基于背景特征匹配的穩(wěn)像算法研究.pdf

1、電子穩(wěn)像算法是一種理想的視頻序列穩(wěn)定技術(shù)，相對于機械穩(wěn)像和光學(xué)穩(wěn)像算法而言，具有成本低、體積小、兼容性好以及便于移植等優(yōu)點，是視頻穩(wěn)像領(lǐng)域發(fā)展的熱點。由于成像設(shè)備使用環(huán)境不同，視頻抖動形式多種多樣，因此結(jié)合各類抖動形式的特點設(shè)計特定穩(wěn)像算法是發(fā)展的重點。以背景特征匹配為核心思想，本論文著重研究了三種抖動類型下的電子穩(wěn)像算法，具體實現(xiàn)過程如下：
　　(1)針對攝像機的平移抖動，提出了一種基于約束1比特變換(Constrained O

2、ne-Bit Transform， C-1BT)的快速電子穩(wěn)像算法。以經(jīng)典塊匹配算法和自適應(yīng)十字搜索法(Adaptive Rood Pattern Search，ARPS)為基礎(chǔ)，引入C-1BT變換和背景特征子塊預(yù)選的思想，論文從選取位置、匹配準則和搜索過程三個方面出發(fā)改善傳統(tǒng)匹配算法性能。算法提前剔除了部分不穩(wěn)定的前景區(qū)域，保證了待匹配子塊的穩(wěn)定性，并且由于背景特征子塊更符合全局運動一致性，能夠有效提高全局運動參數(shù)精度。同時采用位平面

3、邏輯運算取代傳統(tǒng)匹配過程的浮點數(shù)運算，增強算法硬件移植能力，降低運算負擔；其次，采用ARPS減少全搜索(Full Search，F(xiàn)S)過程的運算負擔，并根據(jù)全局運動一致性的特點調(diào)整傳統(tǒng)ARPS法的臂長部分和搜索形狀，保證更好地兼顧塊匹配算法的精度和運算速度；最后，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)規(guī)律獲取全局平移參數(shù)，并采用自適應(yīng)運動矢量積分法(Motion Vector Intergral，MVI)提取補償參數(shù)穩(wěn)定當前視頻的抖動成分。仿真結(jié)果證明，與經(jīng)典塊匹

4、配全搜索算法相比，本文算法無論速度還是有效性均有一定程度提高。
　　(2)針對攝像機的小幅度平移旋轉(zhuǎn)復(fù)合抖動，提出了一種基于改進Noble算子匹配的電子穩(wěn)像算法。全局運動估計結(jié)果是影響電子穩(wěn)像算法性能的重要部分，為了有效兼顧算法的準確性和實時性，采用簡單有效的Noble算子作為基礎(chǔ)算法，并按照背景區(qū)域預(yù)選、特征匹配、參數(shù)求解和運動補償四步操作完成抖動視頻序列的穩(wěn)定處理。首先，計算對應(yīng)圖像子塊間的絕對差值，并根據(jù)全局運動特點剔除部分

5、不可靠區(qū)域，同時根據(jù)候選點鄰域梯度均值設(shè)置檢測閾值，盡可能提取位于保留區(qū)域的穩(wěn)定背景特征。由于引入了自適應(yīng)閾值，既能保證特征集合的數(shù)量，又能保證特征位置的空間均勻分布性；其次，利用特征鄰域信息構(gòu)造梯度方向描述子，并通過設(shè)置最近鄰和次近鄰比率獲取粗匹配結(jié)果，再根據(jù)均值距離準則優(yōu)化初始匹配；最后，結(jié)合運動模型求解全局參數(shù)，并采用卡爾曼濾波區(qū)分兩類運動補償抖動圖像。仿真結(jié)果證明：算法能準確、快速穩(wěn)定小幅度抖動視頻，平均提高峰值信噪比(Peak

6、 Signal Noise Ratio，PSNR)2dB以上，尤其當旋轉(zhuǎn)角度小于5°時，背景區(qū)域預(yù)選算法性能表現(xiàn)優(yōu)異。
　　(3)針對攝像機較大幅度的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放復(fù)合抖動，提出了一種基于加速魯棒特征(Speed Up Robust Feature，SURF)匹配的電子穩(wěn)像算法。SURF算法具有強魯棒性，在視覺匹配領(lǐng)域性能優(yōu)異，但算法復(fù)雜度較高，將其應(yīng)用于實時系統(tǒng)時，時間性能仍有待進一步提高。為了彌補這一缺陷，算法引入了皇后模板

7、抽樣和熵值法兩種預(yù)處理過程，應(yīng)用時根據(jù)穩(wěn)像要求和實際圖像分辨率選擇預(yù)處理類型，可以有效地減少特征描述子的建立時間；其次，采用基于向量內(nèi)積的距離準則取代傳統(tǒng)歐氏距離準則法，在保證特征匹配精度的前提下有效降低了匹配過程運算負擔。同時依據(jù)最近鄰和次近鄰距離比率和特征點本身性質(zhì)構(gòu)造級聯(lián)濾波器，盡可能保留符合全局運動趨勢的背景特征，保證匹配集合的準確性和全局性；最后，采用迭代最小二乘法求解攝像機仿射模型參數(shù)，并根據(jù)高斯濾波的運動參數(shù)平滑結(jié)果獲取抖