基于DSP的圖像穩(wěn)像技術(shù)研究

羅正華，唐 喬

(成都大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引 言

由于人眼的視覺限制，眼睛獲取外界信息的能力有限，而在圖像獲取過程中，圖像不可避免地發(fā)生一些隨機(jī)性的抖動，容易產(chǎn)生視覺疲勞，從而影響信息量的獲取和觀察的效果.為了減少圖像的抖動，便采用了穩(wěn)像技術(shù).目前已有的穩(wěn)像方式有:基于視頻圖像序列數(shù)字信號處理的電子穩(wěn)像方法［1］，基于伺服控制系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)像方法［2］以及基于光學(xué)成像原理的光學(xué)穩(wěn)像方法［3］.電子穩(wěn)像與機(jī)械穩(wěn)像以及光學(xué)穩(wěn)像相比較，其在體積、價格、精度、功耗等各個方面都具有非常大的優(yōu)勢，從簡單、有效的角度出發(fā)，本設(shè)計采用灰度投影算法設(shè)計了一種電子穩(wěn)像系統(tǒng)，對抖動圖像進(jìn)行有效處理，提高了處理速率，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各種監(jiān)視設(shè)備上.

1 電子穩(wěn)像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計中，基于DSP 的圖像穩(wěn)像系統(tǒng)包括圖像采集模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、圖像處理模塊、輸出顯示模塊，其中，圖像處理模塊主要采用電子穩(wěn)像技術(shù).其系統(tǒng)組成如圖1 所示.

電子穩(wěn)像系統(tǒng)工作原理:將圖像采集模塊捕捉的外界圖像信息，通過信號轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號，其輸出的信號分為2 路:一路傳送到運(yùn)行算法的DSP6748 上，另一路傳送到可執(zhí)行的設(shè)備內(nèi).第一路信號在DSP6748 上應(yīng)用算法對圖像進(jìn)行運(yùn)動估計，通過計算得到抖動值，所計算出的偏移量通過信號生成器傳送到圖像處理機(jī)構(gòu).圖像處理機(jī)構(gòu)的功能是進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償，即對當(dāng)前幀圖像根據(jù)像偏移量的大小進(jìn)行補(bǔ)償，這2 個過程是穩(wěn)像過程中的重要步驟.最后，通過視頻顯示器可以看到穩(wěn)像后的圖像.

圖1 電子穩(wěn)像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

2 電子穩(wěn)像算法

2.1 電子穩(wěn)像原理

電子穩(wěn)像系統(tǒng)的關(guān)鍵在于圖像處理模塊中的電子穩(wěn)像技術(shù)，包括預(yù)處理［4］、運(yùn)動估計、確定幀間平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)、運(yùn)動補(bǔ)償，電子穩(wěn)像原理如圖2 所示.

圖2 電子穩(wěn)像原理圖

預(yù)處理部分對輸入圖像進(jìn)行處理，得到圖像信息，進(jìn)行運(yùn)動估計，確定幀間平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，以及計算運(yùn)動補(bǔ)償.運(yùn)動估計部分對圖像序列之間的整體運(yùn)動的偏移量進(jìn)行計算，這一部分在整個過程中最重要.確定幀間平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)后，根據(jù)運(yùn)動估計所確定的偏移量對于當(dāng)前幀待處理的圖像進(jìn)行沿反方向的平移或旋轉(zhuǎn)操作，以達(dá)到運(yùn)動補(bǔ)償，最后再把圖像輸出到顯示器上進(jìn)行顯示.

2.2 灰度投影算法

電子穩(wěn)像中運(yùn)動估計部分采用灰度投影算法［5］.灰度投影算法是采用對圖像中連續(xù)變化的灰度信息進(jìn)行計算處理，該算法主要包括圖像的行列投影、投影濾波、相關(guān)運(yùn)算，利用了圖像的全部信息，使用一次行列互相關(guān)運(yùn)算，就可計算出圖像間的平移位移值，且平移位移值的增大，并不會造成計算量的急劇增大，所以灰度投影算法實(shí)時性好且精度高.可用于電子穩(wěn)像.

1)行列投影.

其中，row(i)為第n 幀圖像的第i 行的灰度值;pic 是第n 幀圖像上(i，j)位置處的像素的值;N 是行數(shù);rowproin(i)是第n 幀圖像的第i 行修正后的投影值.

2)投影濾波.

當(dāng)圖像的抖動位移值很大時，相鄰的圖像幀間的重合度較小，會造成投影的波形邊緣處灰度信息單一.在互相關(guān)運(yùn)算的過程中，將影響互相關(guān)的峰值.因此需要用邊緣余弦濾波的方法降低邊界處的投影值，來保留行列投影曲線的相似分布點(diǎn).

3)相關(guān)運(yùn)算.

其中，1 ≤w ≤2m +1.rown(i)和rowi(i)都表示第i 行灰度的投影值，前者是第n 幀的，后者是第i 幀的.第i 幀是參考幀，m 表示了運(yùn)動偏移值相對于參考幀的圖像在一側(cè)的搜索寬度.當(dāng)相關(guān)運(yùn)算得到最小值wmin的時候，就能夠得到在水平方向上第n 幀圖像的抖動量，如式(5)所示.

2.3 算法實(shí)現(xiàn)流程

在本設(shè)計中，灰度投影算法采用Visual Studio 12 與opencv 2.4.8 聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，其部分代碼如下:

利用opencv 中的函數(shù)，從攝像頭或者視頻文件中抓取一幀，創(chuàng)建灰度圖像，建立穩(wěn)定的圖像通道，對抖動的幀進(jìn)行特定平移，以達(dá)到穩(wěn)定圖像的效果.最后，壓縮送出穩(wěn)定后的圖像，結(jié)束占用資源.使用CCS5.5 進(jìn)行調(diào)試，最后移植入DSP.灰度投影算法在DSP 上的實(shí)現(xiàn)過程如圖3 所示.

圖3 灰度投影算法在DSP 上的實(shí)現(xiàn)流程圖

當(dāng)程序開始執(zhí)行時，首先定義輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，對所需DSP 資源進(jìn)行初始化與配置，然后，再讀入圖像數(shù)據(jù).在運(yùn)用灰度投影算法時，先選定參考幀，并開始處理每一幀.對當(dāng)前幀圖像，需根據(jù)像偏移量的大小進(jìn)行補(bǔ)償，最后輸出顯示穩(wěn)定的圖像.

3 實(shí) 驗(yàn)

本設(shè)計中，選取一抖動的視頻文件，通過計算機(jī)連接DSP 進(jìn)行電子穩(wěn)像處理，針對同一時刻，截取穩(wěn)像前后同一幀，結(jié)果如圖4 所示.

圖4 電子穩(wěn)像前后圖像

原圖像杯子位于正中，若選杯子正中的點(diǎn)為參考點(diǎn).抖動圖像(圖4(a))的參考點(diǎn)相對于原圖像右移.通過圖4 比較可以觀察到，使用電子穩(wěn)像后，同一幀圖像明顯發(fā)生了位移，即相對于抖動圖像(圖4(a))的參考點(diǎn)，穩(wěn)定后的圖像(圖4(b))中的參考點(diǎn)的位置左移，使其參考點(diǎn)接近于原圖像.若每一幀圖像均以一特定參考點(diǎn)進(jìn)行平移，形成圖像的參考點(diǎn)皆與原圖像的位置一致，視覺便不會產(chǎn)生抖動效果，故可達(dá)到視頻穩(wěn)像目的.

4 結(jié) 論

本設(shè)計采用電子穩(wěn)像技術(shù)，在電腦上實(shí)現(xiàn)灰度投影算法，通過CCS 5.5 軟件仿真后，移植入DSP6748，最終能夠?qū)Χ秳拥囊曨l進(jìn)行有效穩(wěn)像.整個設(shè)計原理清晰，計算簡單，效果明顯.此外，該設(shè)計具有可實(shí)現(xiàn)電子穩(wěn)像的多種算法，有很大的研究價值.

［1］郭振.基于灰度投影的電子穩(wěn)像系統(tǒng)及評價方法［D］.天津:天津大學(xué)，2009.

［2］朱娟娟.電子穩(wěn)像理論及其應(yīng)用研究［D］.西安:電子科技大學(xué)，2009.

［3］鐘平.機(jī)載電子穩(wěn)像技術(shù)研究［D］.長春:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2003.

［4］孫振興.基于DSP 的圖像增強(qiáng)技術(shù)研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2012.

［5］蒯偉，王明泉，邢慧.基于DM642 的塊匹配穩(wěn)像算法的研究［J］.電視技術(shù)，2012，36(11):41－43.