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1、臀己DD7年3月 第己 6卷第期. .鬓电子稳像技术算法研究石佼李晋惠(西安工业大学光电工程学院西安71 0032 )摘要:首先,本文介绍了电子稳像技术的基本原理,对2种常用的电子稳像技术算法进行了分析,并阐述了其优缺点。其次,本文提出了基于特征点的稳定视频图像序列电子稳像算法,其基本步骤是先获取图像特征点,然后确定补偿t,最后校正图像序列。利用基于特征点的匹配技术估计出全局运动矢量,用均值滤波的方法确定图像的补偿参数,并将补偿参数代人变换模型,继而实现了图像序列的稳定。实验结果表明,这种特征点稳像算法能够较好地稳定视频图像序列.关挂词:电子稳像;稳像算法;运动矢量估计Rese ar chof
2、ele ctro nicimage stabilizingalg orithmS hiJia oL iJin hui段ho olofO Pto ele ctr oni。Engin eer in g,X l,AN Teehn ol姐ie al University,Xi,a n710 032 )A加tr act:Firstly,theb asiePrineipleofele etr onieir n agestabilizingte ehnologywasintre duee d .Tw okindsofele ctr on ieim agestabilizin galgorithmwe rea
3、n alyz ed,whos emeritanddemeritwe reintre du ee dindetails.S ee o ndly,a nele ctr onieimagestabiliz atio nalgor ith mba se do nimagefe atu reswaspropos ed,andtheba siestep wa sdete ctionofim agefe atures,estimatio nofir r 进gem otionve etora ndwaysofim娘ec om卯sitio nwer edetailed.G lobemotionve etorb
4、etwe entheref er-en e ef rameandtheeurre ntfr a meswa sobtained byare al一timeele etronie一 r, 1:tgestabilizi雌algorith r nba se do nf eatu r ematehin g.ThePar a mete rstoc ompe n satef ortheeur re ntimagee a n卜, 、l、torm inedbyav eragev aluef i lte rin gand hav ebe e na即lie dt ogiv em otio nm 阂elt os t
5、abilizetheimagestrea饥T!1,、xl)e rimen tre s ultssho wthatthisal即r itb me a nbeusedtoa ehie v ebette rre al一timestabili幼tio nofimagese qu e n e e.K助叨0油:eleetr onieimagestabilizi雌;imagestabilizingalg(,r:一I、 n 、;e stimationofmotio nve etor0引言随着计算机技术和大规模集成电路的迅猛发展,计算机对图像处理能力的迅速提高,稳像技术已逐渐转入利用计算机进行电子稳像技术的研究
6、。电子稳像是新一代的稳像方法,它利用数字信号处理等技术实现实时、高精度地稳定动态图像.电子稳像技术是综合电子、计算机、数字信号处理等技术为一体的新一代实现图像 序列稳定的技术。稳像是为了解决运动载体上的摄像机抖动问题。早期的方法是稳定摄像机本身,现在可以对采集 到的图像进行处理,使得图像在显示器上能够稳定地显示。稳像技术主要用于军事以及民用侧绘仪器,军事战斗的环境比较恶 劣,对系统的稳定性和抗干扰能力要求很高,车载图像跟踪系统目标多样化,既要能跟踪地面目标,又要能跟踪空中目标,而且作战环境多样化,包括丛林、沙摸、山区等。载体的运动导致了车载图像序列的不稳定,尤其当路面颇簸不平造成车体振动剧烈,
7、或是采用长焦距、高分辨力的摄像系统时,图像序列晃动量较大,易使观察者产生疲劳,从而导致误判和漏判,极大地影响了目标跟踪的精度。在航载和舰载图像跟踪系统中,支撑摄像机平台的展动会引起图像画面的抖动,令观察者视觉疲劳,从而产生瀚普和虚警,因此必须对图像序列进行稳定.电子稳像技术具有实时性强、体积小巧等优点,从而得以广泛应用,国外在该领域的研究已有近2 0年的历史,而国内起步相对较晚.1电子稳像的墓本原理电子稳像系统是用某种算法对图像进行处理,以分离出运动向量,确定出像偏移量,并对其偏移进行补偿,达到稳像的目的。电子稳像系统主要是由图像预处理、运动检侧和运动补偿3部分组成,其中运动检测包括运动估计和
8、运动决定作者简介:石佼(1 981一),女,硕士研究生,主要研究方向为数字图像处理。己 DD 7年月. . . . .第己巳卷第三期单元。电子稳像技术利用纯数字图像处理方法进行图像稳定,电子稳像 系统主要由3个功能模块组成,即运动矢量估计模块ME、运动矢量补偿模块MC和图像补偿模块IC。运动矢量估计模块估计图像序列帧间运动,得到运动参数并传给运动补偿模块,MC计算 出稳定图像所需的全局运动矢量,在图像稳定模块里根据全局运动矢量对图像进行变换,以得到稳定 的图像序列,典型的电子稳像 系统结构如图1所示。,使其在监视器上的图像沿运动矢量反方向位移童移,只有第2帧输出的图像与第1帧图像相l司,2顿图
9、像重组动合才可获得清晰的图像。图像跟踪系统中,视场四周由于摄像机的运动,可能会出现新背景进入视场和旧背景退出视场的情况,因此在四周留出1。%作为补偿区域。短、爵图1典型的电子稳像系统的结构2基于特征点匹配技术的稳像算法基于灰度的稳像方法依赖图像的一些灰度统计信息.通常情况下,相邻2帧图像间的旋转角度较小,因此在模板匹配时可以只考虑平移,不考虑旋转,因而能够直接利用灰度投影法计算出运动偏移量。先对每一帧待处理 的二维图像(NX洲使用直方图均衡化预处理,映射成2个独立的一维波形。、,产、l户.上O 气了、了、运动估计系统就是通过各种不同的算法对图像序列进行处理,估算 出当前帧相对于参考帧的运动偏移
10、。运动补偿则是通过运动决定单元提供的运动参数去控制CCD输出像元各行、列的起始读 出位置,或直接利用数字图像处理的方法使图像上的像素按被检测 出的运动偏移反方向做等量移动,以实现图像的行、列序重组,达到第二帧输出图像与第一帧输出图像重合,从而达到图像补偿稳定的目的,使监视器输出清晰的视频图像。运动矢量估计通过估计图像序列帧间运动得到运动参数。运动矢量估计 的算法很多,有块匹配算法BMA,代表点比较算法BE R P,边沿检测匹配算法E DA,位平面匹配算法BPM,投影算法PA等。块匹配算法估计运动矢量精度高,但是计算量大,效率低。代表点比较算法计算量较小,但是对图像变化不敏感。边沿检测匹配算法不
11、容易找到合理的边沿检测参数。位平面匹配算法降低运动估计的计算量,提高实时性,但是选择一个适当的位平面 进行运动矢量 的估计较困难。投影算法速度快、性能稳定,但是对图像的总体灰度变化不敏感。电子稳像系统中最基本的技术是像移补偿技术,其原理如图2所示。z(,)一习两xel。(*,)h(,)一习两xel*(*,)l l l l l2 2 2 O O O O O O O3 3 3 3 34 4 4I I I I I2 2 23 3 3 3 3O O O4 4 4 4 4 4 4J=1 式(1 )是把第k幅图像每一列和每一行像素灰度值进行 累加,其中Pixel*(i,J)表示第k幅图像上点(i,j)的灰
12、度值;l (j )表示图像第j列像素灰度值的累加和,即为第j列像素的投影值。类似的,也可求出图像第i行像素灰度值的累加和,即为第i行像素的投影值,如式(4),可以对投影值进行滤波来提高校正精度。把待处理图像的列投影和参考图像的列投影做互相关运算,相关值曲线的波峰所在位置表示当前图像相对参考图像的行偏移量,可以把图像的行投影做相关运算得到图像的列偏移量。同样,可以选用均值滤波器来去除高频成分,平滑运动矢量。为了防止由前一稳定帧补偿带来的错误传播,可以设阔值,使用原始帧代替稳定帧作为待补偿帧。但是当图像有移动时,图像的边缘信息也发生变化,因此导致投影 波形在边缘处差异较大。基于特征的稳像 方法依赖
13、 图像 中的某些特征,如边缘、区域、纹理、嫡和能量等,然后对提取的特征进行描述,从而使其可以按照某种相似性测度进行匹配。为了能准确地选取图像的特征点,使用Ga us s滤波器平滑掉噪声,用La Pla cia n 滤波器进行边缘检测。检测后的图像分成几个垂直部分,灰度最大的点作为该区域上的特征点,一般采用如式(3 )所示的二维运动模型:一(:篡黯自+(幼(3)X丫尤矛矛1 . 电、,下胜矛图2像移补偿技术原理图2为成像面,每一格代表一个像素。图2(a)是第1帧图像,物体在”1”像素上成像。图2(b )是相邻的第2帧图像。由于载体的运动,使得摄像机产生振动,同一物体在”4”像素上成像,图像变得模
14、糊。为了获得清晰的图像,首先要求出摄像机的角位移量并转换成监视器上图像的运动矢量,然后通过对CCD图像传感器的行、列序 号重,Y)和(戈,矶)是在时间t.和t,时2帧图像的坐标;(X,价尹)是在参考帧图像坐标系下所测的平移矢量;口是2帧图像的旋转角度;、是变焦系数,与2帧图像的平移和旋转无关,只要从2帧图像中给出一组匹配点,就能计算出、。假设在旋转运动较小的情况下,即曰。,式(3 )可不考虑三角函数的影响,可简化 成如式(4 )所示的线性形式:己 DD7年3月 第己6卷第期采用均值滤波的方法来确定图像的运动补偿参数,实现对图像序列进行补偿,这样既能有效地保留摄像机的正常扫描运动,同时又能较好实
15、现图像序列稳定。第i帧图像的变换参数可以表示为:一贵鑫x、一(一1 /2一 、一斋睿Y、一(阱1)邝一;一贵客、一(阱,) /2一,图4稳定后的困像序列、了 、.产比口只U了气了、城战日(7)确定各帧图像的补偿参数后,代人其变换模型式(4 )对图像进行变换,便得到稳定的视频图像序列。利用基于特征点匹配技术估计全局运动矢量,用均值滤波的方法确定当前图像的补偿参数,可较好地实现补偿.本系统是在P entiu m(R)DCPU2.80G Hz、512MB内存的计算机上进行 的,利用VC+ 十软件编程 的方法。图3是稳定前的图像序列,其中( a)、( b)、(。) 3幅图像分别取自实际拍摄的图像序列中
16、的第1、1 0、2 0帧图像,由于摄像机的运动导致每一帧图像不重合,使图像产生很大的晃动。图4所示是稳 定图像后的图像序列,图4(b )为图3(b )向上移动后的结果,图4 (c )为图3(c)旋转了一定角度的结果,图4中边框处的空白部分为校正后的补偿区,从而稳定了图像序列。图像序列稳定前的晃动使人眼无法正常地进行观察。经稳像算法处理后,避免了原来图像所具有的晃动现象,明显地改善了动态图像序列的质量,达到了稳像的效果。3结论综上所述,基于灰度的稳像方法比较适合用在图像的灰度分布上有线性关系的图像,由于受灰度失真和几何失真的影响较大,不能适应情况较复杂的图像畸变,计算 量大、效率低,不利于实时操作。基于特征的稳像方法 比较适合用于有明显特征的图像,但是存在特征提取的多样 性、相似性计算,不利于硬件实现。由于电子稳像技术是利用稳像算法实现图像序列的稳定,因此具有精度高、速度快、功耗少等优点,随着摄像系统对图像稳定精度要求的不断提高,电子稳像技术的应用将越来越广泛。参考文献 l j 韩绍坤,赵跃进,刘明奇.电子稳像技术及其发展
