改進的HSV陰影去除算法研究

摘 要：針對視頻序列圖像中運動目標的陰影會造成運動目標的物理變形，影響運動目標的檢測與跟蹤等問題，提出了一種基于HSV色彩空間的無閾值陰影去除算法。該方法通過分析陰影與背景的 HSV 彩色空間中的特性，并利用陰影與運動目標在 H、S、V 三個分量中的不同特點，提出了一種無閾值的陰影消除算法。實驗結果表明，該方法能夠很好地去除陰影區域，同時又保持前景目標區域的完整性。

關鍵字：陰影去除；無閾值；HSV彩色空間

中文分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）01-0084-03

0 引 言

近年來，智能視頻處理技術在商業、軍事和工業領域得到了廣泛的應用，如移動視頻通信、工業過程控制、自主運載器導航、智能交通、目標檢測與跟蹤等。其中，在智能視頻處理系統中，運動目標檢測與分析是后期處理與應用的基礎，要把場景中的運動目標從背景中提取出來，常用的運動目標檢測算法有幀間差分法、光流計算法、背景差減法[1]等方法。檢測運動目標大多采用背景差減法，但是常常由于光線在傳播過程中被遮擋，在運動目標附近就會形成陰影，陰影常被誤檢測為前景。然而，這些前景檢測算法都不能將運動目標和運動陰影區分出來。運動陰影嚴重影響目標分類、識別、跟蹤等后續處理。因此，如何準確地檢測與分割陰影成了智能視頻研究的一個重要課題。

在過去的幾十年中，國內外很多研究者進行了深入的研究，提出了各種陰影檢測與去除算法。王宏在其碩士論文中對分割目標陰影做了深入的研究，并提出了機遇直方圖和聚類技術陰影去除算法、基于色度畸變和局部交叉熵陰影去除算法和多梯度分析與線掃描陰影去除算法，通過實驗證明了其提出算法的有效性[2]；劉雪和常發亮等提出了機遇YUV顏色空間色度畸變和一階梯度模型進行陰影去除的算法，并通過實驗證明了其算法具有抗干擾和復雜度低等特點[3]；苑穎、羅青山等提出了一種基于顏色不變形和建立陰影高斯模型的陰影檢測和消除算法，其實驗證明了其算法的有效性[4]；

但這些算法都具有一定的應用背景，離開這些應用背景就會出現很大的誤差，甚至完全不起作用。因此，如何將準確的檢測陰影，進行運動運動目標和陰影的有效分割，研究出比較通用的陰影抑制算法，是一個具有很大挑戰性的難題。

1 HSV陰影去除算法算法

陰影的去除首先是要進行陰影檢測，雖然陰影檢測對圖像理解非常重要，但目前的陰影檢測方法都是針對具體的應用環境，還沒有形成系統的理論。要得到有效的陰影檢測方法還有許多研究工作要做。總體而言。智能視頻監控系統中的陰影檢測方法可分為兩類：一類是基于目標的幾何特性，即基于模型的方法；另一類是基于目標陰影的性質，即基于特征的方法。針對運動陰影的消除人們己經提出了很多算法，大體可以分為兩類：基于模型的方法和基于特征的方法。基于模型的方法是利用場景中運動目標的光照條件等先驗知識建立陰影模型，或者根據陰影和背景像素值的概率特性來建立陰影統計模型，然后把提取出來的前景像素點和陰影模型進行比較，以此判別像素點是否屬于陰影區域；基于特征的陰影消除方法直接利用圖像的屬性來進行陰影消除，一般認為背景在被陰影覆蓋前后的一些屬性保持不變或者變化細微，這樣一種性質可以作為陰影判定的重要依據，其中圖像的屬性包括亮度、色調、飽和度、梯度和紋理等[5，6]。

基于特征的陰影去除算法中，利用顏色特征進行陰影去除的基本原理是將運動目標的陰影和背景像素進行色度（H）、飽和度（S）、亮度（V）的比較，通常陰影的色度和飽和度變化不大，但其亮度值變化明顯，比背景亮度低[7]。因此，采用HSV顏色空間，一方面是由于HSV比RGB顏色空間更加符合人眼對顏色的感覺，另一方面是針對戶外場景，在HSV空間檢測亮度和色度變化比在RGB空間更為有效。

1.1 RGB彩色空間轉換到HSV彩色空間

由于傳感器采集到的圖像都是RGB真彩圖像，需要進行RGB色彩空間到HSV色彩空間的轉換。轉換可用以下公式完成：

1.2 HSV色彩空間的陰影消除算法

由于HSV色彩空間具有較好的顏色感知的一致性，能夠精確地反映一些灰度信息和色彩信息。對于一幅固定參數的攝像機，在普通光照的情況下，所拍攝的圖像在這3個分量的值并不是總是有用的。由于V表示圖像的亮度，不管是色彩還是非色彩的情況下，它都能反映出圖像的有用信息，所以總會被選作判斷的參數，而表示顏色的H、S分量隨情況有所不同，當色彩S低于一定的閾值時，該圖像是非色彩的，則色度H分量就變得沒有用處了，而且由色彩S反映的圖像的色彩精確度也會隨著V的降低而降低，因此S是用來判斷該像素是色彩的還是非色彩的量，而V不管在什么情況下都是作為判斷的一個重要參數，只有在部分情況下才會考慮H分量的值[8-10]。

通過分析，被陰影覆蓋的區域，其亮度的變化比較大，而其色度變化不大。因此結合HSV彩色空間的色相、飽和度和亮度三個分量來進行分析，用三個獨立分量反映陰影和背景的灰度信息和色彩信息，這些信息的對比作為陰影去除的依據。最后通過以下公式來去除陰影區域。

（4）

其中，Ih（x，y），IS（x，y），Iv（x，y）分別表示當前幀圖像像素I（x，y）的H、S、V的分量， Bh（x，y），BS（x，y），Bv（x，y）分別表示背景圖像像素對應的H、S、V的分量，HSV（x，y）的值為1，則說明為要去除的陰影點，否則不用去除。其中，參數0<α<β<1，參數α取值要考慮陰影的強度，當陰影亮度越強時，α越小，β用來增強對噪聲點的魯棒性，避免太多的點檢測為陰影。參數θS小于零，參數θh的選取則主要憑經驗。

1.3 無閾值的陰影消除算法

實驗結果表明通過HSV顏色空間的陰影去除算法最后得到的陰影去除效果具有不連續性，而且去除得不夠完全。

公式（4）需要根據不同的視頻環境設置不同參數閾值，而參數閾值的選定需要通過多次實驗才能確定，所以在實際的應用過程中存在局限性，通過觀察發現，運動目標產生的陰影除了亮度V降低外，陰影在HSV色彩空間上的三個分量的向量和H+S+V比背景的向量和Hb+Sb+Vb小，那么，我們就可以通過計算這兩者的向量差來達到陰影消除的目的。計算公式如下：

公式（5）中如果HSV（x，y）的值為1，則說明為要去除的陰影點，否則不用去除。

2 實驗結果分析

陰影消除算法的對比實驗結果如圖1所示。

測試視頻來源于陰影檢測視頻Highway-I-raw。圖1（a）、（e）分別為該視頻序列的第18幀和第54幀的圖像。圖1（b）、（f）分別為采用背景減除法提取的運動目標二值化后的圖像。圖 1（c）、（g）分別為利用HSV色彩空間陰影去除算法得到的圖像。圖1（d）、（h）為本文提出的一種無閾值的陰影消除算法得到的陰影去除的圖像。

由于視頻有光照的影響，得到的運動目標具有明顯的陰影，用HSV陰影去除算法對陰影去除并不徹底，去除的陰影有間隔，效果并不明顯。本文的算法對于陰影去除效果較為徹底，能將大范圍的陰影去除，另外，算法無需閾值的設定，大大減少了工作量，此外本文的算法簡單，實時性較好，對實際環境中的陰影消除具有很好的魯棒性。

3 結 語

本文主要研究了一種陰影去除的算法，通過分析陰影在HSV色彩空間中的特征來去除陰影，算法考慮參數較多，并且參數之間相互影響較大。為減少算法的復雜度，提出一種無閾值的HSV色彩空間的陰影去除算法，與傳統的陰影去除算法相比，不需要許多預設的經驗閾值，人工干預要求不高，實驗證明，算法對于陰影去除效果較為徹底，節省了處理時間，但是在陰影濾波中當前景目標的灰度與背景灰度相近時，陰影灰度范圍很難確定，這也是該算法應當改進的地方。

參 考 文 獻

[1] PARIT A， MIKIC I， TRIVEDI M M， et al. Detecting moving shadows： algorithms and evaluation [J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence， 2003， 25（7）： 918-923.

[2] 王宏. 圖像分割中陰影去除算法的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

[3] 劉雪，常發亮.運動目標檢測中的陰影去除方法[J]. 微處理機，2008（5）：116-117.

[4] 苑穎，羅青山.視頻監控系統中陰影去除方法的研究[J]. 計算機工程與應用，2008，44（36）：187-188.

[5] FINLAYSON G D， HORDLEY S D， LU C， et al. Drew， on the removal of shadows from images [J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence， 2006， 28（1）： 59-68.

[6] YAO Kang， DONG Jun-yu. Removing shadows from a single real-world color image [C]// Proceedings of 2009 16th IEEE International Conference on Image Processing. Cairo， Egypt： ICIP， 2009： 3129-3132.

[7] 劉宏，李錦濤，方群，等. 融合顏色和梯度特征的運動陰影消除方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2007，19（10）：1279-1285.

[8] CHEN Bai-sheng， LEI Yun-qi. Indoor and outdoor people detection and shadow suppression by exploiting HSV color information [C]// Proceedings of the Fourth International Conference on Computer and Information Technology. Wuhan， China： IEEE， 2004： 195-216.

[9] MITRA B K， YOUNG R， CHATWIN C. On shadow elimination after moving region segmentation based on different threshold selection strategies [J]. Optics and Lasers in Engineering， 2007， 45（11）： 1088-1093.

[10] SU Y F， CHEN H H. Shadow removal from natural images [C]// Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. Paris， France： ISCAS， 2010： 3369-3372.