姜 靜， 張棟梁

(周口師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 河南 周口 466001)

隨著視頻資料日益豐富，人們對(duì)于視頻數(shù)據(jù)庫的訪問也越來越頻繁，然而用戶如何高效地檢索到所需的視頻成為研究的熱點(diǎn)，即視頻檢索技術(shù).傳統(tǒng)的視頻檢索描述能力有限，主觀性又強(qiáng)，且需手工標(biāo)注，因此視頻檢索出現(xiàn)了一種新的方法——基于內(nèi)容的視頻檢索[1].該方法研究的重點(diǎn)主要集中在鏡頭分割、關(guān)鍵幀提取及鏡頭語義描述和視頻檢索上，雖然有一些演示系統(tǒng)，但是不很理想，視頻檢索的研究仍不成熟.

本文在基于內(nèi)容的視頻檢索基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于鏡頭的視頻檢索系統(tǒng).在視頻鏡頭檢測方面，采用了一種基于相鄰尺度小波變換乘積的鏡頭檢測方法，該方法能同時(shí)檢測出幾乎所有的突變鏡頭和漸變鏡頭.在對(duì)視頻的內(nèi)容特征提取方面, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)鏡頭內(nèi)容的多層次描述.在對(duì)視頻的關(guān)鍵幀提取方面，采用了一種基于多特征自適應(yīng)閾值檢測的關(guān)鍵幀提取方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鏡頭內(nèi)容的多層次描述，并且所選取的關(guān)鍵幀能夠很好的反映視頻內(nèi)容.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于內(nèi)容的視頻檢索系統(tǒng)[2]是連接信息用戶與多媒體數(shù)據(jù)庫的服務(wù)系統(tǒng)，該檢索系統(tǒng)首先對(duì)視頻進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將視頻序列分割成鏡頭，并從分割后的鏡頭中選取出若干關(guān)鍵幀；然后進(jìn)行特征提取，把提取的特征存入視頻數(shù)據(jù)庫；最后根據(jù)用戶提交的查詢按照一定特征進(jìn)行檢索，將檢索結(jié)果按相似性程度反饋給用戶.該視頻檢索系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

在此視頻檢索系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖中，本系統(tǒng)主要對(duì)鏡頭邊緣檢測及關(guān)鍵幀提取進(jìn)行重點(diǎn)研究，利用鏡頭特征提取的紋理/邊緣特征進(jìn)行小波變換檢測出鏡頭邊緣，利用鏡頭特征的顏色特征和紋理/邊緣特征進(jìn)行特征融合來提取關(guān)鍵幀，最后綜合各自研究方法通過檢索平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證.

1.2 鏡頭的邊緣檢測

視頻鏡頭邊緣檢測作為視頻結(jié)構(gòu)建立的第一步，是視頻結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容，其結(jié)果直接影響到視頻檢索的效率，因此成為基于內(nèi)容的視頻檢索首要的也是最關(guān)鍵的一步[3].本系統(tǒng)采用了一種基于相鄰尺度小波變換乘積的鏡頭邊緣檢測方法.該方法首先對(duì)鏡頭內(nèi)的每視頻幀圖像進(jìn)行小波變換，并求出各幀圖像相鄰尺度小波變換尺度積的模和方向，然后計(jì)算連續(xù)幀圖像尺度積及模之間的絕對(duì)距離，得到兩幀之間的不連續(xù)值，最后采用自適應(yīng)閥值分割，檢測出鏡頭邊緣.一組相鄰幀圖像的算法處理流程圖如圖2所示.

首先對(duì)圖像幀進(jìn)行尺度j上的小波變換，可知隨著尺度j的增加，邊緣的小波變換緩慢減少，噪聲的小波變換迅速減少[4]，因而我們把相鄰尺度的小波變換進(jìn)行相乘將有利于增強(qiáng)邊緣和抑制噪聲，可利用二維信號(hào)相鄰尺度水平和垂直方向小波變換的乘積.然后利用直方圖絕對(duì)差值方法，求得視頻幀之間的相鄰尺度小波變換尺度積模和方向的不連續(xù)值δ和θ.最后采用自適應(yīng)閾值T=μ+rσ檢測出鏡頭邊緣.其中r為預(yù)先設(shè)定的常數(shù)，r越大，錯(cuò)誤檢出的概率越小；r越小，錯(cuò)誤檢出的概率越大.μ和σ是當(dāng)前鏡頭內(nèi)δ值的均值和方差.

1.3 視頻關(guān)鍵幀提取

關(guān)鍵幀提取是基于內(nèi)容的視頻檢索的一個(gè)重要的組成部分，其算法的優(yōu)劣直接影響視頻檢索的效率.針對(duì)現(xiàn)有關(guān)鍵幀提取算法存在的特征選取單一、閾值選擇困難的問題，本系統(tǒng)提出了一種新的基于多特征自適應(yīng)閾值檢測的關(guān)鍵幀提取方法.首先，提取顏色特征、邊緣輪廓特征，然后利用多特征融合的幀間差值來捕獲視頻內(nèi)容的顯著變化，利用了自適應(yīng)閾值進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵幀提取.

(1)特征提取

特征提取是視頻檢索的基礎(chǔ)，當(dāng)視頻分割成鏡頭后，就要對(duì)各個(gè)鏡頭進(jìn)行特征提取，得到一個(gè)盡可能充分反映鏡頭內(nèi)容的特征空間，這個(gè)特征空間將作為視頻聚類和檢索的依據(jù)[5].

本系統(tǒng)選擇顏色特征和邊緣輪廓特征，其中顏色特征利用HSV顏色空間與人的視覺感知系統(tǒng)有較好的一致性，可將H，S，V等三個(gè)分量按照人的顏色感知進(jìn)行非等間隔的量化，把量化后的3個(gè)顏色分量合成為一維特征向量：

I=9H+3S+V

(1)

而邊緣輪廓特征的提取利用上面鏡頭邊緣檢測中的對(duì)于特征的提取獲得.

(2)幀間差

綜合上面兩種特征,我們定義算法中多特征融合的幀間差值[6]為

D(i,i+1)=d(i,i+1)+δ(i,i+1)/δmax

(2)

其中：d(i,i+1)是顏色特征中相鄰圖像幀的一維直方圖距離，δ(i,i+1)為邊緣輪廓特征中相鄰圖像小波變換尺度積的模的差值，δmax為一組圖像幀中相鄰圖像小波變換尺度積的模差值的最大值.這樣，我們?cè)谶x擇閾值時(shí)，通過兩個(gè)特征進(jìn)行綜合考慮，既避免了復(fù)雜的閾值選擇，又能準(zhǔn)確地描述圖像幀之間視覺內(nèi)容上的差異.

(3)自適應(yīng)閾值

在提取關(guān)鍵幀時(shí)，若設(shè)定的閾值過小，就會(huì)提取過多的關(guān)鍵幀；若設(shè)定的閾值過大，提取到的關(guān)鍵幀不能代表鏡頭.而且對(duì)于不同內(nèi)容的視頻序列，也不可能設(shè)定統(tǒng)一的閾值.因此本系統(tǒng)采用自動(dòng)選取閾值的方法來提取關(guān)鍵幀[7].根據(jù)上述幀間差計(jì)算過程中式(2)得出的D(i,i+1)，并定義閾值

其中M是一個(gè)視頻序列中的幀數(shù).若D(i,i+1)>T，則確定該幀為關(guān)鍵幀，否則丟棄.

為了檢測本算法的效果，選用了兩個(gè)具有不同特點(diǎn)的視頻片段組成本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，包括一個(gè)精彩的演講片段(YJ)，以及兩個(gè)小丑的幽默短片(GX).首先對(duì)這些視頻序列檢測鏡頭邊界，然后分別根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]中提出的多特征融合的幀間差和自適應(yīng)閾值檢測的方法提取關(guān)鍵幀，結(jié)果見表1、表2.

從以上結(jié)果可知，雖然本方法提出的關(guān)鍵幀仍有部分冗余，但仍然遵循關(guān)鍵幀提取“寧多勿缺”的原則.另外，算法中提出的關(guān)鍵幀大部分能較好或很好地表示視頻內(nèi)容，不能表示視頻內(nèi)容的一小部分幀即可認(rèn)為是冗余幀，且有較低的計(jì)算復(fù)雜度.

2 測試與驗(yàn)證

視頻檢索系統(tǒng)的原理與圖像檢索系統(tǒng)類似，對(duì)視頻流樣本進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，解析出全部鏡頭及每個(gè)鏡頭的關(guān)鍵幀.本系統(tǒng)以一個(gè)搞笑短片作為視頻檢索的實(shí)例，首先解析出鏡頭包含的關(guān)鍵幀，然后選中某一關(guān)鍵幀作為檢索樣例.圖3是針對(duì)綜合加權(quán)得到的檢索結(jié)果.

另外，視頻檢測系統(tǒng)常用查準(zhǔn)率和查全率來分析數(shù)據(jù),查準(zhǔn)率表示查詢返回?cái)?shù)據(jù)中正確的數(shù)據(jù)占返回?cái)?shù)據(jù)的比例，而查全率代表查詢返回中所有正確的數(shù)據(jù)占所有正確數(shù)據(jù)的比例[10].本文也分別對(duì)方法(1)綜合加權(quán)得到特征、方法(2)只提取顏色特征、方法(3)只提取紋理/邊緣特征利用本系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行查詢，根據(jù)查詢結(jié)果進(jìn)行查準(zhǔn)率和查詢率分析，如表3系統(tǒng)的檢索結(jié)果所示.

從檢索結(jié)果可以看出,在查全率和準(zhǔn)確率上方法(1)明顯好于其它兩種方法，可見該視頻檢索系統(tǒng)對(duì)于視頻變化比較細(xì)微的鏡頭查詢具有很好的查準(zhǔn)率和查全率.

3 結(jié)束語

本研究實(shí)現(xiàn)了一種基于鏡頭內(nèi)容的視頻檢索系統(tǒng)，并給出了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程.在鏡頭邊緣檢測方面，采用一種基于相鄰尺度小波變換乘積的鏡頭檢測方法.在視頻關(guān)鍵幀提取方面，采用了一種基于多特征自適應(yīng)閾值檢測的關(guān)鍵提取方法，實(shí)現(xiàn)了鏡頭內(nèi)容的多層次描述，并使得所選取的關(guān)鍵幀能夠很好的反映視頻內(nèi)容.

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