帧差法
由于场景中的目标在运动，目标的影像在不同图像帧中的位置不同。该类算法对时间上连续的两帧图像进行差分运算，不同帧对应的像素点相减，判断灰度差的绝对值，当绝对值超过一定阈值时，即可判断为运动目标，从而实现目标的检测功能。
帧差法示意图
帧差法非常简单，但是会引入噪音和空洞问题。
混合高斯模型
在进行前景检测前，先对背景进行训练，对图像中每个背景采用一个混合高斯模型进行模拟，每个背景的混合高斯的个数可以自适应。然后在测试阶段，对新来的像素进行GMM匹配，如果该像素值能够匹配其中一个高斯，则认为是背景，否则认为是前景。由于整个过程GMM模型在不断更新学习中，所以对动态背景有一定的鲁棒性。最后通过对一个有树枝摇摆的动态背景进行前景检测，取得了较好的效果。
在视频中对于像素点的变化情况应当是符合高斯分布。
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背景的实际分布应当是多个高斯分布混合在一起，每个高斯模型也可以带有权重：
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混合高斯模型学习方法：
- 首先初始化每个高斯模型矩阵参数。
- 取视频中T帧数据图像用来训练高斯混合模型。来了第一个像素之后用它来当做第一个高斯分布。
- 当后面来的像素值时，与前面已有的高斯的均值比较，如果该像素点的值与其模型均值差在3倍的方差内，则属于该分布，并对其进行参数更新。
- 如果下一次来的像素不满足当前高斯分布，用它来创建一个新的高斯分布。
混合高斯模型测试方法
在测试阶段，对新来像素点的值与混合高斯模型中的每一个均值进行比较，如果其差值在2倍的方差之间的话，则认为是背景，否则认为是前景。将前景赋值为255，背景赋值为0。这样就形成了一副前景二值图。
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代码实现
import numpy as np
import cv2
#经典的测试视频
cap = cv2.VideoCapture('test.avi')
#形态学操作需要使用
kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_ELLIPSE,(3,3))
#创建混合高斯模型用于背景建模
fgbg = cv2.createBackgroundSubtractorMOG2()
while(True):
ret, frame = cap.read()
fgmask = fgbg.apply(frame)
#形态学开运算去噪点
fgmask = cv2.morphologyEx(fgmask, cv2.MORPH_OPEN, kernel)
#寻找视频中的轮廓
im, contours, hierarchy = cv2.findContours(fgmask, cv2.RETR_EXTERNAL, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
for c in contours:
#计算各轮廓的周长
perimeter = cv2.arcLength(c,True)
if perimeter > 188:
#找到一个直矩形（不会旋转）
x,y,w,h = cv2.boundingRect(c)
#画出这个矩形
cv2.rectangle(frame,(x,y),(x+w,y+h),(0,255,0),2)
cv2.imshow('frame',frame)
cv2.imshow('fgmask', fgmask)
k = cv2.waitKey(150) & 0xff
if k == 27:
break
cap.release()
cv2.destroyAllWindows()
实验效果
大体的实验效果如下图所示：
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