基于灰度投影的航空航天穩像技術研究

王得寶++顧宏斌++高振興++徐正家

摘要：本文對機械穩像系統，光學穩像系統，電子穩像系統這三類穩像系統進行了介紹，并且分析了各種穩像方法的優劣。其中著重講解了基于灰度投影的電子穩像方法的原理以及過程，通過航空，航天器的特點結合實驗結果分析了各種穩像方法，特別是基于灰度投影的電子穩像方法在航空，航天領域的可行性。

關鍵詞：航空航天 電子穩像 灰度投影

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0066-03

Abstract：In this paper we introduced three image stabilization systems： the mechanical way， the optical way and the electronical way. Besides we have analyzed the strengths and weaknesses of them. We paid the most attentions to explain the theory and applications of the electronic image stabilization system which used the gray projection algorithm. And also analyzed different image stabilization systems by experimental results and the characteristics of aircraft and space vehicles， especially the feasibility of using gray projection algorithm in aeronautics and astronautics fields.

Key Words：aeronautics and astronautics； electronic image stabilization； gray projection algorithm

1 引言

近年來，由于科技的不斷發展，現代戰爭已經由原始的火力戰，兵力戰逐步演化為現在的情報戰，信息戰。如何更加快速的獲得更為精確的情報，成為了決定戰爭成敗的關鍵性因素。因此，情報偵察在戰爭中愈顯重要，傳統的固定式偵察設備受到視角，位置等的制約，限制了其情報收集能力，故而偵察設備的可移動化（裝載于航空，航天器上）成為了必然的發展趨勢。然而，隨之而來的載體振動，風力擾動等因素降低了所獲圖像的質量，令其戰略意義大打折扣。為了在保有移動式偵查設備優勢的同時獲得具有較高價值的高精度偵查圖像，就必須對其進行穩像處理，從而提高載體成像系統的清晰度和可分辨率。

本文介紹了幾種常用的穩像方法，同時結合航空，航天器的特點著重介紹了電子穩像技術中的灰度投影方法，對其理論進行分析，給出了相應的算法并進行了實驗驗證，在實驗的基礎上探討基于灰度投影的穩像技術在航空，航天領域的可行性。

2 穩像技術介紹

根據穩像原理的不同，我們可以將穩像技術分為3大類：機械穩像技術；光學穩像技術；電子穩像技術。

2.1 機械穩像技術

通俗的來講，所謂的機械穩像技術就是利用各種機械原件來減少乃至盡可能消除物體與成像設備間的相對運動以達到穩像的目的。這類技術中最為基礎的原件是陀螺儀，而運用機械穩像技術往往需要搭建一個以陀螺儀等傳感器和反饋電機為基礎的機械式穩定平臺（如圖1所示）。

當平臺運動時，由陀螺儀檢測出平臺的位置信息經由反饋回路和原始的輸入量進行比較，得到的變化誤差經過放大器放大后輸入到伺服電機系統，由電機驅動平臺來補償位置的變化，進而實現相對穩定。因此，在實際的使用中機械穩像系統由于其機械結構的復雜性具有體積龐大，費用高昂，功耗巨大等不利因素，此外在需要使用大口徑，長焦距成像設備的場合中由于其自身的特點并不適合使用機械穩像系統，這一切都極大地限制了機械穩像系統的發展。

2.2 光學穩像技術

顧名思義，光學穩像技術就是通過光學的方法將光學成像系統中得到的圖像穩定的技術。光學穩像技術中常常在光路中添加一些特別的光學元件來達到穩像的目的。比較常用的光學元件有光學相關器（全稱光學聯合變換相關器）等。使用光學穩像技術僅需添加相應的光學元件而無需對整個的光學成像平臺進行穩定化處理，所以這種穩像方法可以極大地降低穩像系統整體的重量，縮小其體積。此外，光學穩像技術具有穩像精度高，穩像圖片便于后期處理，幾乎沒有功率損耗等優點，但是同時也正是由于使用了一些特定的光學元件是使得光學穩像系統結構精密，使用壽命有限，維護復雜困難，這些缺陷限定了光學穩像技術的使用范圍，即光學穩像技術只能使用在某些特定的高要求領域。

2.3 電子穩像技術

在新型傳感技術，大規模集成電路，計算機技術飛速發展的今天，電子穩像技術作為一種集合了機械，電力電子，光學，計算機等技術的新興穩像技術得到了廣泛的應用。它集合了各種相關技術的優點，具有穩像精度高，體積小巧，處理速度快，實時性高等特點。

時至今日，電子穩像方法已經成為運用最為廣泛的穩像方式，其穩像環節如下圖2所示。

視屏圖像模糊，不清晰的原因在于當攝影設備發生抖動時，所攝物體將會出現在所得到圖片的不同位置上，那么當圖片連續播放成為視屏時就產生了模糊化的問題。例如在拍攝時設備發生橫向抖動，那么在每幀圖片中，物象將會出現在不同的行像素區域，進而使得人眼難以辨別連續圖片（也即是視屏）中的物體。電子穩像的原理簡而言之就是通過穩像算法求出物象的偏移量，然后對這個偏移量進行補償使得物象的偏移縮小以提高連續播放時人眼的辨識度。

由此可見電子穩像環節的關鍵便在于穩像處理算法，穩像算法的優劣將會直接決定穩像的精度，處理的速度。到目前為止，各國已經提出了許多較為成熟的穩像處理算法，例如：塊匹配算法（BMA）；特征匹配算法（FMA）；投影算法（PRA）；光流算法（OF）等。眾多的穩像處理算法使得電子穩像技術可以滿足多領域的眾多需求，具有了關闊的運用前景。本文研究的灰度投影算法因為具備處理速度快，實時性優越，準確性高等優點在眾多的穩像算法中脫穎而出成為了被廣泛應用的算法。

3 灰度投影算法

灰度投影算法的基本原理是對圖像序列的行，列灰度進行計算得到行，列的灰度投影曲線。通過對不同幀圖像的行，列灰度曲線進行相關計算來得到圖像的運動矢量，進而進行運動補償。因此，這種算法的計算量較小，也由此具備了較好的實時性，并保證了計算的精度。進行灰度投影算法，顧名思義第一步就是要將所采集的圖像轉化為灰度圖以便進行后續處理。由于電子投影技術的應用場合的影響，所采集后直接得到的灰度圖由于信噪比低等原因不利于進行灰度投影穩像，故而常使用數字圖像處理的方法對其進行增強預處理（即穩像環節中的圖像預處理環節）。下圖3給出了以直方圖均衡化為手段的圖像預處理過程。

經過直方圖均衡化后灰度值域拓展到了整個允許的灰度區域，使得灰度分布更為均勻，提高了圖像的對比度，有利于保證后續運動矢量提取時的精度。第二步就可以運用公式進行計算了，先計算各行，各列的灰度和，如下式（1），式（2）.

設圖像像素為m*n

（1）

（2）

式中：為第i行的灰度值之和；為第j列的灰度值之和；為第i行j列個像素點的灰度值。

接著進行相關性計算，如下式（3），式（4）

（3）

（4）

式中，為相關運算值；為搜索范圍；為檢測圖像抖動的范圍。其中與滿足不等式

最后由式（5），式（6）可得到偏移量

（5）

（6）

式中為行偏移量；為列偏移量；為最小時的s值；為最小時的s值。

最后只要將圖像在行，列上各反向移動，的距離就可以得到穩像后的圖像了。但由灰度投影算法的原理可以發現灰度投影算法并不能很好的處理旋轉和縮放的圖像，具有一定的局限性。

實驗時基于灰度投影算法編寫MATLAB程序對自攝視屏進行穩像處理，驗證算法的穩像效果。以視屏圖像序列中所選取的某特征點為目標的橫向位置變化為例，如圖4，左圖為穩像前曲線，右圖為穩像后的曲線。圖5穩像前后圖像對比。

4 總結與展望

航空，航天攝影常常會使用大口徑，長焦距的攝影設備，所以若是使用機械穩像系統，由于杠桿效應將會使穩像平臺的搭建特別是精度指標要求面臨極大地挑戰，同時由于機械式穩像系統的能耗巨大使之無法使用在衛星設備等供能有限的航空，航天設備上。同樣的，對于高軌道的衛星設備，我們無法提供經常性的系統維護，故而除卻某些特殊的場合，需要復雜，精細維護的光學穩像系統并不適用。綜上所述，電子穩像系統在航空，航天領域具備一定的普適性，且由于灰度投影算法具備實時性好，穩像精度高，可改進等優點較為符合這一領域的要求，所以基于灰度投影的電子穩像技術在航空，航天領域具備一定的可行性，并由于算法的可進化性具備著廣闊的前景。

由于航空，航天領域穩像要求高，穩像環境復雜，基于傳統的灰度投影算法的電子穩像技術還有其局限性，所以在之后的研究中，將著重進行穩像算法的改進，依據不同的要求對其進行進化以期在原有的基礎上得到改進，同時將會思考如何結合機械穩像系統和光學穩像系統的相關技術使其具備更為優良的穩像效果和普適性。

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