[发明专利]基于机械稳像和电子稳像的稳像方法及复合式稳像系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于机械稳像和电子稳像的稳像方法及稳像系统。

背景技术

稳定的图像序列不仅便于人工观测、识别，让人眼观感舒适，而且也是跟踪、压缩 编码等后续处理的必要前提。由于摄像机平台工作环境存在的诸多干扰因素，如移动平台 自身运动或外界干扰引起的摄像机抖动等，获取的视频序列往往存在不同幅度的晃动、模 糊的情况，因此往往必须通过视频稳像技术对视频序列进行处理。

当前的视频稳像技术主要包括机械稳像、光学稳像和电子稳像。机械稳像利用陀 螺稳定平台来补偿摄像机平台自身运动以实现图像序列稳定，一般采用高精度的光纤陀螺 和伺服电机实现补偿式稳像，成本非常高，主要用于军事领域。光学稳像通过补偿成像系统 中光学元件运动实现图像序列的稳定，主要针对微小抖动进行补偿。而电子稳像应用数字 图像处理技术确定图像序列的帧间偏移并进行反向补偿生成稳定图像序列，与机械稳像和 光学稳像相比，具有成本低、灵活性强等优点，但也存在帧间图像偏移程度不能过大的限 制。

基于移动平台的成像系统工作环境复杂，且往往需要大偏转角度下的视场稳定， 单独采用电子稳像技术难以满足需求，如果采用高精度的机械稳像技术成本又太高，因此 提出了一种复合式稳像系统，通过MEMS传感器与步进电机组成机械稳像系统实现摄像机 平台的初步稳定，然后利用电子稳像技术获取高质量的稳定图像序列。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结合机械稳像技术和电子稳像技术，可以适应摄像机 大角度偏转以及复杂背景，满足运动平台成像系统需求的基于机械稳像和电子稳像的稳像 方法及复合式稳像系统。

本发明的技术解决方案是：

一种基于机械稳像和电子稳像的稳像方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一：系统进行初始化；

步骤二：MPU6050运动传感器初始化；

步骤三：分别从MEMS加速度计和MEMS陀螺仪上读取加速度和角速度；

步骤四：采用四元数算法对MPU6050数据进行处理，得到欧拉角，由四元数和欧拉 角之间的转换关系解算出摄像机的偏转角度，以此获取当前姿态；

步骤五：如果当前姿态为原始姿态，则返回到步骤三，否则，进入下一步骤；

步骤六：MSP430单片机按照解算出的偏转角度驱动步进电机进行反向补偿，将摄 像机偏转幅度控制在5°以内；

步骤七：将经上述步骤稳像后的视频图像划分为25块子区域，如果某子区域存在 众多运动物体，则剔除该子区域；

步骤八：以相邻两帧图像的前一帧作为参考帧，后一帧作为当前帧，将每一帧图像 灰度化，分别求解水平、竖直两个方向的灰度投影；

步骤九：将当前帧图像的行、列灰度值投影曲线与参考帧的行、列投影曲线分别作 互相关计算，所得的两条相关曲线的唯一波谷值作为当前帧相对参考帧的水平和垂直方向 的运动矢量；

步骤十：对子区域的局部运动矢量采用中位数筛选法获取全局运动估计矢量；

步骤十一：根据全局运动估计矢量获取反向补偿矢量，生成补偿帧。

步骤四的具体方法：

定义四元数q为一四维向量：

式中，α为旋转欧拉角，e_x、e_y、e_z分别为X、Y、Z欧拉轴。

按照Z→X→Y的转动顺序，由欧拉角和四元数表示的姿态矩阵可以得到：

式中，为横滚角，θ为俯仰角，ψ为航向角。

当欧拉角θ，时，四元数与欧拉角之间的转换关系为：

步骤七利用相邻两帧帧间差分的方法，检测出子区域的运动物体；帧间差分的计 算如下：

D_n(i,j)＝|G_n(i,j)-G_n-1(i,j)|(4)

式中，G_n(i,j)和G_n-1(i,j)分别表示相邻两帧在(i,j)处的像素值，D_n(i,j)是差分 图像，R_n(i,j)是差分后二值化图像，T为设定的阈值。

步骤八用两个独立的一维信息表示二维图像信息，公式为：