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一種基于灰度投影的實(shí)時(shí)電子穩(wěn)像方法

作者: 時(shí)間:2009-03-06 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1、引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/167047.htm

穩(wěn)像[1,2](EIS, Electronic Image Stabilization)就是用數(shù)字圖像處理和技術(shù)直接從像面上來確定圖像序列的幀間偏移,并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償從而獲取穩(wěn)定的圖像序列的技術(shù)。與傳統(tǒng)的光學(xué)穩(wěn)像和機(jī)械式穩(wěn)像技術(shù)相比,穩(wěn)像具有穩(wěn)像精度高、體積小、重量輕、功耗低及成本低等優(yōu)點(diǎn)。從穩(wěn)像技術(shù)研究的歷史來看,電子穩(wěn)像技術(shù)是研究的發(fā)展趨勢(shì),在軍事和民用中都有廣泛的應(yīng)用前景。

電子穩(wěn)像中,全局運(yùn)動(dòng)估計(jì)[1]和變換參考幀策略是兩大難點(diǎn),正確地估計(jì)圖像序列的幀間運(yùn)動(dòng)是關(guān)鍵。目前用于電子穩(wěn)像運(yùn)動(dòng)估計(jì)的算法有很多種,如塊匹配法[3]、位平面匹配法[4]、代表點(diǎn)匹配法[5]等等。其中灰度法[6]算法簡(jiǎn)單,計(jì)算量小,同時(shí)還能保持較高的準(zhǔn)確度。驗(yàn)證并應(yīng)用多區(qū)域灰度法來消除內(nèi)部運(yùn)動(dòng)物體對(duì)全局運(yùn)動(dòng)估計(jì)的影響,并設(shè)計(jì)了一種帶有校正的變換參考幀策略。

2、電子穩(wěn)像基本流程

如上圖[1]所示,電子穩(wěn)像過程由圖像預(yù)處理、局部運(yùn)動(dòng)估計(jì)、全局運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)葞讉€(gè)部分組成。預(yù)處理:圖像的采集與處理準(zhǔn)確度受到多種因素的影響,如CCD的空間分辨率、量化誤差、系統(tǒng)噪音、A/D轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度、攝像機(jī)振動(dòng)等,這些噪音直接影響到圖像序列的處理和電子穩(wěn)像系統(tǒng)的性能。在運(yùn)動(dòng)估計(jì)與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)确€(wěn)像操作前,需要對(duì)圖像做濾波操作,實(shí)驗(yàn)采用的是中值濾波。運(yùn)動(dòng)估計(jì)[7]:包括局部運(yùn)動(dòng)估計(jì)和全局運(yùn)動(dòng)估計(jì),即求取相鄰兩幀圖像之間偏移,求得局部運(yùn)動(dòng)矢量和全局運(yùn)動(dòng)矢量。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償[8]:用運(yùn)動(dòng)估計(jì)得到的運(yùn)動(dòng)矢量把圖像校準(zhǔn)到同一基準(zhǔn)上,得到穩(wěn)定的圖像序列。

圖1 電子穩(wěn)像流程圖

3、灰度

灰度投影算法是標(biāo)準(zhǔn)的幀與幀之間的運(yùn)算,算法分為圖像映射、投影濾波、相關(guān)計(jì)算三個(gè)步驟。

圖像映射是把每一幀輸入的圖像二維灰度信息映射成兩個(gè)獨(dú)立的一維投影序列,公式如下:, 式中 是第k幀圖像第i行的灰度值; 是第k幀圖像第j列的灰度值; 是第k幀圖像 位置處的像素的灰度值。

投影濾波就是要對(duì)圖像投影值進(jìn)行濾波,因?yàn)槠屏看髸r(shí),邊緣信息在互相關(guān)運(yùn)算時(shí)會(huì)對(duì)互相關(guān)的峰值產(chǎn)生不利的影響,這就要求把邊緣處的投影值去除。通常采用的是余弦濾波,此可以保留中間區(qū)域的投影值,降低邊緣區(qū)域的信息幅值,從而保證相關(guān)計(jì)算的正確性,提高校正精度。

相關(guān)計(jì)算是把第k幀圖像與參考幀圖像的行、列投影曲線做互相關(guān)計(jì)算,根據(jù)兩條相關(guān)曲線的峰值即可確定當(dāng)前幀圖像相對(duì)于參考幀圖像的行、列位移矢量。得到水平和垂直方向的位移矢量后就把當(dāng)前圖像向位移矢量的反方向移動(dòng)相應(yīng)像素距離,實(shí)現(xiàn)圖像序列的穩(wěn)定。

4、分區(qū)域灰度投影

為消除局部運(yùn)動(dòng)物體對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)的影響,提高灰度投影的可靠性,采用分區(qū)域灰度投影法。

分塊的大小和多少應(yīng)該由圖像的大小、內(nèi)部運(yùn)動(dòng)物體的大小,還有灰度投影的有效性三個(gè)方面決定。若分得塊太多,每個(gè)塊包含的信息量太少,將會(huì)影響灰度投影的準(zhǔn)確度,若分的塊太少了,就不能準(zhǔn)確判斷局部運(yùn)動(dòng)矢量。

表1為將投影區(qū)域分成不同大小進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表1可知,若投影區(qū)域大小小于90×90能準(zhǔn)確估計(jì)的范圍太小,容易出現(xiàn)誤差,而大于100×100像素的能保證灰度投影的有效性,滿足運(yùn)動(dòng)估計(jì)的需要。塊的大小的確定還要兼顧內(nèi)部運(yùn)動(dòng)物體的大小,內(nèi)部運(yùn)動(dòng)物體越小,越容易應(yīng)用分塊的灰度投影法消除其對(duì)全局運(yùn)動(dòng)矢量造成的影響。應(yīng)用背景下目標(biāo)最小為幾個(gè)像素,最大時(shí)為180×120個(gè)像素。通常情況下,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位于視場(chǎng)中心,如果分成4個(gè)投影區(qū)域[9],每個(gè)區(qū)域都可能包含運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的一部分,也就難以得到實(shí)際的全局運(yùn)動(dòng)矢量,所以至少要把投影區(qū)域分成9個(gè)塊。假定圖像大小為720×576,目標(biāo)最大為180×120,選取中間投影區(qū)域分成9個(gè)大小為200×180像素的塊,目標(biāo)最多占有四個(gè)塊,不會(huì)影響全局運(yùn)動(dòng)估計(jì)的判決??梢?,只要滿足內(nèi)部運(yùn)動(dòng)物體占有少數(shù)塊和保證灰度投影的有效性,就能保證得到正確的全局運(yùn)動(dòng)估計(jì)矢量。


表1 投影區(qū)域分塊大小對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)影響


圖2 圖像分塊示意圖
5、變換參考幀策略

電子穩(wěn)像中,攝像機(jī)處于不斷的運(yùn)動(dòng)中,背景不是一成不變的。如果一直以第一幀為參考幀,可能最后穩(wěn)像出來的圖像序列不能反映真實(shí)的運(yùn)動(dòng),這就要求更新參考幀。如果每一幀都以前一幀為參考幀,又會(huì)大大增加計(jì)算量,影響電子穩(wěn)像的性。

為了兼顧穩(wěn)像的速度和準(zhǔn)確度,采用每n幀換一次參考幀,n的值要綜合考慮攝像頭的運(yùn)動(dòng)情況來確定。參考幀使用的是穩(wěn)定以后的圖像,這里存在的問題就是如果一直選取穩(wěn)定后的圖像為參考幀,如果某次運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償出現(xiàn)錯(cuò)誤,例如由于實(shí)際偏移超出最大偏移范圍而導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)估計(jì)錯(cuò)誤,那么這種錯(cuò)誤就會(huì)一直延續(xù)下去。所以采取視頻編碼中若干P幀后插入I幀的[10],每隔k幀插入一幀原始圖像作為參考幀。如果換取參考幀時(shí),本幀的運(yùn)動(dòng)矢量太大,偏離上一參考幀太多,則采取下一幀為參考幀。


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