基于DSP的圖像穩(wěn)像技術(shù)研究

羅正華，唐 喬

(成都大學 電子信息工程學院，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)的機械穩(wěn)像方法［2］以及基于光學成像原理的光學穩(wěn)像方法［3］.電子穩(wěn)像與機械穩(wěn)像以及光學穩(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)用算法對圖像進行運動估計，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構(gòu).圖像處理機構(gòu)的功能是進行運動補償，即對當前幀圖像根據(jù)像偏移量的大小進行補償，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］、運動估計、確定幀間平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)、運動補償，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行處理，得到圖像信息，進行運動估計，確定幀間平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，以及計算運動補償.運動估計部分對圖像序列之間的整體運動的偏移量進行計算，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)運動估計所確定的偏移量對于當前幀待處理的圖像進行沿反方向的平移或旋轉(zhuǎn)操作，以達到運動補償，最后再把圖像輸出到顯示器上進行顯示.

2.2 灰度投影算法

電子穩(wěn)像中運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)運算，利用了圖像的全部信息，使用一次行列互相關(guān)運算，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.

3)相關(guān)運算.

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 表示了運動偏移值相對于參考幀的圖像在一側(cè)的搜索寬度.當相關(guān)運算得到最小值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，對抖動的幀進行特定平移，以達到穩(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 進行調(diào)試，最后移植入DSP.灰度投影算法在DSP 上的實現(xiàn)過程如圖3 所示.

圖3 灰度投影算法在DSP 上的實現(xiàn)流程圖

當程序開始執(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 資源進行初始化與配置，然后，再讀入圖像數(shù)據(jù).在運用灰度投影算法時，先選定參考幀，并開始處理每一幀.對當前幀圖像，需根據(jù)像偏移量的大小進行補償，最后輸出顯示穩(wěn)定的圖像.

3 實 驗

本設(shè)計中，選取一抖動的視頻文件，通過計算機連接DSP 進行電子穩(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，若選杯子正中的點為參考點.抖動圖像(圖4(a))的參考點相對于原圖像右移.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，穩(wěn)定后的圖像(圖4(b))中的參考點的位置左移，使其參考點接近于原圖像.若每一幀圖像均以一特定參考點進行平移，形成圖像的參考點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，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，2009.

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

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