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基于全景摄像系统的电子稳像技术研究

作　者: 王开宇
导　师: 夏桂华
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 全景系统电子稳像灰度投影算法运动矢量
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文主要研究了应用于全景摄像系统之中的电子稳像方法,内容涵盖原理探讨、算法分析、实时电子稳像算法构建、稳像系统实现和试验论证等方面,取得了一系列成果,部分成果对于实时电子稳像技术的发展有影响作用,为全景摄像系统视频图像序列电子稳像的工程化实现,打下了理论基础。全景摄像系统是一种具备近360度的摄像视角,由于全景图像序列不适合观察,所以必须把全景图像序列解算成客观现实的原始图像序列,然后对其稳像研究。本文深入分析和研究了全景图像的解算算法与稳像的实现方法,详细分析了图像序列间产生差异的原因,明确了电子稳像的必要性。阐述了电子稳像基本原理、基本方法和处理过程,并讨论其实现的关键技术。提出实时电子稳像算法的要求,并分析了目前国内外电子稳像常见算法的特点。对全景摄像系统电子稳像的一个核心模块图像预处理进行深入研究,从柱面展开、灰度处理、滤波和直方图均衡化几个方面对全景图像进行预处理,使运动估计的准确性更高。对全景摄像系统电子稳像的核心模块之一运动估计进行深入研究,对几种常用的运动估计方法进行分析,找出各自算法的特点,对比各种算法优缺点,分析实时电子稳像的特点,明确全景摄像系统运抵估计算法的要求,最后选取灰度投影算法为全景摄像系统运动估计算法的基础,当图像序列中有运动物体存在时,灰度投影算法可能会出现误判的情况,图像的投影值会受到运动物体的影响,从而导致稳像精度下降。为了提高有运动物体出现时的稳像精度,针对全景摄像系统特点和成像原理,在普通灰度投影算法的基础上改进,采用了适应全景摄像系统的分块灰度投影算法,把每帧图像都分成3块,提高了稳像系统的准确性。对全景摄像系统电子稳像的核心模块之一运动补偿模块进行研究,对几种常用的运动补偿方法进行分析,得到各自算法的特点,分析各种算法优缺点,考虑到全景摄像系统的实际情况,全景图像展开后图像的偏差不明显,且全景摄像系统电子稳像对实时性的要求,本文选用固定帧补偿法为基础。针对固定帧补偿方法的缺陷,如果同时存在采集设备的扫描运动,经过若干帧后,当前帧和参考帧之间的重叠部分将会越来越小,由于纠偏范围的限制,可能无法计算出准确的运动矢量值,而且,当偏移量较大时,在补偿时产生的图像边缘信息的损失将无法弥补,最终导致结果图像与实际图像相差很大,脱离了真实场景。为此,对固定帧补偿法进行改进,每隔一定的30帧重新选取一次参考帧,以保证结果图像能够跟随真实扫描场景,这样可以保证在每一个更新周期内,图像是清晰稳定的。为了提高数字稳像的快速性,并且使算法的实现简单易行,让算法的时间复杂度与冗余度降到最低。本文采用一种快速电子稳像算法,并采用相应的预处理办法使此算法能准确处理图像,拓宽了灰度投影算法的使用范围。借助于当前刚刚兴起的OpenCV平台进行实现。OpenCV是Intel开源计算机视觉库。它集成了大量的图像处理和计算机视觉方面的通用算法。本算法通过全景摄像系统所摄取的图像序列进行试验,证明该算法具有实时性高、快速等特点。该系统的硬件由全景装置、CCD、图像采集卡和计算机构成,软件编程基于DiretShow平台,通过VC++实现。通过对结果的分析表明,该算法的设计具有快速、准确的特征,是实现全景摄像系统的电子稳像的一种切实可行的方法。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-20
  1.1 课题研究背景及意义  12-13
  1.2 全景摄像系统电子稳像概述  13-15
  1.3 全景摄像系统电子稳像关键技术  15-16
  1.4 电子稳像技术的国内外发展现状  16-18
  1.5 本文主要研究内容  18-20
第2章全景摄像系统电子稳像关键技术分析  20-33
  2.1 全景视觉成像系统介绍  20-23
  2.2 摄像系统运动状态研究  23-25
    2.2.1 序列模糊的分析  23-24
    2.2.2 摄像系统运动的类型  24-25
  2.3 电子稳像的理论概述  25-26
    2.3.1 电子稳像的基本概念  25
    2.3.2 电子稳像的基本原理  25-26
    2.3.3 电子稳像的主要研究内容  26
  2.4 运动估计理论研究  26-30
    2.4.1 运动估计基本理论  26-27
    2.4.2 运动估计的主要方法  27-30
  2.5 运动补偿理论研究  30
  2.6 电子稳像的关键问题  30-31
  2.7 本章小结  31-33
第3章全景摄像系统的图像预处理  33-45
  3.1 全景图像展开  33-39
    3.1.1 全景图像成像原理  33-34
    3.1.2 全景成像系统逆投影原理  34-36
    3.1.3 全景图像柱面展开  36-38
    3.1.4 实验结果  38-39
  3.2 全景图像灰度处理  39-40
    3.2.1 全景图像灰度处理原理  39-40
    3.2.2 实验结果  40
  3.3 全景图像滤波  40-42
    3.3.1 中值滤波  40-41
    3.3.2 实验结果  41-42
  3.4 全景图像直方图均衡化  42-44
    3.4.1 全景图像直方图均衡化原理  42-44
    3.4.2 实验结果  44
  3.5 本章小结  44-45
第4章全景摄像系统电子稳像运动估计  45-58
  4.1 全景摄像系统稳像算法的选取原则  45-47
    4.1.1 运动矢量的估计精度  46
    4.1.2 运动矢量的可估计范围  46
    4.1.3 运动矢量的检测速率  46-47
  4.2 全景图像运动估计原理及实验  47-57
    4.2.1 行、列灰度投影  47-51
    4.2.2 位移相关检测  51-55
    4.2.3 运动矢量合成  55-57
  4.3 本章小结  57-58
第5章全景摄像系统电子稳像运动补偿  58-69
  5.1 运动补偿算法  58-61
    5.1.1 固定帧补偿法  58-59
    5.1.2 顺序帧补偿法  59-60
    5.1.3 均值滤波补偿法  60-61
    5.1.4 自适应平滑滤波补偿法  61
  5.2 全景图像运动补偿原理及实验  61-68
    5.2.1 全景图像运动补偿算法  61-62
    5.2.2 全景图像运动补偿实验结果  62-68
  5.4 本章小结  68-69
结论  69-71
参考文献  71-74
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  74-75
致谢  75

基于全景摄像系统的电子稳像技术研究

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