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机载电子稳像系统设计与实现

作　者: 苑爱博
导　师: 李吉成
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 电子稳像运动估计运动补偿灰度投影算法
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 161次
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内容摘要

电子稳像是一种采用运动估计、运动补偿和图像变换等数字图像处理方法实现视频序列稳定的技术。电子稳像技术具有精度高,灵活性强等优点,已成为视频处理领域研究的热点之一。机载光电系统由于受姿态变化和振动的影响,获取的图像不清晰,这将严重影响图像信息的有效利用。电子稳像技术能消除或减轻运动载体对图像序列的影响,大大提高所获取图像信息的质量。本论文围绕机载光学成像系统电子稳像技术展开研究,实现了基于十字分布块灰度投影与kalman滤波相结合的视频图像序列稳定算法,研制了双DSP+FPGA的高性能电子稳像硬件平台。论文主要工作如下:深入研究了电子稳像的基本原理、系统结构及关键技术,构建了用于稳像算法的视频图像运动模型;分析了电子稳像中常用的运动估计及运动补偿算法的原理和优缺点,并在此基础上,分析并总结了电子稳像性能评估方法及评估指标。针对机载光电系统振动大,机载稳像实时性要求高的特点,提出一种基于十字分布块灰度投影的图像运动矢量估计算法。该算法采用直方图均衡技术实现视频图像的增强,为了减少计算量,选择图像十字分布四个区域匹配块分别估计每个局部匹配区域的运动矢量。在此基础上,基于视频图像运动模型计算图像的全局运动。仿真实验表明,在视频图像序列发生平移、旋转时,基于十字分布块灰度投影的运动矢量估计算法不但实时性好,而且具有良好的运动估计能力,帧间估计误差<1个像素。采用了基于Kalman滤波的运动补偿技术。该算法首先利用Kalman滤波技术去除视频图像随机运动量,保留图像序列的帧间运动分量。然后将Kalman滤波的输出结果与图像序列帧间绝对运动估计值进行差分处理得到电子稳像所需要的图像帧间运动补偿值。针对机载电子稳像算法流程和实时性要求,设计并研制了基于现场可编程逻辑器件(FPGA)和高速数字信号处理器(DSP)的高性能电子稳像信息处理机平台硬件。该处理机系统体积小(尺寸:14cm*14cm*1cm)、功耗低(<7W),具有很强的数据处理和存储能力,满足机载应用环境的要求。基于双DSP+FPGA的电子稳像信息处理机平台,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,实验结果证明了所提出的稳像算法的有效性及信息处理机的实时性,该硬件系统对机载视频图像序列帧处理速度大于25帧/秒。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章概论  12-17
  1.1 课题的研究背景及意义  12
  1.2 电子稳像技术的发展  12-13
  1.3 机载成像系统及稳定技术  13-14
    1.3.1 机载成像系统  13-14
    1.3.2 机载电子稳像技术特点  14
  1.4 信息处理机技术  14-15
  1.5 本文研究的内容  15-16
  1.6 小结  16-17
第二章电子稳像技术原理  17-35
  2.1 电子稳像基本原理  17-19
    2.1.1 电子稳像系统结构  17-18
    2.1.2 电子稳像的关键技术  18
    2.1.3 运动模型  18-19
  2.2 电子稳像中的运动估计算法  19-27
    2.2.1 基于块运动的运动矢量估计算法  20-22
    2.2.2 电子稳像技术中常用块匹配矢量估计算法  22-24
    2.2.3 基于像素灰度信息的运动矢量估计算法  24-26
    2.2.4 基于图像特征匹配的运动矢量估计算法  26-27
  2.3 电子稳像中的运动补偿技术  27-32
    2.3.1 运动矢量积分技术  28-29
    2.3.2 基于DFT 的运动滤波技术  29-30
    2.3.3 B 样条运动滤波技术  30-31
    2.3.4 多项式滤波技术  31-32
  2.4 电子稳像性能的评估技术  32-34
    2.4.1 主观评价方法  32
    2.4.2 客观评价方法  32-34
  2.5 小结  34-35
第三章基于灰度投影的十字分布区域块匹配稳像技术  35-52
  3.1 灰度投影技术  35-39
    3.1.1 灰度投影的基本原理  35-36
    3.1.2 机载图像序列平移运动估计技术  36-38
    3.1.3 灰度投影方法的特点  38-39
  3.2 十字分布块中心匹配运动矢量估计算法  39-43
    3.2.1 图像的仿射运动模型  39
    3.2.2 直方图均衡  39-40
    3.2.3 匹配位置的选择  40-43
  3.3 运动矢量估计实验结果及分析  43-46
  3.4 基于Kalman 滤波的运动补偿技术  46-48
    3.4.1 Kalman 滤波模型  46-47
    3.4.2 基于绝对帧位移矢量的Kalman 滤波技术  47-48
  3.5 稳像算法的实验结果  48-51
  3.6 小结  51-52
第四章机载稳像系统信息处理机硬件设计  52-66
  4.1 设计要求分析  52-54
    4.1.1 信息处理机部分技术指标及结构要求  52
    4.1.2 信息处理机外部接口要求  52-53
    4.1.3 信息处理机框架结构选择  53-54
  4.2 主要芯片选型  54-57
    4.2.1 FPGA 选型  54-55
    4.2.2 DSP 选型  55-57
  4.3 主要功能模块设计  57-61
    4.3.1 双DSP 高速处理模块  57
    4.3.2 FPGA 预处理及控制模块  57-58
    4.3.3 视频输出模块  58
    4.3.4 串行通信模块  58-59
    4.3.5 电源模块  59-61
  4.4 开发流程、工具及系统测试结果  61-63
    4.4.1 开发流程和开发工具  62-63
    4.4.2 系统测试结果  63
  4.5 信息处理机特点  63-64
  4.6 小结  64-66
第五章结束语  66-68
  5.1 结论  66
  5.2 问题与展望  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-72
作者在学期间取得的学术成果  72

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