基于DSP的圖像穩像技術研究

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，圖像不可避免地發生一些隨機性的抖動，容易產生視覺疲勞，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，便采用了穩像技術.目前已有的穩像方式有:基于視頻圖像序列數字信號處理的電子穩像方法［1］，基于伺服控制系統的機械穩像方法［2］以及基于光學成像原理的光學穩像方法［3］.電子穩像與機械穩像以及光學穩像相比較，其在體積、價格、精度、功耗等各個方面都具有非常大的優勢，從簡單、有效的角度出發，本設計采用灰度投影算法設計了一種電子穩像系統，對抖動圖像進行有效處理，提高了處理速率，該技術可廣泛應用于各種監視設備上.

1 電子穩像系統結構設計

本設計中，基于DSP 的圖像穩像系統包括圖像采集模塊、信號轉換模塊、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像技術.其系統組成如圖1 所示.

電子穩像系統工作原理:將圖像采集模塊捕捉的外界圖像信息，通過信號轉換電路轉換為電信號，其輸出的信號分為2 路:一路傳送到運行算法的DSP6748 上，另一路傳送到可執行的設備內.第一路信號在DSP6748 上應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.圖像處理機構的功能是進行運動補償，即對當前幀圖像根據像偏移量的大小進行補償，這2 個過程是穩像過程中的重要步驟.最后，通過視頻顯示器可以看到穩像后的圖像.

圖1 電子穩像系統結構設計示意圖

2 電子穩像算法

2.1 電子穩像原理

電子穩像系統的關鍵在于圖像處理模塊中的電子穩像技術，包括預處理［4］、運動估計、確定幀間平移和旋轉參數、運動補償，電子穩像原理如圖2 所示.

圖2 電子穩像原理圖

預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參數，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參數后，根據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、相關運算，利用了圖像的全部信息，使用一次行列互相關運算，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;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.在互相關運算的過程中，將影響互相關的峰值.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的搜索寬度.當相關運算得到最小值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 算法實現流程

在本設計中，灰度投影算法采用Visual Studio 12 與opencv 2.4.8 聯合實現，其部分代碼如下:

利用opencv 中的函數，從攝像頭或者視頻文件中抓取一幀，創建灰度圖像，建立穩定的圖像通道，對抖動的幀進行特定平移，以達到穩定圖像的效果.最后，壓縮送出穩定后的圖像，結束占用資源.使用CCS5.5 進行調試，最后移植入DSP.灰度投影算法在DSP 上的實現過程如圖3 所示.

圖3 灰度投影算法在DSP 上的實現流程圖

當程序開始執行時，首先定義輸入數據緩沖區和輸出數據緩沖區，對所需DSP 資源進行初始化與配置，然后，再讀入圖像數據.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，需根據像偏移量的大小進行補償，最后輸出顯示穩定的圖像.

3 實 驗

本設計中，選取一抖動的視頻文件，通過計算機連接DSP 進行電子穩像處理，針對同一時刻，截取穩像前后同一幀，結果如圖4 所示.

圖4 電子穩像前后圖像

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，使用電子穩像后，同一幀圖像明顯發生了位移，即相對于抖動圖像(圖4(a))的參考點，穩定后的圖像(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，視覺便不會產生抖動效果，故可達到視頻穩像目的.

4 結 論

本設計采用電子穩像技術，在電腦上實現灰度投影算法，通過CCS 5.5 軟件仿真后，移植入DSP6748，最終能夠對抖動的視頻進行有效穩像.整個設計原理清晰，計算簡單，效果明顯.此外，該設計具有可實現電子穩像的多種算法，有很大的研究價值.

［1］郭振.基于灰度投影的電子穩像系統及評價方法［D］.天津:天津大學，2009.

［2］朱娟娟.電子穩像理論及其應用研究［D］.西安:電子科技大學，2009.

［3］鐘平.機載電子穩像技術研究［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 的塊匹配穩像算法的研究［J］.電視技術，2012，36(11):41－43.