車載穩(wěn)像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：灰度投影算法是車載視頻穩(wěn)定當(dāng)中應(yīng)用較多的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法，然而投影法對(duì)圖像的對(duì)比度有較高要求，而且在惡劣天氣情況下，針對(duì)直方圖均衡化進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)效果不好，為此提出采用小波邊緣增強(qiáng)的方法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。實(shí)驗(yàn)表明，該方法有效地提高了灰度投影算法在低對(duì)比度圖像上的運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)精度。
關(guān)鍵詞：電子穩(wěn)像；灰度投影；小波變換；圖像對(duì)比度增強(qiáng)

0 引言
車載成像技術(shù)是一種將成像設(shè)備置于車載平臺(tái)的遠(yuǎn)距離、非接觸獲取目標(biāo)圖像的技術(shù)和方法，是未來(lái)汽車智能化的關(guān)鍵。但是由于攝像機(jī)隨車體晃動(dòng)導(dǎo)致輸出的圖像序列不穩(wěn)定，圖像序列晃動(dòng)量較大，易使觀察者產(chǎn)生疲勞，也會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)處理的精度，因此，必須對(duì)車載圖像序列進(jìn)行穩(wěn)定。
目前，車載穩(wěn)像技術(shù)使用較多的算法為特征點(diǎn)法和灰度投影法。特征點(diǎn)法能對(duì)任意形式的圖像運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)，但在處理一些畫(huà)質(zhì)較差，特征貧乏的圖像時(shí)，精度往往很低，很難適應(yīng)車載視頻穩(wěn)像的各種環(huán)境變化；灰度投影法只能處理只含平移運(yùn)動(dòng)和較小旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的情況，且要求圖像有一定的對(duì)比度。而車載視頻往往拍攝時(shí)路況環(huán)境比較復(fù)雜，如雨霧天氣，這就給算法處理的精度帶來(lái)很大影響。本文針對(duì)這種情況，采用小波的方法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，提高灰度投影法在車載穩(wěn)像應(yīng)用中的抗干擾能力。

1 車載穩(wěn)像系統(tǒng)框圖
電子穩(wěn)像是利用電子設(shè)備和數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合的方法，通過(guò)計(jì)算選定的參考幀圖像和被比較的當(dāng)前幀圖像的運(yùn)動(dòng)矢量，再根據(jù)獲得的運(yùn)動(dòng)矢量按照某種準(zhǔn)則對(duì)當(dāng)前圖像進(jìn)行補(bǔ)償，從而消除或減輕圖像序列幀間的隨機(jī)抖動(dòng)，獲得穩(wěn)定的圖像序列。
電子穩(wěn)像作為車載穩(wěn)像系統(tǒng)中的核心部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，全局運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)是整個(gè)穩(wěn)像系統(tǒng)的關(guān)鍵，它決定了穩(wěn)像精度和耗時(shí)性。
1．1 運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)算法
通過(guò)對(duì)高速路抖動(dòng)特點(diǎn)的分析，并且對(duì)目前在電子穩(wěn)像中常用的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法進(jìn)行各自優(yōu)缺點(diǎn)的比較，本系統(tǒng)決定采用灰度投影算法進(jìn)行全局運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)。
灰度投影算法：投影法是利用圖像總體灰度變化規(guī)律來(lái)確定圖像運(yùn)動(dòng)矢量的一種方法，它不必對(duì)圖像上的每一點(diǎn)做相關(guān)運(yùn)算，而是利用圖像的灰度投影曲線做一次相關(guān)運(yùn)算，因此它的運(yùn)算量小，運(yùn)動(dòng)估計(jì)速度快，容易滿足實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)抑制噪聲的能力較強(qiáng)，并且在精度上也能較好地滿足要求。
該算法首先通過(guò)投影公式將每一幀二維圖像映射成兩個(gè)一維波形，其行列灰度值累加表示為：

式中：Ik(i)代表第k幀圖像第i行的灰度值，Ik(i)代表第k幀圖像第j列的灰度值，Gk(i,j)為第k幀圖像上(i,j)處的像素灰度值。
為了避免因圖像抖動(dòng)導(dǎo)致圖像邊緣信息發(fā)生變化，而影響互相關(guān)計(jì)算出的互相關(guān)曲線峰值，在進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算前，對(duì)圖像進(jìn)行余弦濾波，去除圖像邊界信息波形而完整保留中心區(qū)域波形，減小邊界信息對(duì)互相關(guān)計(jì)算的影響，提高計(jì)算精度。投影濾波后，對(duì)參考幀和當(dāng)前幀各分量的兩條曲線進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，找到兩條曲線的惟一谷值，即可確定出當(dāng)前幀相對(duì)于參考幀的行列運(yùn)動(dòng)偏移量。相關(guān)運(yùn)算的公式為：

式中：colc(n)和colr(n)分別為第i幀和參考幀的在一個(gè)方向上的灰度投影值，J為兩曲線中進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的單位長(zhǎng)度，m為位移矢量相對(duì)于參考幀在一側(cè)的搜索寬度，即允許的最大正負(fù)抖動(dòng)范圍，m在1至2m+1間取值。當(dāng)C(k)為最小值時(shí)，此時(shí)k=Kmin，則第i幀圖像相對(duì)于參考幀圖像在一個(gè)方向上的位移矢量為：

以水平方向?yàn)槔瑅i為正時(shí)，表明當(dāng)前幀相對(duì)參考幀向右移了|vi|個(gè)像素；為負(fù)時(shí)，表明向左移了|vi|個(gè)像素。同樣的方法，可以得到垂直方向的位移矢量。