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电子稳像算法研究及嵌入式系统实现

作　者: 蔡耀仪
导　师: 罗三定
学　校: 中南大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 电子稳像系统 FPGA Kalman滤波软硬件协同处理
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

电子稳像技术是近些年来随着图像处理技术的发展而新兴起来的一种将电子、计算机和图像处理技术相融合的稳像方法。传统的电子稳像系统基于“摄像机-图像采集卡-计算机”模式,图像检测和匹配算法全部由计算机完成,然而计算机属于单指令周期的串行处理数据方式难以满足稳像处理速度要求,且系统所占体积较大,难以满足某些特殊场合对处理系统的体积要求。本文针对传统电子稳像系统所存在的问题,分别基于ARM和FPGA平台建立了包含高速视频采集模块、图像预处理模块、运动估计模块和图像输出模块等部份的嵌入式电子稳像系统。针对固定场景和运动场景中的不同,提出了适用于各自具体情况下的运动估计算法。文章主要包含以下研究内容。针对ARM和FPGA稳像平台的设计,分析了各自的设计特点,并针对系统给出了总体设计方法和流程。分析了电子稳像算法的基本原理,针对固定场景和运动场景两种情况提出了不同的运动估计算法,针对摄像机带有明显扫描运动的情况进行Kalman滤波校正,分离出摄像机扫描运动和抖动噪声,得到最终用于补偿的运动矢量。设计并实现了基于ARM和FPGA的稳像系统,具体针对ARM稳像系统在采集和算法实现方面的优化以及FPGA稳像系统软硬件协同设计体系的实现进行了详细的阐述。研究解决了建立基于FPGA的嵌入式电子稳像系统的关键技术难题。研究结果表明,基于ARM的电子稳像系统具有成本低、功耗小等特点。基于FPGA的电子稳像系统能够很好的完成实时视频图像采集、全局运动矢量估计、运动矢量校正等一系列任务,具有结构紧凑、资源利用率高等优点,具有很好的应用前景。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-17
  1.1 研究背景  9
  1.2 稳像系统概况  9-10
  1.3 电子稳像发展现状  10-16
    1.3.1 国内外研究现状  11-12
    1.3.2 相关技术研究现状  12-16
  1.4 论文研究内容与章节安排  16-17
第二章电子稳像系统基础及总体设计  17-26
  2.1 电子稳像基本原理  17-18
  2.2 电子稳像系统硬件方案选择  18-21
    2.2.1 嵌入式系统算法实现基础  18-19
    2.2.2 两种硬件平台实现特点  19-20
    2.2.3 视频有效信息提取  20-21
  2.3 系统设计方法和流程  21-23
  2.4 系统结构设计  23-25
    2.4.1 ARM稳像平台总体设计  23
    2.4.2 FPGA稳像平台架构设计  23-25
  2.5 小结  25-26
第三章稳像系统运动估计和运动校正算法研究  26-46
  3.1 视频抖动分析基础  26-28
    3.1.1 视频抖动状态分析  26-27
    3.1.2 摄像机参数模型  27-28
  3.2 固定场景稳像算法  28-34
    3.2.1 现有固定场景稳像算法缺陷  28-29
    3.2.2 改进的基于边缘的块匹配算法  29-33
    3.2.3 存在旋转时算法的改进  33-34
  3.3 运动场景稳像算法  34-41
    3.3.1 基于分块投影匹配的运动估计算法  34-39
    3.3.2 存在运动前景时算法的改进  39-40
    3.3.3 基于Kalman滤波的运动校正  40-41
  3.4 基于动静目标判断的运动估计校正  41-45
    3.4.1 前景目标的影响  41
    3.4.2 基于特征点的动静物体判断  41-45
  3.5 小结  45-46
第四章嵌入式电子稳像平台设计研究  46-61
  4.1 嵌入式电子稳像平台算法选择  46-47
    4.1.1 ARM平台算法选择  46-47
    4.1.2 FPGA平台算法选择  47
  4.2 基于ARM的电子稳像平台的设计  47-50
    4.2.1 基于V4L的图像采集设计及优化  47-48
    4.2.2 基于双缓存的运动估计电路  48-49
    4.2.3 系统整体优化和运动补偿的实现  49-50
  4.3 基于FPGA的电子稳像平台的设计  50-60
    4.3.1 软硬件协同设计理论的研究  50-51
    4.3.2 预处理电路设计  51-53
    4.3.3 基于软硬件协同设计的运动估计电路  53-57
    4.3.4 基于SDRAM的外存储器设计  57-58
    4.3.5 基于查找表的图像消旋电路  58-60
  4.4 小结  60-61
第五章电子稳像系统软硬件实验及分析  61-76
  5.1 电子稳像算法实验  61-67
    5.1.1 固定场景稳像实验  61-63
    5.1.2 运动场景稳像实验  63-65
    5.1.3 基于Kalman估计的运动参数滤波  65-67
  5.2 基于ARM的稳像系统实验  67-68
  5.3 基于FPGA的稳像系统实验  68-73
  5.4 算法及系统评价  73-75
  5.5 小结  75-76
第六章研究总结与展望  76-78
  6.1 研究成果与价值  76
  6.2 未解决的问题及展望  76-78
参考文献  78-83
致谢  83-84
攻读学位期间主要的研究成果  84

电子稳像算法研究及嵌入式系统实现

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