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机载电子稳像技术研究

作　者: 钟平
导　师: 于前洋
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 电子稳像灰度投影算法稳像精度特征点匹配算法稳像评价
分类号: V243
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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引　用: 22次
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内容摘要

电子稳像是一种视频图像序列稳定技术，由于它具有稳像精度高、体积小、重量轻、功耗低以及成本低等优势，从而成为西方先进国家竞相研究的焦点，尤其是将它应用于有人操纵的武器装备中。机载光电成像系统，由于要求作用距离远，故其光学系统焦距长，受其载体姿态变化和振动的影响，图像序列帧间变化过大，造成观察者觉得模糊、不稳定，己成为制约空中侦察、瞄准、打击效果评估等功能的瓶颈。本论文在中国科学院青年创新基金的支持下，对机载电子稳像技术进行了深入研究，提出了实现机载视频图像序列稳定的有效方法。论文分析机载图像序列模糊的原因，提出了机载成像系统进行电子稳像的必要性。阐述了机载电子稳像的原理和方法，并讨论其实现的关键技术；研究了目前国外电子稳像系统所采用的主要算法，给出了机载电子稳像系统设计时选取稳像算法的原则。论文给出了灰度投影匹配算法应用于航摄动态图像序列帧间平移运动稳定的实现方法，并根据机载成像特点，分析了影响该算法精度的主要因素，提出了相应的对策。用VC++编程实现了对航摄图像序列的实时处理，其帧处理率达25帧／秒，均方根误差小于0.32像素。针对机载成像的特点，提出了长焦距摄像系统检测和补偿旋转运动的必要与可能性以及利用选择特征图像中的最大灰度值点，作为图像特征来估计图像序列帧间运动的方法。为了保证该算法的有效性，先提取图像的特征，再采用分区的方法在各个分区内按一定的扫描顺序选取灰度最大值点作为特征点用于运动矢量的估计。在图像序列帧间的特征点匹配过程中，采用图像多分辨率分层技术来提高算法的计算速度。仿真实验验证了该算法补偿旋转运动的有效性。由于帧间运动的补偿方法是影响图像序列平稳性的一个重要因素，直接用运动矢量进行补偿，将会使图像产生跳跃感，本文提出采用均值滤波的方法来确定各帧的补偿量，实现了图像序列的帧间平滑衔接，提高了动态图像序列的平稳性。对实际机载成像系统摄取的现场图像序列进行了稳像处理实验，并利用评定算法对算法的稳像效果进行了分析。实验结果证明了所提出的稳像算法的有效性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-12
第一章概论  12-22
  1.1 研究电子稳像技术的意义  12-14
    1.1.1 稳像的概念及稳像技术的必要性  12
    1.1.2 稳像的种类及电子稳像的意义  12-14
  1.2 电子稳像技术的发展概况  14-17
  1.3 机载成像技术及稳定系统  17-20
    1.3.1 机载成像系统  17-19
    1.3.2 目前机载成像系统的主要稳定方法  19-20
    1.3.3 机载电子稳像的特点  20
  1.4 本文主要研究的内容  20-21
  小结  21-22
第二章机载电子稳像技术的原理  22-34
  2.1 引言  22
  2.2 机载摄像机的运动与图像运动的关系  22-24
    2.2.1 机载摄像机运动与图像运动  22-24
    2.2.2 图像的运动模型  24
  2.3 机载摄像机的随机运动速度对视频图像的影响  24-26
  2.4 机载成像系统图像序列帧间稳定的必要性  26-27
  2.5 本文研究机载电子稳像技术要解决的问题  27
  2.6 电子稳像的基本原理与方法  27-30
  2.7 电子稳像的关键技术  30-32
    2.7.1 运动矢量的获取方法  30-32
    2.7.2 运动矢量检测技术的发展方向  32
  小结  32-34
第三章电子稳像算法研究  34-49
  3.1 引言  34
  3.2 基于块运动的运动矢量估计算法  34-39
    3.2.1 块运动模型  34-35
    3.2.2 块匹配算法  35-37
    3.2.3 电子稳像技术中块匹配运动矢量估计算法  37-39
  3.3 基于像素灰度信息的运动矢量估计算法  39-40
    3.3.1 投影算法  39-40
    3.3.2 光流法  40
  3.4 基于图像特征匹配的算法  40-47
    3.4.1 基于图像边缘特征的匹配算法  41-42
    3.4.2 基于直线特征的图像稳定算法  42-46
    3.4.3 基于点特征匹配算法  46-47
  3.5 机载电子稳像算法的选取原则  47-48
    3.5.1 运动矢量的估计精度  47
    3.5.2 运动矢量的可估计偏移范围  47
    3.5.3 运动矢量的检测速率  47-48
  小结  48-49
第四章机载视频图像电子稳像方法  49-83
  4.1 机载航摄动态视频图像的特点及电子稳像  49
  4.2 利用灰度投影算法实现机载成像设备图像序列的稳定  49-70
    4.2.1 灰度投影算法的实现原理  50-51
    4.2.2 机载图像序列帧间平移运动矢量的估计方法  51-53
    4.2.3 机载电子稳像系统提高灰度投影算法精度的方法  53-63
    4.2.4 运动矢量的补偿方法  63-64
    4.2.5 灰度投影匹配算法实现机载视频图像平移、旋转运动补偿探讨  64-68
    4.2.6 机载视频图像平移运动稳定的实现  68-70
  4.3 基于特征点匹配技术实现航摄图像序列帧间的运动估计及补偿  70-82
    4.3.1 机载成像系统旋转运动补偿的必要性  70-71
    4.3.2 特征点匹配算法实现图像序列的帧间运动的检测和补偿  71
    4.3.3 特征点匹配算法估计图像序列的帧间的局部运动矢量  71-75
    4.3.4 全局运动矢量的确定  75-80
    4.3.5 动态图像序列帧间运动的补偿方法  80-82
  小结  82-83
第五章机载电子稳像的实验方法及评价  83-97
  5.1 电子稳像质量的评价方法  83-86
    5.1.1 系统的的保真度  83-85
    5.1.2 稳像系统可矫正最大偏移范围  85-86
    5.1.3 稳像系统的帧处理率  86
  5.2 机载电子稳像的实验装置及算法的实现  86-88
    5.2.1 机载电子稳像的实验装置  86-87
    5.2.2 机载电子稳像算法的实现  87-88
  5.3 实验结果及稳像质量评价  88-96
    5.3.1 投影法稳像质量的评价  88-93
    5.3.2 基于特征点匹配矢量估计算法的稳像质量评价  93-96
  小结  96-97
第六章结论  97-99
  6.1 本论文所做的主要研究工作  97-98
  6.2 本论文的创新点  98
  6.3 问题与展望  98-99
致谢  99-100
参考文献  100-106
作者简历  106-107
攻读博士期间发表的文章  107-108

机载电子稳像技术研究

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