通信学论文-数字视频信息的索引研究 .doc

通信学论文-数字视频信息的索引研究1、引言视频（Video）是源于广播电视业的术语，指内容随着时间变化的图像（Picture）序列，也称为活动图像（MotionPicture）。广义的视频有电影、电视和计算机动画等不同类型，狭义上的视频主要是指电视类视频。视频是一种重要的视觉信息源。随着各种数字影像设备的发展与遍及，以及多媒体技术和Internet的发展，人们面对的视频信息种类迅速地增长，如电影、电视、视频会议、监控录像等。仅中央电视台（CCTV）截至2003年就保存有约30万盘视频节目，目前CCTV开设有15套节目（日播出量超过300小时，其中约有1/3是首播节目）、6套付费电视频道，以每天保存8090h的首播节目计算，每年新增节目将会达到3万小时以上1。面对如此巨量的视频信息，人们迫切希望改进传统的对视频数据的线性查找方式，研发出能够快速定位和部分析取的视频数据获取技术。要达到这样的目标，首先需要将视频数据有序化，即对视频信息进行有效的索引，使之便于检索2。从目前来看，数据库信息、文本信息、图形图像信息的检索已进入成熟期，已有许多实用的检索工具和产品，而视频信息的检索目前还处于研究阶段，虽然已有一些实验原型和个别针对特定领域的检索工具，但目前还无普遍实用的工具和产品。其主要原因是，与其他信息（如文本、图像等）相比，视频信息主要有如下一些特点：（1）信息内涵丰富；（2）无“显式”的结构；（3）存档方式、视频格式和编码标准较多；（4）数据量大。近年来，许多研究人员在文本信息、图形图像信息检索技术的基础上，对视频信息检索技术进行了大量的研究，研究内容涉及视频信息的存储组织、内容分析、特征抽取、索引方法、匹配算法、检索算法、检索结果的评估和视频信息的表现形式等诸多方面。本文在分析视频信息的隐含结构基础上，研究视频信息的索引对象、索引模型和索引结构。2、视频信息的隐含结构与索引对象目前的视频文档都是以节目（或称为作品）为单位表现某个主题，其数据在组织时无“显式”的结构和索引信息（如同一本无目录和章节标题的书籍），用户只能采用线性方式观看和欣赏。传统的视频信息的消费往往是以节目为单位进行的，即查找某一电视节目（电视片、广告片、某场体育比赛等），但不同类型的用户（消费型、研究型、创作型和应用型3），在不同的场合下（通过电视、网络、PDA、移动电话等）可能有不同的视频消费要求，即可能需要以镜头、场景或故事单元为单位进行消费。例如，篮球教练需要查找“姚明进攻”的视频镜头、司机在“塞车”时利用PDA收看某场足球比赛的精彩片段或画面等等。所以，对视频信息进行“结构化”，并针对不同的结构层次对象进行索引，是实现基于内容的视频信息检索的基础。2.1视频信息的隐含结构从形式上看，视频信息本身是一种无“显式”结构的流媒体，即数据流本身无明显的“章节、段落”结构，但从构成和语义上看，视频信息蕴涵着帧、镜头、场景、故事单元和节目这样的层次型结构。其中，帧、镜头和节目是视频信息的物理组成成分，而场景和故事单元则是语义上的逻辑组成成分。视频是内容随着时间变化的图像序列，其最小组成单位是帧（Frame），即一幅幅静止图像；针对一个对象或事件的、摄像机一次拍摄产生的帧集合称为一个镜头（Shot）；发生在某一场地的、针对某一对象、具有相对独立的叙事情节的一个或多个连续镜头构成一个场景（Scene）；故事单元（StoryUnit）是指针对某一事件的、具有相对完整的故事情节的一个或多个连续场景的集合，例如电视连续剧中的每一节节目、NBA比赛中的每一节比赛；节目（Program）是独立的完整的视频文档，通常表述一个完整的故事或事件。视频信息的这种隐含结构，可用如下的数学模型表述：shotframe，ii1sceneshotii1story_unitscene，ii1programstory_unit，ii12.2视频索引对象的分割与选取视频信息蕴涵着帧、镜头、场景、故事单元和节目这样的层次型结构，为了满足不同的应用需求，视频信息的索引应在各个层次上分别展开，即对视频信息的索引，不仅要以节目为对象，而且需要在视频分割的基础上以帧、镜头、场景和故事单元为对象分别进行索引。节目和帧是视频信息固有的自然层次，而镜头、场景和故事单元则要通过对视频内容的分析、采用各种算法进行分割才能得到。（1）帧对象的选取虽然帧是视频信息固有的自然层次，但一个视频文档由太多的帧组成（每秒2530帧），且帧之间存在大量的信息冗余以及用户不感兴趣的帧图像，这就需要采取一定的策略进行帧的“选取”，找出一定数量的“代表帧”（也称为“关键帧”）。目前代表帧的选取大多是在镜头分割的基础上，以镜头为单元分别进行代表帧的选取，选取算法主要是以镜头的首帧、尾帧或中间帧为代表帧。笔者认为，代表帧的选取还应考虑两个方面：一是对于不同体裁（类型）的视频，应采用不同的选取方法，且代表帧的数量也应区别对待；二是可以通过帧图像的相似性比较，对帧进行聚类，从帧数最多的类中选取代表帧（因为持续时间长的画面往往更具有代表性）。（2）镜头分割镜头是视频节目构成的基本单元，也是视频消费时的最小逻辑单元。一个完整的视频节目通常由若干个镜头组成，例如一部2小时的电影通常由数百个镜头组成。镜头之间的切换形式主要有突变和渐变两大类，渐变又可分为隐现（Dissolve）、淡入/淡出（Fade）和擦除（Wipe）等不同类型，文献4列出了常见的10种镜头变换形式，在实际的应用中可能有上百种镜头变换效果。采用人工方式进行视频分割是十分费时的。近十多年来，电子工程和计算机科学等领域的学者从不同的角度研究出了多种自动镜头检测的方法，其基本思想大多为比较相邻帧之间的相似性。目前镜头检测技术的方法分类主要有以下三种：根据所处理的视频是否为压缩数据进行分类，如文献4所述，将镜头变换检测方法分为基于解压的全图像序列的识别方法、直接基于压缩视频的识别方法和基于确定变换模型的识别方法；根据检测的镜头变换类型进行分类，如文献5所述，将镜头变换检测方法分为突变检测（HardCutDetection）、淡入/淡出检测（FadeDetection）和隐现检测（DissolveDetection）等类型；根据检测时所采用的视频特征进行分类，可以将镜头变换检测方法分为基于亮度/颜色（Intensity/color）的检测、基于纹理（Texture）的检测、基于边缘（Edges/contours）的检测、基于运动（Motion）信息的检测，等等。镜头突变检测的技术相对比较成熟，一般采用基于颜色直方图比较法即可得到较高的准确率。但对于形式多样的渐变切换检测，通常需要采用多种检测手段进行综合检测，这也是目前镜头检测研究的难点和热点之一。（3）场景分割场景是发生在某一场地或针对某一对象（或动作）的、具有相对独立的叙事情节的一个或多个连续镜头的集合。有时一个场景就是一个镜头，有时一个场景是从不同角度反映同一场地（或对象或动作）的多个镜头的组合。目前场景分割（也可称为场景构建）一般是在镜头分割的基础上，采用镜头聚集的方式实现。文献6提出了一种通过构造层次型“场景变换图”的方法实现场景分割的思路，场景变换图中的结点表示镜头、边表示变换，基于场景变换图，利用颜色的相似性计算对镜头进行层次聚类，形成的每一个子图即为一个场景；文献7提出了一种在镜头分割基础上，利用运动信息（包括摄像机运动和对象运动）、镜头长度和颜色属性进行场景检测的方法。（4）故事单元分割在影视制作过程中，导演根据剧本的内容，按照叙述的逻辑并根据创作意图，合乎逻辑地、富有表现力地、有节奏地把镜头连接起来，构成完整的银幕形象，形成比镜头更高一级的结构故事单元8。故事单元是指针对某一事件的、具有相对完整的故事情节的一个或多个连续场景（镜头）的集合。故事单元分割的基本思想也是在镜头分割的基础上，结合领域知识对镜头（或场景）进行聚类分析。故事单元的理解主要是从语义层次上进行的，其长度（大小）并没有确切的定义和界限，需要更多地考虑视频节目的类型、体裁等领域知识。对于不同类型的视频节目，其故事单元的划分有不同的形式。例如，对于电视连续剧，可以将每一集看作一个故事单元；对于体育节目，可以根据其本身所固有的时间间隔进行分割，或根据主要事件（如得分、进球等）进行分割等。2.3视频索引对象的数据结构数据模型是直接面向计算机系统（数据库）中数据的逻辑结构。在常见的数据库系统中，根据实体集之间的不同结构，通常把数据模型分为层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型四种。目前成熟的、主流的数据库管理系统绝大多数是采用关系模型，并在此基础上扩展了面向对象的程序设计功能。鉴于这种情况，可以考虑视频索引对象的数据结构采用如下的关系数据模式：节目Program（节目号pNO，索引信息p）故事单元StoryUnit（节目号pNo，故事单元号uNO，索引信息u）场景Scene（节目号pNo，故事单元号uNO，场景号eNO，索引信息e）镜头Shot（节目号pNo，故事单元号uNO，场景号eNO，镜头号sNO，索引信息s）代表帧KeyFrame（节目号pNo，故事单元号uNO，场景号eNO，镜头号sNO，帧号fNO，索引信息f）在实现时，节目号由分类号和编号两部分组成，其中分类号应采用类似于中图分类号的编码体系，分类方法可参考TVAnytime论坛制定的分类策略（SP003v1312）；故事单元号、场景号、镜头号和帧号可采用视频片段的起止时间码（SMPTE使用的时间码格式为：小时：分钟：秒：帧）；各索引对象的索引信息可根据后续讨论的索引模型创建。3、视频信息的索引模型3.1视频信息的内容模型视频包含有丰富的信息内容，针对同一段视频，不同的人、在不同的情形之下观看，通常有不同的感受，即使是同一个人多次观看同一段视频，往往也会有不同的感受。针对视频所包含的信息内容，许多学者从不同的学科出发，对其进行了较为深入的研究。其中，较有代表性的是文献9提出的视频内容分类模型，如图2所示。该模型根据人类视觉感知和认识事物的规律，将视频内容分为三个层次：第一层（低层）为用户观看视频时首先感知的视觉信息，如颜色、纹理、形状、运动等；第二层（中间层）为通过逻辑推理而得的、基于对象（Object）的感知信息，如视频中包含（描述）的人物、地点、时间等；第三层（高层）为通过智能推理而得的、基于知识（Knowledge）的感知信息，它反映了视频本身的语义，以及由此而来的感受，如某视频片段为暴力镜头、欢庆场景、劫机事件等等。这种视频内容建模方式为基于内容的视频信息索引提供了有益的指导。3.2视频信息的描述需求与索引模型视频信息内涵的丰富性、用户检索需求的多样性，决定了在对视频信息进行索引时，应尽可能地从各个层次和侧面进行全方位的描述。根据MPEG7的目标要求10，对视频信息的描述至少应包括如下的信息：（1）有关内容的产生和发展进程的描述信息（如导演/作者、标题、版本等）；（2）与内容使用有关的信息（如版权、使用历程、宣传计划等）；（3）有关内容存储特性的信息（如存储格式、编码等）；（4）有关内容的低层特性的信息（如颜色、纹理、音质、音调描述等）；（5）从内容捕捉到的实体的概念化信息（如对象和事件，对象间的交互作用等）；（6）利于浏览视频内容的信息（如概要、变更、空间和频率等）；（7）关于用户和内容交互作用的信息（如用户选择、使用历史等）。根据MPEG7提出的描述要求及视频内容分类模型，可以考虑采用如图3所示的视频索引模型。在该索引模型中，视频信息的索引分为外部信息索引和基于内容的索引。外部信息索引是指基于视频文档外部的、不依赖于其内容的信息索引，用于视频文档的标识和检索，如标题、作者、时间、文档大小、存储格式与编码格式、使用信息（软硬件要求、使用要求、版权等）等等。基于内容的索引又可以分为结构索引、低层特征索引、中间层对象索引和高层语义索引，后三种索引与图2所示的视频内容模型相对应。结构索引是指节目、场景、镜头、帧之间的层次结构与关系等；低层特征索引是基于视频信息的物理特征信息（如颜色、纹理、运动、音质、音调等）进行索引；中间层的索引是对视频中可识别对象（如时间、地点、人物等）的索引；高层语义索引用于描述视频中包含的事件及相关的感受。3.3视频对象与索引类型的关系不同（层次）的视频对象对应着不同的索引，其对应关系如表1所示。帧的索引包含低层特征索引、中间层对象索引和高层语义索引。其中，低层特征可以自动地提取，中间层对象可以采用人工或半自动化（基于图像识别技术）的方式进行标引，高层语义可以采用人工输入方式进行标引。表1视频对象与索引类型索引外部信息结构索引低层特征中间层对象高层语义对象索引索引