基于DSP的图像稳像技术研究

罗正华，唐 乔

(成都大学 电子信息工程学院，四川 成都 610106)

0 引 言

由于人眼的视觉限制，眼睛获取外界信息的能力有限，而在图像获取过程中，图像不可避免地发生一些随机性的抖动，容易产生视觉疲劳，从而影响信息量的获取和观察的效果.为了减少图像的抖动，便采用了稳像技术.目前已有的稳像方式有:基于视频图像序列数字信号处理的电子稳像方法［1］，基于伺服控制系统的机械稳像方法［2］以及基于光学成像原理的光学稳像方法［3］.电子稳像与机械稳像以及光学稳像相比较，其在体积、价格、精度、功耗等各个方面都具有非常大的优势，从简单、有效的角度出发，本设计采用灰度投影算法设计了一种电子稳像系统，对抖动图像进行有效处理，提高了处理速率，该技术可广泛应用于各种监视设备上.

1 电子稳像系统结构设计

本设计中，基于DSP 的图像稳像系统包括图像采集模块、信号转换模块、图像处理模块、输出显示模块，其中，图像处理模块主要采用电子稳像技术.其系统组成如图1 所示.

电子稳像系统工作原理:将图像采集模块捕捉的外界图像信息，通过信号转换电路转换为电信号，其输出的信号分为2 路:一路传送到运行算法的DSP6748 上，另一路传送到可执行的设备内.第一路信号在DSP6748 上应用算法对图像进行运动估计，通过计算得到抖动值，所计算出的偏移量通过信号生成器传送到图像处理机构.图像处理机构的功能是进行运动补偿，即对当前帧图像根据像偏移量的大小进行补偿，这2 个过程是稳像过程中的重要步骤.最后，通过视频显示器可以看到稳像后的图像.

图1 电子稳像系统结构设计示意图

2 电子稳像算法

2.1 电子稳像原理

电子稳像系统的关键在于图像处理模块中的电子稳像技术，包括预处理［4］、运动估计、确定帧间平移和旋转参数、运动补偿，电子稳像原理如图2 所示.

图2 电子稳像原理图

预处理部分对输入图像进行处理，得到图像信息，进行运动估计，确定帧间平移和旋转参数，以及计算运动补偿.运动估计部分对图像序列之间的整体运动的偏移量进行计算，这一部分在整个过程中最重要.确定帧间平移和旋转参数后，根据运动估计所确定的偏移量对于当前帧待处理的图像进行沿反方向的平移或旋转操作，以达到运动补偿，最后再把图像输出到显示器上进行显示.

2.2 灰度投影算法

电子稳像中运动估计部分采用灰度投影算法［5］.灰度投影算法是采用对图像中连续变化的灰度信息进行计算处理，该算法主要包括图像的行列投影、投影滤波、相关运算，利用了图像的全部信息，使用一次行列互相关运算，就可计算出图像间的平移位移值，且平移位移值的增大，并不会造成计算量的急剧增大，所以灰度投影算法实时性好且精度高.可用于电子稳像.

1)行列投影.

其中，row(i)为第n 帧图像的第i 行的灰度值;pic 是第n 帧图像上(i，j)位置处的像素的值;N 是行数;rowproin(i)是第n 帧图像的第i 行修正后的投影值.

2)投影滤波.

当图像的抖动位移值很大时，相邻的图像帧间的重合度较小，会造成投影的波形边缘处灰度信息单一.在互相关运算的过程中，将影响互相关的峰值.因此需要用边缘余弦滤波的方法降低边界处的投影值，来保留行列投影曲线的相似分布点.

3)相关运算.

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 帧的，后者是第i 帧的.第i 帧是参考帧，m 表示了运动偏移值相对于参考帧的图像在一侧的搜索宽度.当相关运算得到最小值wmin的时候，就能够得到在水平方向上第n 帧图像的抖动量，如式(5)所示.

2.3 算法实现流程

在本设计中，灰度投影算法采用Visual Studio 12 与opencv 2.4.8 联合实现，其部分代码如下:

利用opencv 中的函数，从摄像头或者视频文件中抓取一帧，创建灰度图像，建立稳定的图像通道，对抖动的帧进行特定平移，以达到稳定图像的效果.最后，压缩送出稳定后的图像，结束占用资源.使用CCS5.5 进行调试，最后移植入DSP.灰度投影算法在DSP 上的实现过程如图3 所示.

图3 灰度投影算法在DSP 上的实现流程图

当程序开始执行时，首先定义输入数据缓冲区和输出数据缓冲区，对所需DSP 资源进行初始化与配置，然后，再读入图像数据.在运用灰度投影算法时，先选定参考帧，并开始处理每一帧.对当前帧图像，需根据像偏移量的大小进行补偿，最后输出显示稳定的图像.

3 实 验

本设计中，选取一抖动的视频文件，通过计算机连接DSP 进行电子稳像处理，针对同一时刻，截取稳像前后同一帧，结果如图4 所示.

图4 电子稳像前后图像

原图像杯子位于正中，若选杯子正中的点为参考点.抖动图像(图4(a))的参考点相对于原图像右移.通过图4 比较可以观察到，使用电子稳像后，同一帧图像明显发生了位移，即相对于抖动图像(图4(a))的参考点，稳定后的图像(图4(b))中的参考点的位置左移，使其参考点接近于原图像.若每一帧图像均以一特定参考点进行平移，形成图像的参考点皆与原图像的位置一致，视觉便不会产生抖动效果，故可达到视频稳像目的.

4 结 论

本设计采用电子稳像技术，在电脑上实现灰度投影算法，通过CCS 5.5 软件仿真后，移植入DSP6748，最终能够对抖动的视频进行有效稳像.整个设计原理清晰，计算简单，效果明显.此外，该设计具有可实现电子稳像的多种算法，有很大的研究价值.

［1］郭振.基于灰度投影的电子稳像系统及评价方法［D］.天津:天津大学，2009.

［2］朱娟娟.电子稳像理论及其应用研究［D］.西安:电子科技大学，2009.

［3］钟平.机载电子稳像技术研究［D］.长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2003.

［4］孙振兴.基于DSP 的图像增强技术研究［D］.西安:西安电子科技大学，2012.

［5］蒯伟，王明泉，邢慧.基于DM642 的块匹配稳像算法的研究［J］.电视技术，2012，36(11):41－43.