opencv(15) OpenCV背景减除器（Background Subtractors）学习

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一. 多个背景减除器（Background Subtractors）算法

OpenCV 提供了多个背景减除器（Background Subtractors），每种算法都有不同的特点，适用于不同的应用场景。以下是主要的背景减除器及其特性：

1. cv2.createBackgroundSubtractorMOG2

简介

• 高斯混合模型 (Mixture of Gaussians, MOG) 的改进版本。
• 使用多个高斯分布来建模背景，每个像素点根据高斯模型的匹配情况判断是否属于前景。

参数

• history: 背景模型的历史帧数。
• varThreshold: 像素点属于背景的方差阈值。
• detectShadows: 是否检测阴影。

特性

• 优点：
  • 能够很好地处理光线变化。
  • 阴影检测（如果 detectShadows=True），阴影区域通常标记为灰色。
• 缺点：
  • 对于快速移动的前景或剧烈的光线变化，可能表现较差。
• 适用场景：
  • 视频监控。
  • 室外场景中的目标检测。

2. cv2.createBackgroundSubtractorKNN

简介

• 基于 K 近邻（K-Nearest Neighbors）的背景建模算法。
• 使用最近的帧进行背景建模，计算像素点与背景的欧几里得距离。

参数

• history: 背景模型的历史帧数。
• dist2Threshold: 判断像素点属于前景的平方距离阈值。
• detectShadows: 是否检测阴影。

特性

• 优点：
  • 对动态背景（如风吹树叶）表现较好。
  • 对于缓慢移动的物体，能适应背景更新。
• 缺点：
  • 阴影检测效果较弱（比 MOG2 稍差）。
• 适用场景：
  • 行人检测。
  • 交通场景中的车辆检测。

3. cv2.bgsegm.createBackgroundSubtractorMOG

简介

• MOG 的早期版本。
• 使用固定数量的高斯分布建模背景。

参数

• 与 MOG2 类似，但功能较少。

特性

• 优点：
  • 计算速度较快。
• 缺点：
  • 不能很好处理动态背景。
  • 阴影检测能力弱。
• 适用场景：
  • 资源有限的环境下的目标检测。

4. cv2.bgsegm.createBackgroundSubtractorGMG

简介

• 使用统计学方法和贝叶斯推断来建模背景。
• 初始几帧用于建模背景（热身阶段）。

参数

• initializationFrames: 初始化的帧数。
• decisionThreshold: 判断像素属于前景的阈值。

特性

• 优点：
  • 初始几帧之后，前景检测准确性较高。
  • 对突然的光线变化具有更好的鲁棒性。
• 缺点：
  • 热身阶段需要多帧图像。
  • 处理速度较慢。
• 适用场景：
  • 室外场景中的复杂背景建模。

5. cv2.bgsegm.createBackgroundSubtractorCNT

简介

• 基于非递归快速更新背景模型的算法。
• 不会保存背景模型的完整历史，使用计数器统计前景出现频率。

参数

• minPixelStability: 像素点被认为是背景所需的稳定帧数。
• useHistory: 是否使用历史帧。
• maxPixelStability: 像素点被认为是背景的最长帧数。

特性

• 优点：
  • 对内存的使用更少。
  • 计算效率高，适合实时应用。
• 缺点：
  • 对光线变化的适应性较弱。
• 适用场景：
  • 嵌入式系统或资源受限的设备。

6. cv2.bgsegm.createBackgroundSubtractorLSBP

简介

• 基于局部二值模式（Local Binary Pattern, LSBP）的背景减除器。
• 使用像素邻域的信息来建模背景。

参数

• lsbpRadius: LSBP 的半径。
• tLower, tUpper: 像素值的变化范围阈值。
• numSamples: 用于建模的样本数。

特性

• 优点：
  • 对动态背景和阴影具有较好的鲁棒性。
  • 对缓慢移动物体的检测效果优于传统算法。
• 缺点：
  • 计算复杂度较高。
• 适用场景：
  • 高分辨率视频的背景减除。
  • 复杂动态背景的前景检测。

7. cv2.bgsegm.createBackgroundSubtractorGSOC

简介

• 基于几何和颜色的背景减除算法。
• 将几何信息与颜色信息结合，用于背景建模。

特性

• 优点：
  • 对剧烈光线变化和动态背景有较好的鲁棒性。
  • 检测精度高，特别是对于复杂场景。
• 缺点：
  • 处理速度较慢。
• 适用场景：
  • 需要高精度目标检测的复杂背景场景。

选择合适的算法

根据应用场景选择合适的背景减除器：

1. 实时性要求高（低资源）：KNN, CNT。
2. 复杂动态背景：LSBP, GSOC。
3. 光线变化明显：MOG2, GMG。
4. 精度要求高：LSBP, GSOC。

二. 示例代码

以下是使用 OpenCV 提供的不同背景减除器的示例代码，展示如何加载视频并检测前景：

import cv2
import numpy as np

# 加载视频
video_path = "input_video.mp4"  # 替换为你的视频路径
cap = cv2.VideoCapture(video_path)

# 创建背景减除器实例
# 选择以下其中一种：
bg_subtractor = cv2.createBackgroundSubtractorMOG2(history=100, varThreshold=50, detectShadows=True)  # MOG2
# bg_subtractor = cv2.createBackgroundSubtractorKNN(history=100, dist2Threshold=400.0, detectShadows=False)  # KNN
# bg_subtractor = cv2.bgsegm.createBackgroundSubtractorGMG(initializationFrames=120, decisionThreshold=0.8)  # GMG
# bg_subtractor = cv2.bgsegm.createBackgroundSubtractorCNT(minPixelStability=15, useHistory=True, maxPixelStability=900)  # CNT
# bg_subtractor = cv2.bgsegm.createBackgroundSubtractorLSBP()  # LSBP
# bg_subtractor = cv2.bgsegm.createBackgroundSubtractorGSOC()  # GSOC

while cap.isOpened():
    ret, frame = cap.read()
    if not ret:
        break

    # 转换为灰度（根据需要）
    gray_frame = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

    # 应用背景减除器
    foreground_mask = bg_subtractor.apply(frame)

    # 后处理：去噪声和填充小孔
    kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_ELLIPSE, (3, 3))
    foreground_mask = cv2.morphologyEx(foreground_mask, cv2.MORPH_OPEN, kernel)
    foreground_mask = cv2.morphologyEx(foreground_mask, cv2.MORPH_CLOSE, kernel)

    # 可视化结果
    cv2.imshow('Original Frame', frame)
    cv2.imshow('Foreground Mask', foreground_mask)

    # 按 'q' 键退出
    if cv2.waitKey(30) & 0xFF == ord('q'):
        break

cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

说明

1. 背景减除器选择

   • 替换 bg_subtractor 的初始化部分来使用不同的背景减除器（如 MOG2、KNN 等）。

2. 后处理

   • 使用形态学操作（cv2.MORPH_OPEN 和 cv2.MORPH_CLOSE）来去除噪声和填补小孔。

3. 运行效果

   • Foreground Mask 窗口会显示前景区域的二值化结果（白色表示前景，黑色表示背景）。
   • 不同算法可能在相同场景下表现不同，例如：
     • MOG2 在处理光线变化时效果较好。
     • KNN 对缓慢变化的背景更鲁棒。

4. 性能调节

   • 调整 history、varThreshold、dist2Threshold 等参数来优化性能。

扩展

如果需要保存结果视频，可以加入以下代码：

# 初始化视频写入器
fourcc = cv2.VideoWriter_fourcc(*'XVID')
out = cv2.VideoWriter('output.avi', fourcc, 20.0, (frame.shape[1], frame.shape[0]))

# 在循环中添加：
out.write(foreground_mask)

# 循环结束后释放：
out.release()

这会将前景掩码保存为视频。根据需要可以进一步处理前景区域（如轮廓检测、目标跟踪等）。如果有特定需求，请随时告诉我！