【背景建模】VIBE

　　ViBe是一种像素级的背景建模、前景检测算法，该算法主要不同之处是背景模型的更新策略，随机选择需要替换的像素的样本，随机选择邻域像素进行更新。在无法确定像素变化的模型时，随机的更新策略，在一定程度上可以模拟像素变化的不确定性。

背景模型的初始化

　　初始化是建立背景模型的过程，一般的检测算法需要一定长度的视频序列学习完成，影响了检测的实时性，而且当视频画面突然变化时，重新学习背景模型需要较长时间。

　　ViBe算法主要是利用单帧视频序列初始化背景模型，对于一个像素点，结合相邻像素点拥有相近像素值的空间分布特性，随机的选择它的邻域点的像素值作为它的模型样本值。

　　优点：不仅减少了背景模型建立的过程，还可以处理背景突然变化的情况，当检测到背景突然变化明显时，只需要舍弃原始的模型，重新利用变化后的首帧图像建立背景模型。

　　缺点：由于可能采用了运动物体的像素初始化样本集，容易引入拖影（Ghost）区域。

前景检测过程

　　背景模型为每个背景点存储一个样本集，然后每个新的像素值和样本集比较判断是否属于背景。

　　计算新像素值和样本集中每个样本值的距离，若距离小于阈值，则近似样本点数目增加。

　　如果近似样本点数目大于阈值，则认为新的像素点为背景。

　　检测过程主要由三个参数决定：样本集数目N，阈值#min和距离相近判定的阈值R，一般具体实现，参数设置为N=20，#min=2，R=20。

　　

背景模型的更新策略

1).无记忆更新策略

　　每次确定需要更新像素点的背景模型时，以新的像素值随机取代该像素点样本集的一个样本值。

2).时间取样更新策略

　　并不是每处理一帧数据，都需要更新处理，而是按一定的更新率更新背景模型。当一个像素点被判定为背景时，它有1/rate的概率更新背景模型。rate是时间采样因子，一般取值为16。

3).空间邻域更新策略

　　针对需要更新像素点，随机的选择一个该像素点邻域的背景模型，以新的像素点更新被选中的背景模型。

ViBe的改进

　　

1).距离计算方法

　　以圆椎模型代替原来的几何距离计算方法

 

　　

　　以自适应阈值代替原来固定的距离判定阈值，阈值大小与样本集的方差成正比，样本集方差越大，说明背景越复杂，判定阈值应该越大。

　　

2).分离updating mask和segmentation mask

　　引入目标整体的概念，弥补基于像素级前景检测的不足。针对updating mask和segmentation mask采用不同尺寸的形态学处理方法，提高检测准确率。

3).抑制邻域更新

　　在updating mask里，计算像素点的梯度，根据梯度大小，确定是否需要更新邻域。梯度值越大，说明像素值变化越大，说明该像素值可能为前景，不应该更新。

4).检测闪烁像素点

　　引入闪烁程度的概念，当一个像素点的updating label与前一帧的updating label不一样时，blinking level增加15，否则，减少1，然后根据blinking level的大小判断该像素点是否为闪烁点。闪烁像素主要出现在背景复杂的场景，如树叶、水纹等，这些场景会出现像素背景和前景的频繁变化，因而针对这些闪烁应该单独处理，可以作为全部作为背景。

5).增加更新因子

　　ViBe算法中，默认的更新因子是16，当背景变化很快时，背景模型无法快速的更新，将会导致前景检测的较多的错误。因而，需要根据背景变化快慢程度，调整更新因子的大小，可将更新因子分多个等级，如rate = 16,rate = 5,rate = 1。

参考资料：

ViBe A universal background subtraction algorithm for video sequences

Background Subtraction Experiments and Improvements for ViBe