基于MATLAB GUI的視頻特征提取

翟福成

（成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225）

隨著多媒體文化的發(fā)展，視頻的數(shù)量也呈幾何式地爆炸增長(zhǎng)，對(duì)視頻的分析和處理具有極大的意義。視頻特征提取往往是視頻處理的關(guān)鍵，有時(shí)搜集一些精彩的片段，會(huì)由于視頻播放速度太快，導(dǎo)致觀看效果不佳，可通過(guò)視頻分幀技術(shù)將動(dòng)態(tài)視頻轉(zhuǎn)換為靜態(tài)圖像序列，從而一幀一幀反復(fù)觀看。顏色特征是在圖像處理中應(yīng)用最為廣泛的視覺(jué)特征，本文研究視頻分幀后每幀圖像的RGB顏色特征以及色調(diào)直方圖，通過(guò)提取圖像特征從而更好地分析圖像，進(jìn)而分析與處理視頻。MATLAB軟件的功能包括數(shù)值計(jì)算和可視化圖像處理等，其功能十分強(qiáng)大，包含各種豐富的工具包，廣泛被應(yīng)用于圖像處理相關(guān)的領(lǐng)域研究中[1-3]。MTLAB有著極為方便的圖形用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)環(huán)境即GUIDE，其通常被用來(lái)制作人機(jī)交互性的GUI界面。GUIDE操作十分簡(jiǎn)單，它提供了一個(gè)初始化的空白界面，用戶(hù)通過(guò)拖動(dòng)控件，搭建好靜態(tài)初始界面，接著對(duì)M文件中每個(gè)控件的回調(diào)函數(shù)進(jìn)行編寫(xiě)，即可設(shè)計(jì)出直觀、便捷、強(qiáng)大的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。本文基于GUI工具設(shè)計(jì)出一種視頻特征提取系統(tǒng)，可完成視頻分幀、圖像讀取、圖像分塊、RGB特征提取、色調(diào)直方圖繪制等功能，界面簡(jiǎn)單，便于用戶(hù)操作。

1.視頻特征提取

視頻特征提取由視頻分幀、圖像分塊、RGB特征提取、色調(diào)直方圖繪制等部分組成。

1.1 視頻分幀

1.1.1 原理介紹

視頻的本質(zhì)即為圖像，因?yàn)槿搜圩R(shí)別的頻率即采樣率有限，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)依次識(shí)別多張圖像，所以在單位時(shí)間內(nèi)看到的圖像數(shù)目達(dá)到或者超過(guò)人眼的采樣率所能采到的上限數(shù)目時(shí)，給人眼造成的感覺(jué)就是畫(huà)面是運(yùn)動(dòng)的，這就是所謂的視頻流。而使得人眼將靜態(tài)圖像序列感受成動(dòng)態(tài)視頻的頻率一般為25張圖片/秒，即25幀/秒。此頻率也就是一般人眼所能達(dá)到的最大采樣率。

1.1.2 算法步驟

使用VideoReader函數(shù)讀取視頻文件，獲得視頻總時(shí)長(zhǎng)（秒）、視頻幀速（幀/秒）等信息；通過(guò)總時(shí)長(zhǎng)（Duration）* 幀速（FrameRate）計(jì)算出當(dāng)前讀入視頻的總幀數(shù)；通過(guò)for循環(huán)參數(shù)的設(shè)置來(lái)確定本次讀取的幀數(shù)以及讀取間隔；通過(guò)read函數(shù)獲取視頻中每一幀的信息；利用imwrite函數(shù)將視頻的每一幀保存成靜態(tài)圖片即將視頻的圖像序列進(jìn)行保存。

通過(guò)以上5步，即可將任意動(dòng)態(tài)視頻流轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)的圖像序列并進(jìn)行保存，方便后續(xù)研究。

1.2 圖像分塊

如果基于全局直接進(jìn)行RGB特征提取，則提取出的RGB特征只有一個(gè)，無(wú)法體現(xiàn)出圖像的顏色空間分布信息。而基于選取圖像的不同部分，分別進(jìn)行RGB特征提取是對(duì)圖像全局RGB特征提取的一種改進(jìn)，使得處理結(jié)果可以包含圖像的顏色空間分布信息，更有利于直觀且細(xì)致地觀察出圖像的特征信息。這種方法往往是將整幅圖像按照某種自定義方式分成若干塊，對(duì)每個(gè)塊分別計(jì)算并提取出其RGB特征信息。相比于全局RGB特征提取，分塊RGB特征提取可以更加有效地提高檢索信息的精度[5]。一般來(lái)說(shuō)，圖像中要處理的目標(biāo)物體往往集中在中間部分，而邊緣部分通常是一些無(wú)關(guān)緊要的背景。因此，將圖像進(jìn)行合理分塊，有助于更加快速準(zhǔn)確地尋找目標(biāo)物體，從而對(duì)其進(jìn)行特征提取。分塊數(shù)量越多，信息檢索的精度越高，但計(jì)算機(jī)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也就越多；如果目標(biāo)物體較大，但分塊數(shù)量較多，則會(huì)無(wú)法準(zhǔn)確檢索到目標(biāo)物體。因此，分塊的數(shù)量需要根據(jù)目標(biāo)物體的大小以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算存儲(chǔ)能力加以選擇。如果目標(biāo)物體較小，而進(jìn)行處理的計(jì)算系統(tǒng)也有能力進(jìn)行較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與運(yùn)算，則可以將圖像分成較多數(shù)量的塊，提升檢索性能以及對(duì)目標(biāo)物體的分析效果。本文采用傳統(tǒng)較為簡(jiǎn)潔的3×3圖像分塊。

1.3 RGB特征提取

1.3.1 原理介紹

生活中的圖像一般均為彩色圖像，也叫作RGB圖像。任意一種顏色實(shí)際上均可以由不同比例的紅、綠、藍(lán)三種顏色混合而成，那么RGB圖像就可以由其二維位置信息和當(dāng)前位置紅、綠、藍(lán)分量的大小來(lái)唯一確定，故RGB圖像在MATLAB中通常表示為一個(gè)M*N*3的三維矩陣。

1.3.2 分量提取

由于圖像為二維信號(hào)，故RGB圖像中的第三維度實(shí)際上表示的即為顏色。當(dāng)?shù)谌S數(shù)值為1時(shí)表示紅色，第三維數(shù)值為2時(shí)表示綠色，第三維數(shù)值為3時(shí)表示藍(lán)色，故可通過(guò)下列方法提取出圖像中的紅、綠、藍(lán)三個(gè)分量。IR = Image(:,:,1)；%提取紅色分量IG = Image(:,:,2)；%提取綠色分量IB = Image(:,:,3)；%提取藍(lán)色分量

1.4 色調(diào)直方圖繪制

色調(diào)與光波的波長(zhǎng)有關(guān)，它表示人的感官對(duì)不同顏色的感受，通過(guò)繪制色調(diào)直方圖可直觀地感覺(jué)出圖像所包含的色調(diào)信息。色調(diào)直方圖是指把整個(gè)色調(diào)空間等間隔劃分為若干個(gè)色調(diào)空間，然后，分別計(jì)算出圖像中每個(gè)像素塊的色調(diào)值，并依次統(tǒng)計(jì)落在每個(gè)色調(diào)區(qū)間內(nèi)的像素?cái)?shù)量，再用每個(gè)區(qū)間內(nèi)的像素?cái)?shù)量除以圖像像素總數(shù)，便可求得圖像色調(diào)值在每個(gè)色調(diào)區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的頻率。建立二維空間坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)反映色調(diào)區(qū)間，縱坐標(biāo)反映色調(diào)出現(xiàn)的概率，便可繪出色調(diào)直方圖。本文將整個(gè)色調(diào)空間劃分為16個(gè)小色調(diào)空間，也稱(chēng)16bin。然而，色調(diào)直方圖由于只顯示了某一色調(diào)值出現(xiàn)的頻率，沒(méi)有顯示出此色調(diào)值所在的空間位置，因此，在實(shí)際應(yīng)用分析中，常常將圖像分塊后的特征提取和直方圖的繪制同時(shí)進(jìn)行，以便觀察出圖像的空間位置分布信息以及某一特征出現(xiàn)的具體頻率信息。

2.MATLAB GUI界面開(kāi)發(fā)

2.1 界面總體設(shè)計(jì)

圖1 技術(shù)路線(xiàn)

2.2 界面設(shè)計(jì)方法

本文通過(guò)MATLAB中較為常用的GUIDE來(lái)進(jìn)行GUI界面設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)流程通常由兩大部分組成，首先設(shè)計(jì)系統(tǒng)的初始界面，其次根據(jù)每個(gè)控件的功能編寫(xiě)相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。具體設(shè)計(jì)步驟[6]如下：審視系統(tǒng)功能，明確設(shè)計(jì)效果；依據(jù)系統(tǒng)所需功能，構(gòu)想簡(jiǎn)潔高效的界面初始圖；在MATLAB中輸入GUIDE，啟動(dòng)GUI界面，根據(jù)構(gòu)想的界面初始圖，利用不同控件搭建靜態(tài)GUI界面；依據(jù)系統(tǒng)功能，編寫(xiě)各個(gè)控件的回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)界面的動(dòng)態(tài)功能；運(yùn)行界面，對(duì)界面整體功能進(jìn)行檢測(cè)與調(diào)試。需要注意的是，在整個(gè)GUI界面設(shè)計(jì)的過(guò)程中，往往不能按部就班地順序執(zhí)行好每一步，經(jīng)常要在各個(gè)步驟之間反復(fù)進(jìn)行，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試才能達(dá)到預(yù)期效果。

3.仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本文提出的算法在MATLAB平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，選取一段視頻，對(duì)其進(jìn)行圖像序列獲取，繼而對(duì)獲取的圖像進(jìn)行圖像分塊、RGB特征提取、色調(diào)直方圖繪制等操作，視頻特征提取系統(tǒng)的顯示結(jié)果如圖2所示。

圖2 視頻特征提取系統(tǒng)

分析圖2可知，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了視頻導(dǎo)入、獲取圖像序列、圖像導(dǎo)入、圖像3×3分塊、RGB特征提取以及色調(diào)直方圖繪制、系統(tǒng)退出等功能。由RGB特征提取結(jié)果可直觀看出圖像每塊的顏色特征，反映了顏色的空間分布特性；由色調(diào)直方圖可直觀看出圖像的整體色調(diào)特征，此圖像色調(diào)分量較多，低色調(diào)所占比重相比于高色調(diào)較大，由此可知，此圖像整體偏向于低色調(diào)。

4.結(jié)語(yǔ)

本文基于MATLAB的GUI工具設(shè)計(jì)出一種視頻特征提取系統(tǒng)，對(duì)視頻內(nèi)容的詳細(xì)分析起到了重要作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)可完成視頻分幀、圖像導(dǎo)入、圖像分塊、RGB特征提取、色調(diào)直方圖繪制等功能，且GUI界面簡(jiǎn)潔高效，便于用戶(hù)使用，保證用戶(hù)對(duì)視頻信息進(jìn)行有效提取。由于視頻處理涉及領(lǐng)域十分廣泛，本文的研究?jī)?nèi)容僅為視頻處理的研究打下了基礎(chǔ)，如何提取出更多、更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的視頻特征，是未來(lái)研究中的重點(diǎn)。