分量的直流离散余弦 系数组成的数组的过程为参见图3所示
(31) 、 JPEG图像异常检测单元根据接收到的JPEG图像的像素，除以一个基本像素 块的像素8*8，得到每帧JPEG图像的像素块个数；以320*240的JPEG图像为例，则 每帧JPEG图像的像素块个数为40*30个；
(32) 、对每帧JPEG图像中每个像素块进行Huffman解码，得到每个像素块的亮度
Y分量的直流离散余弦系数DC,、色差U分量的直流离散余弦系数iX^和色差V分量
的直流离散余弦系数ZX^;
(33) 、将每帧JPEG图像中所有像素块的亮度Y分量的直流离散余弦系数组成数组 即为Z)Cy[1，2,3,......n];将每帧JPEG图像中所有像素块的色差U分量的直流离散余弦
系数组成数组，即为i)Cu[1，2,3,......n];将每帧JPEG图像中所有像素块的色差V分量
的直流离散余弦系数也组成数组，即为DC,[1，2,3,......n]。
上述步骤(4)中前后连续的两帧JPEG图像的亮度Y分量的直流离散余弦系数偏离 所述JPEG图像亮度误差阈值7;之外的总个数的统计方法为
(41)、分别计算每个像素块亮度Y分量的误差值，每个像素块亮度Y分量的误差 值的计算方法为
|zx:y(t)-zx:y(t-i) ^ ，
如果得到的比值大于l，将当前像素块亮度Y分量的误差置1;如果得到的比值小 于等于l，则将当前像素块亮度Y分量的误差置O;
其中，Z)CV W表示前后连续的两帧JPEG图像中后一帧JPEG图像的亮度Y分量的直流离散余弦系数，"C"f-l)表示前后连续的两帧JPEG图像中前一帧JPEG图像的亮 度Y分量的直流离散余弦系数，？；表示预设的JPEG图像亮度误差阈值；
(42)、将所有像素块亮度Y分量的误差值进行累加，得到前后连续的两帧JPEG图 像的亮度Y分量的直流离散余弦系数在所述JPEG图像亮度误差阈值7;之外的总个数。
同样，以320X240的JPEG图像为例，前后连续的两帧JPEG图像的亮度Y分量的 直流离散余弦系数偏离所述JPEG图像亮度误差阈值7;之外的总个数乂
<formula>formula see original document page 8</formula>，其中，G(x)= ' — ^ ， t为时间参数，t-1
表示在t之前。
上述步骤(5)中前后连续的两帧JPEG图像的色差U、 V分量的直流离散余弦系数偏 离所述JPEG图像色度误差阈值乙之外的总个数的统计方法为
(51)、分别计算每个像素块色差U、 V分量的误差值，每个像素块色差U、 V分量 的误差值的计算方法为
V(Z)Cu (t)- (t -1))2 + (DG (t)- (t -1))2
如果得到的比值大于l，将当前像素块色差U、 V分量的误差置l;如果得到的比 值小于等于l，则将当前像素块色差U、 V分量的误差置O;
其中，￡>Cy W表示前后连续的两帧JPEG图像中后一帧JPEG图像的色差U分量的
直流离散余弦系数，DCjf -l)表示前后连续的两帧JPEG图像中前一帧JPEG图像的色 差U分量的直流离散余弦系数，iXV W表示前后连续的两帧JPEG图像中后一帧JPEG 图像的色差V分量的直流离散余弦系数，r>c,&-l)表示前后连续的两帧JPEG图像中 前一帧JPEG图像的色差V分量的直流离散余弦系数，7L表示预设的JPEG图像色度误
(52)、将所有像素块色差U、 V分量的误差值进行累加，得到前后连续的两帧JPEG
图像的色差u、 v分量的直流离散余弦系数在所述jpeg图像色度误差阈值(z;,)之外的
总个数。
同样，以320X240的JPEG图像为例，前后连续的两帧JPEG图像的色差U、 V分量的直流离散余弦系数偏离所述JPEG图像色度误差阈值7^之外的总个数i^为
<formula>formula see original document page 9</formula>其中，GW^""1，， t为时间参数，t-l表示在t之前。
上述过程中DCy、 DCu、 DCv的Huffman解码基本相同，只是所査的Huffman DC 表不同而已。以一个8X8像素块的Huffinan解码的具体实现为
① 、使用Huffman DC表取得一个Huffman码；
② 、进行Huffman解码，得到后面的数据位数，计算差分值Diff;
(D 、得到DC解码值二DC+Diff，即DC的解码值是由前一个像素块的DC解码值 加上当前像素块的DC差分值Diff而得到的。
要实现上述从比特流中査找出Huffman码的处理方法有很多种，这里按照Huffman 码的发生频率来得到Huffinan解码表，实现高效率的解码检索。Huffman解码表需要4 禾中(MINCODE， MAXCODE， VALPTR， HUFFVAL)表，这些表是基于Huffinan码表按 照下面的方法做出的。首先，将编码器中使用的Huffman码看成是由二进制数表示的整 数值，按照由小到大的顺序排列。基于这张表，对比特长为I的Huffman码，做出 MINCODE(I)、 MAXCODE(I)、 VALPTR(I)表。其中，MINCODE(I)和MAXCODE(I)是I 比特的Huffinan码的最小值和最大值，VALPTR(I)是表示MINCODE(I)在大小顺序表中 第几位的指针。然后，根据Huffman码的大小顺序做出排列解码值的表HUFFVAL(J)， 从而可以在HUFFVAL(J)用第J个较小的解码值来指定Huffman码。
权利要求1、基于JPEG图像的目标异常检测装置，包括JPEG图像输入单元，JPEG图像异常检测单元，所述JPEG图像输入单元通过通信接口与所述JPEG图像异常检测单元相连，其特征在于所述JPEG图像异常检测单元包括有第一存储模块，用于存储预设的JPEG图像亮度误差阈值(Ty)、第一最大误差个数(T1)、JPEG图像色度误差阈值(Tuv)、第二最大误差个数(T2)；一Huffman解码模块，对接收的JPEG图像进行解码，并得到JPEG图像的亮度Y分量的直流离散余弦系数组成的数组、色差U分量的直流离散余弦系数组成的数组以及色差V分量的直流离散余弦系数组成的数组；第二存储模块，用来存储JPEG图像的亮度Y分量的直流离散余弦系数组成的数组、色差U分量的直流离散余弦系数组成的数组以及色差V分量的直流离散余弦系数组成的数组；第一统计模块，用来统计对接收的JPEG图像中前后连续的两帧JPEG图像的亮度Y分量的直流离散余弦系数偏离JPEG图像亮度误差阈值之外的总个数；第二统计模块，用来统计对接收的JPEG图像中前后连续的两帧JPEG图像的色差U、V分量的直流离散余弦系数偏离JPEG图像色度误差阈值之外的总个数；一比较器，所述第一存储模块的输出端与该比较器的第一输入端相连，所述第一统计模块与该比较器的第二输入端相连，所述第二统计模块与该比较器的第三输入端相连。
专利摘要本实用新型涉及一种基于JPEG图像的目标异常检测装置，包括JPEG图像输入单元及通过通信接口与其相连的JPEG图像异常检测单元，其特征在于所述JPEG图像异常检测单元包括有第一存储模块、一Huffman解码模块、第二存储模块、第一统计模块、第二统计模块和一比较器，当通信接口传送过来JPEG图像时，JPEG图像异常检测单元对JPEG图像进行Huffman解码，得到直流离散余弦系数DC_Y、DC_U和DC_V，通过比较直流离散余弦系数从而判断出监控现场是否出现目标异常，输出相应的开关量。与现有技术相比，本实用新型直接对JPEG图像数据进行处理，省去将JPEG图像解码成YUV数据的过程，从而大大地提高异常目标检测速度。
文档编号G06K9/00GK201311643SQ20082016682
公开日2009年9月16日 申请日期2008年10月22日 优先权日2008年10月22日
发明者刘高平 申请人:浙江万里学院