航空光电成像电子稳像技术研究

【类型】学位论文

【作者】陈晓露 

【关键词】 黄变换,电子稳像 全局运动估计 运动滤波 灰度投影 点特征轨迹 希尔伯特

【摘要】航空光电成像系统易受到复杂的工作环境和载体姿态变化的影响，而引起输出视频序列帧间的不稳定，这种抖动的视频图像序列严重影响了航空侦察、情报收集、目标跟踪等任务。电子稳像技术是消除视频抖动，改善视频质量的一种方法，其实质是对视频序列帧间的偏移量利用数字图像处理的方法进行运动补偿，以实现图像重组达到视频序列的平滑稳定。以其较高的精度和灵活性广泛应用于军事、民用摄像领域，是视频处理中研究的热点。本文深入研究了电子稳像技术在机载光电成像系统中的应用，根据机载视频序列稳定性方面的迫切需求，提出了有效去除抖动的方法。论文以研究稳像算法为主，系统研究了电子稳像技术的系统结构、基本原理和关键技术；对运动估计、运动滤波、运动补偿和图像补偿几个模块中经常用到的算法进行了分析和比较；针对航空光电成像系统在不同运动模式下采集的抖动视频，设计稳像算法对视频抖动量进行补偿。本文的主要研究工作和研究成果如下：1.对电子稳像系统进行了较为详细的分析。首先分析了摄像机抖动对像面的影响，然后介绍了摄像机的成像原理和摄像机的运动形式，并推导了全局运动估计算法中常用到的单应性矩阵，最后概述了二维图像运动的坐标变换模型。2.针对具有平移抖动的视频序列，传统灰度投影算法难以克服较大局部运动物体或明显光照变化对全局运动矢量估计精度的影响，本文提出了基于动态时间归整技术的电子稳像算法。对差异较大的投影曲线，用投影灰度段作为匹配基元，结合动态时间规整技术，对失准的投影曲线进行处理以提取正确的匹配对。实验结果表明，提出的稳像方法可以减少误匹配发生的机率，对存在较大局部运动和光照变化明显一类的视频，相较传统的灰度投影算法，稳像能力得到提升。3.针对具有扫描运动的抖动视频，本文提出了基于希尔伯特-黄变换的稳像算法。首先利用Harris角点特征求取全局运动矢量，其由随机抖动和有意扫描运动两种不同类型的运动形式组成；然后对获得的全局运动矢量应用经验模态分解，由高频到低频分解成有限多个固有模态函数（IMF）分量；最后对每一个IMF分量进行Hilbert变换得到Hilbert时频能量谱，根据Hilbert谱分析认为分解出的低等级的IMF为摄像机的抖动分量，即是需要补偿的运动矢量，从而将两种运动进行了有效分离。实验结果表明提出的稳像方法能够去除视频帧间高频抖动，得到平滑的视频序列，实现了去除复杂抖动的同时跟踪扫描运动，有效改善了视频的质量。4.针对需要长时快速稳像的场合，本文提出了基于点特征轨迹的稳像算法。首先，分析了电子稳像传统模型的固有缺陷，在此基础上建立了以获取特征轨迹和平滑特征轨迹模块为主的系统框架；然后，重点研究了局部图像特征，采用改进的快速鲁棒特征（SURF）提取局部图像特征点，并利用Delaunay三角剖分算法判断特征点的邻接性，生成点特征轨迹；最后建立考虑了特征轨迹的平滑度和视频质量退化程度的目标函数平滑点特征轨迹，得到稳定的视频序列。实验结果表明，提出的稳像方法具有一定的抗信息丢失能力，并从原理上消除了运动估计中帧间匹配累积误差，能够长时稳像。

【学位名称】博士

【学位授予单位】中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)

【学位授予年度】2016

【导师姓名】戴明

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