抖動補償技術在水下攝像系統(tǒng)中的應用

吳艷青

(中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200063)

0 引言

海洋工程試驗設備的水下攝像系統(tǒng)是為水下科學試驗而研制的，用于監(jiān)控水下試驗過程和記錄水下電視圖像，供試驗現(xiàn)場調試參考和對試驗過程進行分析研究［1］。

圖像抖動會造成圖像模糊、觀察困難、視覺疲勞，為獲得直觀、清晰、穩(wěn)定的圖像反饋，克服設備在高速運行中產生的低頻抖動和水流引起的圖像模糊扭曲，是水下攝像系統(tǒng)設計首要考慮的問題。

目前設計的某項海洋工程試驗設備規(guī)模大、復雜程度高、動作快速，并需對水下動作的機構進行連續(xù)觀察。本文在充分研究該項設備運動特征的基礎上，將結構減震和電子穩(wěn)像兩種技術應用到水下攝像系統(tǒng)的抖動補償中，保證了海洋工程試驗設備的平穩(wěn)運行。

1 現(xiàn)有技術及其存在的問題

成像鏈路的各種缺陷，如光學系統(tǒng)和成像器件本身設計的局限性、加工裝校的誤差、工作溫度的變化、平臺振動、傳播介質(如水流、氣流)的實時變化等環(huán)境因素的不穩(wěn)定和空間景物層次的復雜三維結構，都會造成圖像的模糊，即像質退化［2］。

目前，常規(guī)型水下監(jiān)控設備強調在結構防水、入水深度等方面的特殊處理。多數(shù)設備在視頻圖像的抖動、扭曲、信號干擾、視角不到位以及使用壽命不長等問題上無法進行有效處理。

水下攝像系統(tǒng)的攝像機安裝在水下鋼結構平臺上。平臺運動速度較快，體積龐大，工作時存在輕微振動現(xiàn)象。因此，攝像機需要承受水流的沖擊以及鋼結構平臺振動所引起的浪涌。

攝像機產生振動，會引起視頻圖像抖動，特別是低頻振動。常規(guī)的水下攝像機采用鏡頭、速度等方法，對高頻振動有一定的抑制作用，對低頻振動或晃動無效。

視頻抖動會影響實際監(jiān)控結果，造成操作人員判斷失誤，給現(xiàn)場作業(yè)帶來安全隱患。因此，水下攝像系統(tǒng)實現(xiàn)正常運行及維護的監(jiān)測管理尤為重要。

2 抖動補償技術原理

對于上述水下攝像系統(tǒng)問題，主要采用兩種類型的抖動補償技術:結構減震和電子穩(wěn)像(electric image stabilization，EIS)。

2.1 結構減震

結構減震也就是所說的被動穩(wěn)像，采用減震裝置來隔離載體的振動［3］。結構減震運用高強度機械結構設計理念，要求攝像系統(tǒng)的抗震動、抗沖擊力強，適合水中作業(yè)的大型機械設備使用;能在各種惡劣環(huán)境中使用，具有多功能監(jiān)視特性。

2.2 電子穩(wěn)像

電子穩(wěn)像(EIS)就是利用日益成熟的數(shù)字圖像處理的方法對圖像進行處理，達到穩(wěn)定圖像輸出的目的［4］。當本設備關鍵視頻圖像模糊不清時，主要通過電子穩(wěn)像的抖動補償技術來獲取圖像的運動矢量，以便進行穩(wěn)像處理。

當攝像機等輸入設備捕捉實際的畫面時，就產生了數(shù)字圖像(即由像素點陣構成的位圖)。圖像序列的運動可以分解為沿水平方向的運動Δx、沿豎直方向的運動Δy和以圖像中心為轉軸旋轉的角度θ。因此在選定基準圖像的前提下，后續(xù)圖像相對于基準圖像的運動可以依照上述3個分量進行計算，從而確定后續(xù)圖像的穩(wěn)像補償量。

電子穩(wěn)像的原理是提取基準圖像的特征點M(x，y)，在后續(xù)圖像中尋找特征點M'(x'，y')與基準圖像的特征點進行匹配［4］。因此，利用數(shù)字信號處理技術實現(xiàn)實時、高精度的穩(wěn)定動態(tài)圖像［5］，需要通過對其中每個像素點的顏色或者是亮度等進行數(shù)字化的描述，從而得到可以進行處理、供試驗人員進行人眼觀測的畫面。

采用電子穩(wěn)像技術，在不增加硬件的前提下，用軟件就可確保圖像處理的實時性，并在下一幅圖像采集進來前完成相關數(shù)據(jù)處理。

與傳統(tǒng)的光學穩(wěn)像、機械穩(wěn)像相比，電子穩(wěn)像具有易于操作、更精確、更靈活、成本低、智能化等特點［6］。

3 系統(tǒng)方案簡介

水下攝像系統(tǒng)共有10路水下視頻信號，分別經過專用視頻抖動補償設備后傳輸至監(jiān)控室的視頻矩陣。該系統(tǒng)采用Palco帶環(huán)接輸出的視頻矩陣(32進6出)。將環(huán)接輸出的視頻信號連接至硬盤錄像機(16路嵌入式)，同時將分屏顯示信號作為輸入，再接入監(jiān)控室的視頻矩陣。

視頻矩陣的2路輸出分別接到2臺監(jiān)視器，可實現(xiàn)多畫面實時顯示與循環(huán)切換顯示方式的圖像監(jiān)視模式。播放速率為每路25幀/s，同時支持單幀進退、快進快退、倍速(2×、4×、1/2、1/4)等效果。同時硬盤錄像機支持邊錄邊監(jiān)視、邊錄邊回放功能，還可連接備用的RJ45以太網口(10 MB/100 MB自適應)進行網絡視頻相關服務。如多服務器多分控聯(lián)網，網絡回放服務器的錄像文件，通過網絡開、關機實現(xiàn)對主機系統(tǒng)參數(shù)的設置等，同時可進行功能擴展。

攝像系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flowchart of the system

3.1 水下攝像頭要素

水下攝像頭采用具有堅固構造的鋁合金HE30T6標準外殼的攝像頭，其內部無可移部件，具有抗沖擊和耐震動能力。攝像頭體積小，可減小水流沖擊的面積。同時，攝像頭自帶LED照明功能，發(fā)光效率高，使用壽命超過50000 h。

由于水的折射比空氣大，攝像機畫面視角比在空氣中窄1/4左右，因此攝像頭選擇帶高透鏡率的廣角透鏡，可在較廣泛范圍內觀察水下運行機構。

攝像頭水平分辨率為480電視線，低信噪比，感光度為0.02 lux，景物亮度為 0.28 lux，傳感器類型為隔行傳送1/4英寸(1英寸=25.4 mm)電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)圖像傳感器，視角控制為36°(水中對角線)。

另外，利用自動快門和自動增益控制(automatic gain control，AGC)可得到更好的光補償效果。

3.2 水下線材要素

水下線材采用水下專用線纜組件C-2301。該線纜組件可保證系統(tǒng)在水下連續(xù)、長期地穩(wěn)定工作;保證系統(tǒng)在傳輸圖像時能夠屏蔽各種干擾，抗擊水流沖擊，確保圖像傳輸?shù)木取?/p>

水下攝像系統(tǒng)的視頻信號通過水下專用線纜傳輸至水面以上，再轉接至SYV75-7的監(jiān)控專用線纜，送達遠端監(jiān)控室。這樣既能保證視頻信號質量，也能最大程度地節(jié)省工程費用。

3.3 水下專用照明要素

水下高速攝像具有其特殊性，主要體現(xiàn)在以下兩個方面:①光受到水的吸收等因素影響，在水中傳播隨距離增加按指數(shù)形式衰減;②另外，散射作用使水下物體影像的對比度下降，圖像容易變得模糊，造成水下實際觀測距離變?。?］。因此，必須提供水下照明設備，保證水下高速攝像機的正常工作。

水下專用照明要素主要由配置光源、選擇照明的位置和照射方向3方面組成。

水下不同深度的光照度可用式(1)進行估算:

式中:Ⅰ為水下深度在z處的照度;Ⅰ0為水面的光照度;z為水下的深度;k(λ)為水衰減系數(shù)，它隨波長λ變化而變化。

如果海水混濁，其透明度小于4 m，則同深度的光照度要減少一個數(shù)量級。當然，水下照度也會隨太陽位置、云層情況發(fā)生變化，所以水下30 m處的照度一般為5～20 lux，水下40 m 處的照度一般為1 ～5 lux［8］。

類比現(xiàn)場條件，水下自然光照條件十分差，因此，須根據(jù)水下30～40 m處光照度特點，設置合適的水下照明設計方案［7］。同時兼顧考慮上部鋼結構對光線的遮擋，將專用水下照明燈安裝在攝像頭附近位置，進一步保證水下攝像的光照度，同時使環(huán)境散色達到最低［8］。

4 系統(tǒng)抖動補償要點

4.1 結構減震措施

攝像系統(tǒng)共采用以下3種結構減震的措施。

第一種:雙層攝像機房。采用高剛度的抗震鋼結構，減弱或消除外部沖擊力對內部攝像機的影響。兩層之間進行了隔振設計，使精密攝像裝置保持處于相對穩(wěn)固的環(huán)境;攝像機房密封設計，降低了水下較多不良因素對攝像機的侵害;雙層結構可抵御溫度變化，有效防止電子部件的損壞，使其處在最優(yōu)工作環(huán)境。

第二種:隔振設計。首先，雙層攝像機房中兩層之間進行隔振設計，逐級減弱或消除振動影響。同時，雙層攝像機房與安裝結構底座之間設置吸振能量高的裝置，以隔斷水流沖擊的影響，起到隔振作用。其次，水下攝像裝置與安裝結構底座之間也設置吸振能量高的裝置，起到隔振作用，用于多級阻斷水下設備移動對水下攝像裝置的影響。

第三種:使水下攝像裝置及雙層攝像機房的固有頻率遠離工程試驗設備的固有頻率(工程試驗設備相應固有頻率根據(jù)機械設計進行具體有限元計算獲得)，從而避免由設備振動造成的水下攝像裝置和雙層攝像機房的同步共振。

4.2 電子穩(wěn)像技術載體

采用電子視頻抖動補償裝置進行圖像處理，能自動調整攝像頭監(jiān)視位置，且抗搖動、抗擺動，尤其是能消除固定相機的結構震動(低頻振動)，能在抖動狀態(tài)的作業(yè)中得到穩(wěn)定的圖像效果，從而提供高質量實時畫面。

電子視頻抖動補償裝置使用在前端設備和后端設備之間，以便為后端設備提供清晰穩(wěn)定的圖像。前端設備主要為彩色、黑白、紅外、熱成像等攝像機，后端設備主要為DVR、矩陣切換器、顯示器等。

穩(wěn)定的圖像提供了更有利于壓縮的視頻源。在相同的碼流下，后端的數(shù)字視頻記錄設備可獲得壓縮比更高的圖像質量。

4.3 圖像處理的計算方法選擇及算法順序

圖像處理的運算量很大，如果全盤搜索圖像，位移運算量會更大。因此，需選擇圖像的特征點，找出圖像有限部分的特征點，降低圖像需要處理的像素，提高運算速度。

在圖像處理過程中，計算方法為基于圖像特征點的方法?；趫D像特征點的算法順序如下。

①采樣運動視頻中選定的某一幀畫面，將其作為首要參考值，按照特征值排序，并從中提取相應數(shù)目的特征點。

②針對每個特征點，利用前一幀中對應特征點進行匹配對比，獲得該特征點在兩幅相鄰圖像的偏移量。

③對所有特征點的偏移量進行處理，消除運動方向不一致的偏移量，并根據(jù)其余特征點的平均偏移量對后一幅圖像進行運動補償，獲得穩(wěn)定后的圖像。

④ 重復上述偏移量的查找和對比步驟［3］。

4.4 圖像特征點的提取與匹配

如果任何時間的一幅圖像表示函數(shù)為z=f(x，y)，其在所見平面區(qū)域D內具有一階偏導數(shù)，則對于屬于區(qū)域D的每點P(x，y)都可定義出一個向量，這一向量就稱為函數(shù)z=f(x，y)在點P(x，y)的梯度。

特征值的計算基礎為圖像在x方向和y方向的梯度數(shù)據(jù)。

本方案選擇圖像亮度有明顯變化的點，也就是采用圖像中與相鄰部分有明顯區(qū)別的點，同時也是一些相鄰像素的集合。而邊緣線是比較符合的特征區(qū)域，因為圖像邊緣是區(qū)域屬性的交界處，也是區(qū)域屬性發(fā)生突變的地方［3］。邊緣主要存在于目標與目標之間，是圖像分割、紋理特征提取和形狀特征提取等圖像分析的重要基礎［9］。

利用圖像二維梯度搜索技術，找到最大的匹配度所需要的圖像位移調整值，即通過特征點匹配獲得所有有效特征點在兩個圖像幀的坐標，進而可以快速、準確地找到抖動補償所需的二維位移結果。找出每幅圖像發(fā)生的抖動偏移量后，利用軟件的圖像顯示進行每幅圖像的動態(tài)位置調整。

4.5 特征值采樣方法

本系統(tǒng)采用的是480電視線攝像系統(tǒng)，即視頻分辨率為640×480，而特征值選取采用隔點采樣，因此采樣得到的圖像為320×240的圖像［3］。該采樣方法可加快運算速度，保證實時性。

4.6 抖動補償模式

校正模式設置為X/Y方向抖動的校正，即上下左右4個方向和X/Y方向的矢量方向校正。

補償速度可設置為快、中、慢3種。為適應水下設備高速運行的特點，主要采用快、中兩種模式。這兩種模式適合對視頻進行實時控制，不犧牲圖像分辨率(即清晰度)。

由于系統(tǒng)在振動頻率過高或幅度過大的情況下無法進行有效防抖，因此，事先設置一個關于系統(tǒng)的光學成像設計，確定攝像機的視覺范圍和最大可防止的抖動頻率和幅度。當出現(xiàn)振動頻率過高或幅度過大的狀況時，系統(tǒng)會還原出原始圖像，并在圖像的右上角出現(xiàn)一個紅色的小圓點進行提示。此外，也可通過調整攝像機的視覺范圍，減小振動頻率或幅度。

4.7 圖像輸出延時時間設置

人的視覺延遲感應時間一般在0.2～0.4 s之間，而圖像輸出延遲時間通常小于0.1 s，其小于人的視覺延遲感應時間，對人而言幾乎沒有時間延遲。因此，設置圖像輸出延遲時間小于0.03 s，系統(tǒng)就可以確保實時控制。

5 結束語

上述抖動補償技術為該項海洋工程試驗設備的水下攝像系統(tǒng)提供了高質量、清晰的實時畫面，保證了操作人員對關鍵部件的觀察效果。但當外界的噪聲加入到圖像中時，會降低圖像質量，干擾圖像的可測性，給后續(xù)圖像的邊緣檢測工作造成極大影響［10］。今后需要在這方面加強研究。

目前系統(tǒng)運行平穩(wěn)正常，為外圍輔助配套系統(tǒng)的正常使用奠定了基礎。同時，該系統(tǒng)在具有震動、移動、沖擊運動的大型裝卸設備上也可推廣應用。

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