CN101316328A - 一种基于时空条带模式分析的新闻主播镜头检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，包括：从经过编辑的新闻视频中截取连续的N帧作为一组，并提取水平时空条带和垂直时空条带；提取水平时空条带和垂直时空条带中所对应的图像特征，得到相应的特征向量；通过聚类方法对特征向量分别聚类，并将同一类中时间连续的水平或垂直时空条带分别合并，作为类中的新元素，得到最终的水平聚类结果和垂直聚类结果；将水平聚类结果中包含有最多元素的类和垂直聚类结果中包含有最多元素的类进行融合，根据融合结果检测新闻主播镜头。本发明的优点是对各类新闻视频主播检测准确率高，通用性强，计算复杂度低。避免了现有方法过于依赖准确的镜头分割和其他模态信息的缺点。

Description

一种基于时空条带模式分析的新闻主播镜头检测方法

技术领域

本发明涉及视频分析与检测领域，特别涉及一种基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法。

背景技术

随着网络的高速发展，人们可以接触大量的图像、视频等可视化数据。根据人们日益增长的对可视化数据的需求，如何对这些海量信息进行有效的分析、管理、查询和检索，成为目前亟待解决的问题。

对于基于内容的视频分析，由于新闻视频特殊的结构特征，研究者将其作为重要的研究对象。一段新闻视频可以被看作主播镜头，新闻故事镜头和可能存在的广告镜头的组合。其中，主播镜头及其后连续的新闻故事单元组成了一个完整的新闻事件。因为主播镜头的内容常常是关于接下来的故事单元的简介，所以新闻主播镜头检测对于新闻视频索引的建立十分重要。

现有新闻主播检测方法主要分为三类：第一类方法是模版匹配法，该方法通过对特定的新闻视频主播建立模版，计算被检测视频帧与模版的相似度来检测新闻主播镜头，该方法鲁棒性差且准确率低；为了增强方法的鲁棒性，研究人员通过第二类融合视觉、听觉等多模态信息的方法建立主播模型来检测新闻主播，尽管该方法在一定程度上提高了鲁棒性，但是存在为每个新闻主播建立模型工作量大和计算复杂度高的缺点；第三类方法不依赖于主播模型的建立，但是它们往往依赖于静态的演播室背景以及准确的镜头分割。总而言之，现有的新闻主播检测方法在鲁棒性和准确性上都存在一定的不足。

目前主要存在两个关键的因素制约新闻主播检测的准确性和鲁棒性：

1、多样的视频节目源造成主播以及演播室背景多样化，这使得目前还没有一种通用的新闻主播检测方法；

2、先进的视频编辑技术使得镜头边界转换形式多样化，如：切变，溶解和淡入淡出等，导致目前并未有通用的方法能够实现准确和自动地提取完整的镜头单元。

发明内容

本发明的目的是克服现有的新闻主播检测方法鲁棒性差、准确率低，计算复杂度高，且通用性不广的缺陷，从而提供一种通用性广、准确率高，计算复杂度低的新闻主播检测方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，按以下步骤顺序执行：

步骤10)、从经过编辑的新闻视频中截取连续的N帧作为一组，并从所截取的连续帧组中提取水平时空条带和垂直时空条带；

步骤20)、分别提取所述水平时空条带和垂直时空条带中所对应的图像特征，得到相应的特征向量；

步骤30)、通过聚类方法对所述的水平时空条带和垂直时空条带所对应的特征向量分别聚类，并将同一类中时间连续的水平或垂直时空条带分别合并，作为类中的新元素，得到最终的水平聚类结果和垂直聚类结果；

步骤40)、将所述的水平聚类结果中包含有最多元素的类和所述的垂直聚类结果中包含有最多元素的类进行融合，根据融合结果检测新闻主播镜头。

上述技术方案中，在所述的步骤10)中，提取水平时空条带是指：

从所述的连续帧组中提取各连续图像帧水平方向的同一行象素，并将所提取的各行象素拼接成一幅新的图像，所得到的新图像为水平时空条带，所述水平时空条带的长为一组连续帧组中包含的图像的帧数，宽为一帧图像的长。

上述技术方案中，在所述的步骤10)中，提取垂直时空条带是指：

从所述的连续帧组中提取各连续图像帧垂直方向的同一列象素，并将所提取的各列象素拼接成一幅新的图像，所得到的新图像即为垂直时空条带，所述垂直时空条带的长为一组连续帧组中包含的图像的帧数，宽为一帧图像的宽。

上述技术方案中，在所述的步骤10)中，所述N的值为25的整数倍。

上述技术方案中，在所述的步骤20)中，所述的图像特征为颜色特征与纹理特征。

在提取图像的颜色特征时，可在颜色空间RGB(Red，Green，Blue；红绿蓝三原色)或HSV(Hue，Saturation，Value；色调/饱和度/纯度色彩模型)或HIS(Hue，Saturation，Intensity；色调/饱和度/亮度色彩模型)或YUV(Y：亮度信号；U和V：色差信号)或Lab(L：亮度信号；a和b：色差信号)中实现。

在所述的颜色空间HSV中提取颜色特征时，包括以下步骤：

步骤21-1)、将图像的RGB值转化为色度值、饱和度值和亮度值；

步骤21-2)、对图像的色度值、饱和度值和亮度值分别进行等级量化；

步骤21-3)、增大色调的关注度，并将等级量化后的三维向量通过线性组合转换成为一个整数值，每个数值代表一个颜色分段；

步骤21-4)、将图像中的每个象素都进行量化后，提取图像的颜色特征。

在所述的步骤21-4)中，提取图像的颜色特征是指：首先将整个图像平均划分为4*4的小块，然后将所有小块组合为5个大的分块，分别对应上下左右和中间部分，对不同的分块，在提取颜色特征时有以下不同的实现方法：

对上下左右四个板块各提取三维的颜色矩，所述三维的颜色矩包括颜色的一阶矩、二阶矩和三阶矩；

对中间板块提取量化为32级的直方图；

对整幅图像还要提取用于描述图像全局颜色特征的颜色的三阶矩。

提取图像的纹理特征是指：通过对整幅图像提取边缘直方图来描述纹理特征。

上述技术方案中，在所述的步骤30)中，所述的聚类方法采用K-mean聚类方法。

上述技术方案中，所述的步骤40)具体包括以下步骤：

步骤41)、计算所述的水平聚类结果中包含有最多元素的类和所述的垂直聚类结果中包含有最多元素的类中对应镜头的相似度；

步骤42)、根据所述的镜头相似度计算结果，判断水平聚类和垂直聚类中的两个镜头的相似度是否大于预先设定的第一阈值，如果是，则两个镜头为类中的对应元素，否则为非对应元素；

步骤43)、计算所述的水平聚类结果中包含有最多元素的类和所述的垂直聚类结果中包含有最多元素的类的相似度；

步骤44)、根据步骤43)得到的水平聚类结果中包含有最多元素的类和垂直聚类结果中包含有最多元素的类的相似度计算结果，判断两个类的相似度是否大于预先设定的第二阈值，如果是，则将所述的两个类进行融合，作为新闻主播镜头对应的类，如果两个类的相似度小于或等于预先设定的第二阈值，则视频不具有明显的新闻视频结构，无须提取新闻主播镜头。

在所述的步骤41)中，计算对应镜头的相似度是指：计算对应镜头在时域上相交部分时间长度占总时间长度的比例，若相似度的计算结果小于零，则修正为零。

在所述的步骤43)中，计算类的相似度是指：通过计算两个类中各元素间的相似度总和来计算两个类的相似度。

在所述的步骤44)中，两个类进行融合是指：如果一个类中的元素在另一个类中不存在步骤42)所述的对应元素，则将该元素作为融合后的类的一个新的元素，如果两个类存在步骤42)所述的对应元素，则将对应元素进行合并，并将两个对应元素的最早开始时间和最晚结束时间作为合并后元素的起始时间。

所述第一阈值的值为0.5，所述第二阈值的值为0.5。

本发明的优点是对各类新闻视频主播检测准确率高，通用性强，计算复杂度低，避免了现有方法过于依赖准确的镜头分割和其他模态信息的缺点。

附图说明

图1为本发明的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法的流程图；

图2(a)为原始视频结构的示意图；

图2(b)是对图2(a)的原始视频结构提取水平时空条带的示意图；

图2(c)是对图2(a)的原始视频结构提取垂直时空条带的示意图；

图3是本发明实施例中基于固定分块的图像颜色特征提取方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法包括以下步骤：

步骤10、从经过编辑的新闻视频中截取连续的N帧作为一组，并从所提取的连续帧组中提取水平时空条带和垂直时空条带。在本步骤中，在提取水平时空条带时，如图2(a)、图2(b)所示，提取每组中连续的各帧图像水平方向的同一行象素，并将所提取的各行象素拼接成一幅新的图像，所得到的新图像即为水平时空条带。水平时空条带的长为一组中包含图像的帧数，宽为视频中一帧图像的长。在提取垂直时空条带时，如图2(a)、图2(c)所示，提取一组中连续的每帧图像垂直方向的同一列象素，并将所提取的各列象素拼接成一幅新的图像，所得到新图像即为垂直时空条带，垂直时空条带的长为一组中包含的图像的帧数，宽为视频中一帧图像的宽。

在上述提取水平时空条带和垂直时空条带时，应当提取连续帧组中各个帧的相同行数或相同列数的象素，但所提取的象素行或象素列的位置可以根据需要选择，在本实施例中，可选择帧图像中的中间行或中间列。

在本步骤中，所截取的连续N帧的N值可根据需要设定，在本实施例中，N值可取50。本步骤通过对连续帧的截取，避免了对镜头分割准确检测的依赖。经过编辑的新闻视频经过本步骤后，可得到一系列水平时空条带和垂直时空条带。

步骤20、提取水平时空条带和垂直时空条带中所对应的图像特征。由于新闻主播镜头中，新闻主播和演播室背景的变化相对新闻故事镜头中的人物和背景变化较小，因此新闻主播镜头对应时空条带的颜色和纹理仅有微小变化，而新闻故事单元对应的时空条带的颜色和纹理变化更为明显，因此采用图像的颜色和纹理特征来表征图像有利于后续的图像聚类操作。从上述的步骤10可知，水平时空条带和垂直时空条带都是拼接而成的新图像，对它们做图像特征的提取具体包括以下步骤：

步骤21、提取图像的颜色特征。在提取图像的颜色特征时，可在不同的颜色空间内进行，如常见的RGB，HSV，HIS，YUV，Lab等皆可。在本实施例中，以HSV(Hue色度，Saturation饱和度，Value亮度)空间为例，实现对颜色特征的提取。在提取颜色特征时，包括：

步骤21-1、将图像的RGB值转化为色度、饱和度和亮度值；

步骤21-2、将图像的色度、饱和度和亮度值分别进行等级量化；由于HSV空间中，每个象素对应一个三维向量，分别表示所在象素点的色度、饱和度和亮度，但三个值的单位和变化范围都不相同，因此需要分别做等级量化。

步骤21-3、根据视觉研究的结果增大色调的关注度，并将等级量化后的三维向量通过线性组合转换成为一个0到31之间的整数值，每个数值代表一个颜色分段。

步骤21-4、每个象素都进行量化后，提取图像的颜色特征。提取图像颜色特征的具体实现如图3所示，将图像平均划分为4*4的小块，然后按图3所示组合为5个大的分块，分别对应上下左右和中间部分(ABCD分别对应上、左、下、右四个部分，E对应中间部分，粗线条表示这些大的分块的边界)。对不同的分块，在提取颜色特征时有不同的实现方法：

对上下左右四个板块各提取3维的颜色矩(颜色的一阶矩、二阶矩和三阶矩)；

对中间板块提取量化为32级的直方图；

对整幅图像还要提取用于描述图像全局颜色特征的颜色的三阶矩。

步骤22、提取图像的纹理特征；在提取图像的纹理特征时，通过对整幅图像提取边缘直方图来描述纹理特征。

上述步骤21-4提取颜色特征和步骤22提取纹理特征的具体实现是成熟的现有技术，在参考文献《DK Park，YS Jeon，CS Won，and S.-J.Park，Efficient use of localedge histogram descriptor，Proc.of the ACM Workshops on Multimedia，Los Angeles，CA，Nov.2000》中对纹理特征的提取有详细的记载。

步骤23、将每个时空条带所有图像特征结合起来形成特征向量，来表征该时空条带的特征。

经过本步骤的上述操作，每个时空条带形成了一个用于表示该条带特征的高维向量，一段新闻视频则根据步骤10中所提取的时空条带形成多个特征向量。

步骤30、通过聚类方法对水平时空条带和垂直时空条带所对应的特征向量分别聚类，并将同一类中时间连续的水平或垂直时空条带分别合并，作为类中的新的元素。

一般而言，新闻视频具有以下结构特征：

①新闻主播镜头经常在新闻视频中周期性出现；

②各新闻主播镜头常具有很高的相似度；

③新闻主播镜头对应的类应具有最多的元素，因为主播镜头常常具有很高的视觉相似度，而其他镜头仅与同一故事单元中的时域相邻的镜头相似。

根据新闻视频的上述结构特征，本发明制定如下规则：新闻主播镜头是新闻视频中唯一一类在整个节目中具有很多与其具有相似视觉内容的镜头。由上述规则可知，水平和垂直聚类结果中分别含有最多元素的类就是包含新闻主播镜头的类，其中，每个时空条带对应视频中的一个镜头。用Cluster_Max ^H和Cluster_Max ^V分别表示水平和垂直方向聚类结果中包含元素最多的类，它们可以用下式表示：

${\mathrm{Cluster}}_{\mathrm{Max}}^H=\⟨{\mathrm{Shot}}_1^H,{\mathrm{Shot}}_2^H,......{\mathrm{Shot}}_R^H\⟩$

${\mathrm{Cluster}}_{\mathrm{Max}}^V=\⟨{\mathrm{Shot}}_1^V,{\mathrm{Shot}}_2^V,......{\mathrm{Shot}}_S^V\⟩$

其中R和S分别表示水平/垂直聚类结果中包含元素最多的类的元素数。

此外，在新闻故事镜头中存在某些人物长期出现在镜头前且变化的情况，因此为了防止此类情况与新闻主播镜头间的混淆，在本步骤中把那些同一类中时间连续的水平或垂直时空条带分别合并，作为类中的新的元素。

本步骤做聚类操作时可采用K-mean聚类方法。

步骤40、将步骤30中所得到的水平聚类结果中包含有最多元素的类和垂直聚类结果中包含有最多元素的类进行融合，根据融合结果检测新闻主播镜头。在以下描述中，用Cluster_Max ^H表示水平聚类结果中包含有最多元素的类，用Cluster_Max ^V表示垂直聚类结果中包含有最多元素的类，本步骤的具体操作如下：

步骤41、计算Cluster_Max ^H和Cluster_Max ^V中对应镜头的相似度，在计算镜头相似度时，通过计算Shot_i ^H和Shot_j ^V在时域上相交部分时间长度占总时间长度的比例来计算两个镜头的相似度。相似度的计算公式如下：

$\mathrm{Sim}=\⟨{\mathrm{Shot}}_i^H,{\mathrm{Shot}}_j^V\⟩=\frac{\mathrm{Min}(T_{\mathrm{End}}^H,T_{\mathrm{End}}^V)-\mathrm{Max}(T_{\mathrm{Start}}^H,T_{\mathrm{Start}}^V)}{\mathrm{Max}(T_{\mathrm{End}}^H,T_{\mathrm{End}}^V)-\mathrm{Min}(T_{\mathrm{Start}}^H,T_{\mathrm{Start}}^V)}$

其中T_Start ^H，T_End ^H，T_Start ^V，T_End ^V分别表示Shot_i ^H和Shot_j ^V的开始时间和结束时间，Min和Max分别表示取最小值和最大值操作。如果两个公式中计算出的相似度小于0，则修正为0。

步骤42、根据步骤41得到的镜头相似度计算结果，判断两个镜头Shot_i ^H与Shot_j ^V的相似度Sim＜Shot_i ^H，Shot_j ^V＞是否大于预先设定的阈值Th₁，如果是，则这两个镜头称为类中的“对应”元素，否则称为“非对应”元素。

步骤43、计算Cluster_Max ^H和Cluster_Max ^V的相似度，在计算相似度时，通过计算Cluster_Max ^H和Cluster_Max ^V中各元素间的相似度的总和来计算两个类的相似度。其计算公式如下：

$\mathrm{Sim}\⟨\mathrm{Cluste}{r}_{\mathrm{Max}}^H,{\mathrm{Cluster}}_{\mathrm{Max}}^V\⟩=\frac{1}{\mathrm{Min}(R,S)}\underset{i=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{S}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Sim}\⟨{\mathrm{Shot}}_i^H,{\mathrm{Shot}}_j^V\⟩$

步骤44、根据步骤43得到的Cluster_Max ^H和Cluster_Max ^V的相似度计算结果，判断Cluster_Max ^H和Cluster_Max ^V的相似度Sim＜Cluster_Max ^H，Cluster_Max ^V＞是否大于预先设定的阈值Th₂，如果是，则融合类Cluster_Max ^H和Cluster_Max ^V，作为最终新闻主播对应的类，如果Cluster_Max ^H和Cluster_Max ^V的相似度Sim＜Cluster_Max ^H，Cluster_Max ^V＞小于或等于预先设定的阈值Th₂，此时表示该视频不具有明显的新闻视频结构，无须提取新闻主播镜头。

在上述的融合过程中，如果Cluster_Max ^H或Cluster_Max ^V中一个元素在另一类中不存在步骤42中所得到的“对应”元素，则将该元素作为最终类的一个新的元素，如果两个类中存在“对应”元素，则将“对应”元素合并，将两个对应元素的最早的开始时间和最晚的结束时间作为新元素的起始时间。

在步骤42中所采用的阈值Th₁的值可取0.5，在步骤44中所采用的阈值Th2的值也可取0.5，但根据实际情况这两个阈值可以做适当的调整。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (15)

1、一种基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，按以下步骤顺序执行：

步骤10)、从经过编辑的新闻视频中截取连续的N帧作为一组，并从所截取的连续帧组中提取水平时空条带和垂直时空条带；

步骤20)、分别提取所述水平时空条带和垂直时空条带中所对应的图像特征，得到相应的特征向量；

步骤30)、通过聚类方法对所述的水平时空条带和垂直时空条带所对应的特征向量分别聚类，并将同一类中时间连续的水平或垂直时空条带分别合并，作为类中的新元素，得到最终的水平聚类结果和垂直聚类结果；

步骤40)、将所述的水平聚类结果中包含有最多元素的类和所述的垂直聚类结果中包含有最多元素的类进行融合，根据融合结果检测新闻主播镜头。

2、根据权利要求1所述的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，其特征在于，在所述的步骤10)中，提取水平时空条带是指：

从所述的连续帧组中提取各连续图像帧水平方向的同一行象素，并将所提取的各行象素拼接成一幅新的图像，所得到的新图像为水平时空条带，所述水平时空条带的长为一组连续帧组中包含的图像的帧数，宽为一帧图像的长。

3、根据权利要求1所述的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，其特征在于，在所述的步骤10)中，提取垂直时空条带是指：

从所述的连续帧组中提取各连续图像帧垂直方向的同一列象素，并将所提取的各列象素拼接成一幅新的图像，所得到的新图像即为垂直时空条带，所述垂直时空条带的长为一组连续帧组中包含的图像的帧数，宽为一帧图像的宽。

4、根据权利要求1所述的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，其特征在于，在所述的步骤10)中，所述N的值为25的整数倍。

5、根据权利要求1所述的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，其特征在于，在所述的步骤20)中，所述的图像特征为颜色特征与纹理特征。

6、根据权利要求5所述的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，其特征在于，提取图像的颜色特征可在颜色空间RGB或HSV或HIS或YUV或Lab中实现。

7、根据权利要求6所述的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，其特征在于，在所述的颜色空间HSV中提取颜色特征时，包括以下步骤：

步骤21-1)、将图像的RGB值转化为色度值、饱和度值和亮度值；

步骤21-2)、对图像的色度值、饱和度值和亮度值分别进行等级量化；

步骤21-3)、增大色调的关注度，并将等级量化后的三维向量通过线性组合转换成为一个整数值，每个数值代表一个颜色分段；

步骤21-4)、将图像中的每个象素都进行量化后，提取图像的颜色特征。

8、根据权利要求7所述的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，其特征在于，在所述的步骤21-4)中，提取图像的颜色特征是指：首先将整个图像平均划分为4*4的小块，然后将所有小块组合为5个大的分块，分别对应上下左右和中间部分，对不同的分块，在提取颜色特征时有以下不同的实现方法：

对上下左右四个板块各提取三维的颜色矩，所述三维的颜色矩包括颜色的一阶矩、二阶矩和三阶矩；

对中间板块提取量化为32级的直方图；

对整幅图像还要提取用于描述图像全局颜色特征的颜色的三阶矩。

9、根据权利要求5所述的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，其特征在于，提取图像的纹理特征是指：通过对整幅图像提取边缘直方图来描述纹理特征。

10、根据权利要求1所述的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，其特征在于，在所述的步骤30)中，所述的聚类方法采用K-mean聚类方法。

11、根据权利要求1所述的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，其特征在于，所述的步骤40)具体包括以下步骤：

步骤41)、计算所述的水平聚类结果中包含有最多元素的类和所述的垂直聚类结果中包含有最多元素的类中对应镜头的相似度；

步骤42)、根据所述的镜头相似度计算结果，判断水平聚类和垂直聚类中的两个镜头的相似度是否大于预先设定的第一阈值，如果是，则两个镜头为类中的对应元素，否则为非对应元素；

步骤43)、计算所述的水平聚类结果中包含有最多元素的类和所述的垂直聚类结果中包含有最多元素的类的相似度；

步骤44)、根据步骤43)得到的水平聚类结果中包含有最多元素的类和垂直聚类结果中包含有最多元素的类的相似度计算结果，判断两个类的相似度是否大于预先设定的第二阈值，如果是，则将所述的两个类进行融合，作为新闻主播镜头对应的类，如果两个类的相似度小于或等于预先设定的第二阈值，则视频不具有明显的新闻视频结构，无须提取新闻主播镜头。

12、根据权利要求11所述的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，其特征在于，在所述的步骤41)中，计算对应镜头的相似度是指：计算对应镜头在时域上相交部分时间长度占总时间长度的比例，若相似度的计算结果小于零，则修正为零。

13、根据权利要求11所述的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，其特征在于，在所述的步骤43)中，计算类的相似度是指：通过计算两个类中各元素间的相似度总和来计算两个类的相似度。

14、根据权利要求11所述的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，其特征在于，在所述的步骤44)中，两个类进行融合是指：如果一个类中的元素在另一个类中不存在步骤42)所述的对应元素，则将该元素作为融合后的类的一个新的元素，如果两个类存在步骤42)所述的对应元素，则将对应元素进行合并，并将两个对应元素的最早开始时间和最晚结束时间作为合并后元素的起始时间。

15、根据权利要求11所述的基于时空条带模式分析的新闻主播检测方法，其特征在于，所述第一阈值的值为0.5，所述第二阈值的值为0.5。

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