ViBe：基于Python实现的加速版（2019.10）
网络上流行的ViBe算法的python实现版本运行速度非常慢，根本达不到实时的目的；而论文作者提供的C++版本则速度超快。借鉴一些网络上的说法改成numpy来操作速度更快，有些大佬也给出了新的思路。新的代码初始化速度有明显提升，记录于此。
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Fri Oct 11 13:19:31 2019
升级版vibe（速度更快）
@author: youxinlin
"""
import numpy as np
import cv2
class ViBe:
'''
ViBe运动检测，分割背景和前景运动图像
'''
def __init__(self,num_sam=20,min_match=2,radiu=20,rand_sam=16):
self.defaultNbSamples = num_sam #每个像素的样本集数量，默认20个
self.defaultReqMatches = min_match #前景像素匹配数量，如果超过此值，则认为是背景像素
self.defaultRadius = radiu #匹配半径，即在该半径内则认为是匹配像素
self.defaultSubsamplingFactor = rand_sam #随机数因子，如果检测为背景，每个像素有1/defaultSubsamplingFactor几率更新样本集和领域样本集
self.background = 0
self.foreground = 255
def __buildNeighborArray(self,img):
'''
构建一副图像中每个像素的邻域数组
参数：输入灰度图像
返回值：每个像素9邻域数组，保存到self.samples中
'''
height,width=img.shape
self.samples=np.zeros((self.defaultNbSamples,height,width),dtype=np.uint8)
#生成随机偏移数组，用于计算随机选择的邻域坐标
ramoff_xy=np.random.randint(-1,2,size=(2,self.defaultNbSamples,height,width))
#ramoff_x=np.random.randint(-1,2,size=(self.defaultNbSamples,2,height,width))
#xr_=np.zeros((height,width))
xr_=np.tile(np.arange(width),(height,1))
#yr_=np.zeros((height,width))
yr_=np.tile(np.arange(height),(width,1)).T
xyr_=np.zeros((2,self.defaultNbSamples,height,width))
for i in range(self.defaultNbSamples):
xyr_[1,i]=xr_
xyr_[0,i]=yr_
xyr_=xyr_+ramoff_xy
xyr_[xyr_<0]=0
tpr_=xyr_[1,:,:,-1]
tpr_[tpr_>=width]=width-1
tpb_=xyr_[0,:,-1,:]
tpb_[tpb_>=height]=height-1
xyr_[0,:,-1,:]=tpb_
xyr_[1,:,:,-1]=tpr_
#xyr=np.transpose(xyr_,(2,3,1,0))
xyr=xyr_.astype(int)
self.samples=img[xyr[0,:,:,:],xyr[1,:,:,:]]
def ProcessFirstFrame(self,img):
'''
处理视频的第一帧
1、初始化每个像素的样本集矩阵
2、初始化前景矩阵的mask
3、初始化前景像素的检测次数矩阵
参数：
img: 传入的numpy图像素组，要求灰度图像
返回值：
每个像素的样本集numpy数组
'''
self.__buildNeighborArray(img)
self.fgCount=np.zeros(img.shape) #每个像素被检测为前景的次数
self.fgMask=np.zeros(img.shape) #保存前景像素
def Update(self,img):
'''
处理每帧视频，更新运动前景，并更新样本集。该函数是本类的主函数
输入：灰度图像
'''
height,width=img.shape
#计算当前像素值与样本库中值之差小于阀值范围RADIUS的个数，采用numpy的广播方法
dist=np.abs((self.samples.astype(float)-img.astype(float)).astype(int))
dist[dist=self.defaultRadius]=0
matches=np.sum(dist,axis=0)
#如果大于匹配数量阀值，则是背景，matches值False,否则为前景，值True
matches=matches50
matches[fakeFG]=False
#此处是该更新函数的关键
#更新背景像素的样本集，分两个步骤
#1、每个背景像素有1/self.defaultSubsamplingFactor几率更新自己的样本集
##更新样本集方式为随机选取该像素样本集中的一个元素，更新为当前像素的值
#2、每个背景像素有1/self.defaultSubsamplingFactor几率更新邻域的样本集
##更新邻域样本集方式为随机选取一个邻域点，并在该邻域点的样本集中随机选择一个更新为当前像素值
#更新自己样本集
upfactor=np.random.randint(self.defaultSubsamplingFactor,size=img.shape) #生成每个像素的更新几率
upfactor[matches]=100 #前景像素设置为100,其实可以是任何非零值，表示前景像素不需要更新样本集
upSelfSamplesInd=np.where(upfactor==0) #满足更新自己样本集像素的索引
upSelfSamplesPosition=np.random.randint(self.defaultNbSamples,size=upSelfSamplesInd[0].shape) #生成随机更新自己样本集的的索引
samInd=(upSelfSamplesPosition,upSelfSamplesInd[0],upSelfSamplesInd[1])
self.samples[samInd]=img[upSelfSamplesInd] #更新自己样本集中的一个样本为本次图像中对应像素值
#更新邻域样本集
upfactor=np.random.randint(self.defaultSubsamplingFactor,size=img.shape) #生成每个像素的更新几率
upfactor[matches]=100 #前景像素设置为100,其实可以是任何非零值，表示前景像素不需要更新样本集
upNbSamplesInd=np.where(upfactor==0) #满足更新邻域样本集背景像素的索引
nbnums=upNbSamplesInd[0].shape[0]
ramNbOffset=np.random.randint(-1,2,size=(2,nbnums)) #分别是X和Y坐标的偏移
nbXY=np.stack(upNbSamplesInd)
nbXY+=ramNbOffset
nbXY[nbXY<0]=0
nbXY[0,nbXY[0,:]>=height]=height-1
nbXY[1,nbXY[1,:]>=width]=width-1
nbSPos=np.random.randint(self.defaultNbSamples,size=nbnums)
nbSamInd=(nbSPos,nbXY[0],nbXY[1])
self.samples[nbSamInd]=img[upNbSamplesInd]
def getFGMask(self):
'''
返回前景mask
'''
return self.fgMask
def main():
vc = cv2.VideoCapture("/Users/youxinlin/Desktop/datasets/imgdata/20190919/IMG_3261.MOV")
c = 0
if vc.isOpened():
rval, frame = vc.read()
else:
rval = False
frame=cv2.cvtColor(frame,cv2.COLOR_BGR2GRAY)
vibe=ViBe()
vibe.ProcessFirstFrame(frame)
#samples = np.zeros((frame.shape[0],frame.shape[1], defaultNbSamples))
cv2.namedWindow("frame",cv2.WINDOW_NORMAL)
cv2.namedWindow("segMat",cv2.WINDOW_NORMAL)
while rval:
rval, frame = vc.read()
# 将输入转为灰度图
gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
# 输出二值图
#(segMat, samples) = update(gray, samples)
vibe.Update(gray)
segMat=vibe.getFGMask()
# 转为uint8类型
segMat = segMat.astype(np.uint8)
# 形态学处理模板初始化
#kernel1 = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_RECT, (7, 7))
# 开运算
#opening = cv2.morphologyEx(segMat, cv2.MORPH_OPEN, kernel1)
# 形态学处理模板初始化
#kernel2 = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_RECT, (7, 7))
# 闭运算
#closed = cv2.morphologyEx(segMat, cv2.MORPH_CLOSE, kernel2)
# 寻找轮廓
#contours, hierarchy = cv2.findContours(closed, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
#for i in range(0, len(contours)):
# x, y, w, h = cv2.boundingRect(contours[i])
# print(w * h)
# if w * h > 400 and w * h < 10000:
# cv2.rectangle(frame, (x, y), (x + w, y + h),(0, 255, 0), 2)
cv2.imshow("frame", frame)
cv2.imshow("SegMat",segMat)
#cv2.imwrite("./result/" + str(c) + ".jpg", frame,[int(cv2.IMWRITE_PNG_STRATEGY)])
k = cv2.waitKey(1)
if k == 27:
vc.release()
cv2.destroyAllWindows()
break
c = c + 1
if __name__ == '__main__':
main()