[發(fā)明專利]基于機(jī)械穩(wěn)像和電子穩(wěn)像的穩(wěn)像方法及復(fù)合式穩(wěn)像系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610161294.5
• 申請日: 2016-03-21
• 公開（公告）號: CN105681674A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐一鳴;顧菊平;朱建紅;陸觀;陳峰;繆陽洋;靳玉晨;李平文;余龍朝;袁琳琳;徐星;程乾
• 申請（專利權(quán)）人: 南通大學(xué)
• 主分類號: H04N5/232
• 分類號: H04N5/232
• 代理公司: 南通市永通專利事務(wù)所 32100
• 代理人: 葛雷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于機(jī)械穩(wěn)像和電子穩(wěn)像的穩(wěn)像方法及穩(wěn)像系統(tǒng)。

背景技術(shù)

穩(wěn)定的圖像序列不僅便于人工觀測、識別，讓人眼觀感舒適，而且也是跟蹤、壓縮 編碼等后續(xù)處理的必要前提。由于攝像機(jī)平臺工作環(huán)境存在的諸多干擾因素，如移動平臺 自身運(yùn)動或外界干擾引起的攝像機(jī)抖動等，獲取的視頻序列往往存在不同幅度的晃動、模 糊的情況，因此往往必須通過視頻穩(wěn)像技術(shù)對視頻序列進(jìn)行處理。

當(dāng)前的視頻穩(wěn)像技術(shù)主要包括機(jī)械穩(wěn)像、光學(xué)穩(wěn)像和電子穩(wěn)像。機(jī)械穩(wěn)像利用陀 螺穩(wěn)定平臺來補(bǔ)償攝像機(jī)平臺自身運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)圖像序列穩(wěn)定，一般采用高精度的光纖陀螺 和伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償式穩(wěn)像，成本非常高，主要用于軍事領(lǐng)域。光學(xué)穩(wěn)像通過補(bǔ)償成像系統(tǒng) 中光學(xué)元件運(yùn)動實(shí)現(xiàn)圖像序列的穩(wěn)定，主要針對微小抖動進(jìn)行補(bǔ)償。而電子穩(wěn)像應(yīng)用數(shù)字 圖像處理技術(shù)確定圖像序列的幀間偏移并進(jìn)行反向補(bǔ)償生成穩(wěn)定圖像序列，與機(jī)械穩(wěn)像和 光學(xué)穩(wěn)像相比，具有成本低、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在幀間圖像偏移程度不能過大的限 制。

基于移動平臺的成像系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜，且往往需要大偏轉(zhuǎn)角度下的視場穩(wěn)定， 單獨(dú)采用電子穩(wěn)像技術(shù)難以滿足需求，如果采用高精度的機(jī)械穩(wěn)像技術(shù)成本又太高，因此 提出了一種復(fù)合式穩(wěn)像系統(tǒng)，通過MEMS傳感器與步進(jìn)電機(jī)組成機(jī)械穩(wěn)像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī) 平臺的初步穩(wěn)定，然后利用電子穩(wěn)像技術(shù)獲取高質(zhì)量的穩(wěn)定圖像序列。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)合機(jī)械穩(wěn)像技術(shù)和電子穩(wěn)像技術(shù)，可以適應(yīng)攝像機(jī) 大角度偏轉(zhuǎn)以及復(fù)雜背景，滿足運(yùn)動平臺成像系統(tǒng)需求的基于機(jī)械穩(wěn)像和電子穩(wěn)像的穩(wěn)像 方法及復(fù)合式穩(wěn)像系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種基于機(jī)械穩(wěn)像和電子穩(wěn)像的穩(wěn)像方法，其特征是：包括以下步驟：

步驟一：系統(tǒng)進(jìn)行初始化；

步驟二：MPU6050運(yùn)動傳感器初始化；

步驟三：分別從MEMS加速度計(jì)和MEMS陀螺儀上讀取加速度和角速度；

步驟四：采用四元數(shù)算法對MPU6050數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到歐拉角，由四元數(shù)和歐拉 角之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系解算出攝像機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度，以此獲取當(dāng)前姿態(tài)；

步驟五：如果當(dāng)前姿態(tài)為原始姿態(tài)，則返回到步驟三，否則，進(jìn)入下一步驟；

步驟六：MSP430單片機(jī)按照解算出的偏轉(zhuǎn)角度驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行反向補(bǔ)償，將攝 像機(jī)偏轉(zhuǎn)幅度控制在5°以內(nèi)；

步驟七：將經(jīng)上述步驟穩(wěn)像后的視頻圖像劃分為25塊子區(qū)域，如果某子區(qū)域存在 眾多運(yùn)動物體，則剔除該子區(qū)域；

步驟八：以相鄰兩幀圖像的前一幀作為參考幀，后一幀作為當(dāng)前幀，將每一幀圖像 灰度化，分別求解水平、豎直兩個方向的灰度投影；

步驟九：將當(dāng)前幀圖像的行、列灰度值投影曲線與參考幀的行、列投影曲線分別作 互相關(guān)計(jì)算，所得的兩條相關(guān)曲線的唯一波谷值作為當(dāng)前幀相對參考幀的水平和垂直方向 的運(yùn)動矢量；

步驟十：對子區(qū)域的局部運(yùn)動矢量采用中位數(shù)篩選法獲取全局運(yùn)動估計(jì)矢量；

步驟十一：根據(jù)全局運(yùn)動估計(jì)矢量獲取反向補(bǔ)償矢量，生成補(bǔ)償幀。

步驟四的具體方法：

定義四元數(shù)q為一四維向量：

式中，α為旋轉(zhuǎn)歐拉角，e_x、e_y、e_z分別為X、Y、Z歐拉軸。

按照Z→X→Y的轉(zhuǎn)動順序，由歐拉角和四元數(shù)表示的姿態(tài)矩陣可以得到：

式中，為橫滾角，θ為俯仰角，ψ為航向角。

當(dāng)歐拉角θ，時(shí)，四元數(shù)與歐拉角之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

步驟七利用相鄰兩幀幀間差分的方法，檢測出子區(qū)域的運(yùn)動物體；幀間差分的計(jì) 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)分別表示相鄰兩幀在(i,j)處的像素值，D_n(i,j)是差分 圖像，R_n(i,j)是差分后二值化圖像，T為設(shè)定的閾值。

步驟八用兩個獨(dú)立的一維信息表示二維圖像信息，公式為：