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文檔簡介
1、非線性信號分析課程報(bào)告,基于EIS的運(yùn)動估計(jì)技術(shù),內(nèi)容安排,EIS的介紹 運(yùn)動估計(jì)的基本原理 基于圖像塊的運(yùn)動估計(jì)技術(shù) 基于像素灰度信息的運(yùn)動估計(jì)技術(shù) 結(jié)論,EIS的發(fā)展歷程,EIS(即電子穩(wěn)像)技術(shù)的研究已三十多年歷史,美國、法國、俄羅斯等國家對電子穩(wěn)像技術(shù)應(yīng)用于軍事方面已經(jīng)進(jìn)行了較深入的研究;日本和韓國對家用攝錄機(jī)的穩(wěn)定技術(shù)也進(jìn)行了研究和開發(fā)。,國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀,國內(nèi)對電子穩(wěn)像技術(shù)的研究依然處于初級階段,目前為止,只有中國科學(xué)院長春光機(jī)所和北京理工大學(xué)等單位在這個(gè)領(lǐng)域有一定的研究,總體來說,電子穩(wěn)像技術(shù)解決復(fù)雜抖動依然不夠成熟。,EIS技術(shù)的基本原理,單純的電子穩(wěn)像技術(shù)是指:從視頻圖像序列的幀
2、間差別中,利用運(yùn)動估計(jì)算法檢測代表攝像機(jī)運(yùn)動的參數(shù),并判斷該參數(shù)是屬于隨機(jī)抖動還是人為掃描運(yùn)動,且將其區(qū)分獲得抖動參數(shù),然后通過運(yùn)動補(bǔ)償算法來消除或者減輕攝像機(jī)的隨機(jī)抖動對視頻圖像的干擾,實(shí)現(xiàn)視頻序列的穩(wěn)定。,電子穩(wěn)像系統(tǒng)一般包括三個(gè)主要的功能模塊,即運(yùn)動估計(jì)模塊、運(yùn)動決定模塊和運(yùn)動補(bǔ)償模塊,對應(yīng)的,其關(guān)鍵技術(shù)為:全局運(yùn)動估計(jì)、運(yùn)動矢量濾波和圖像補(bǔ)償校正。,系統(tǒng)框圖如下:,運(yùn)動估計(jì)技術(shù)研究,在視頻序列中,幀與幀之間總是存在差異,引起這種差異的原因很多。由攝像機(jī)位置或參數(shù)的變化引起的整個(gè)圖像的變化,稱之為全局運(yùn)動;由場景中物體運(yùn)動引起的局部圖像變化,稱為局部運(yùn)動。 電子穩(wěn)像的運(yùn)動估計(jì)是指全局運(yùn)動
3、的估計(jì)。,運(yùn)動估計(jì)技術(shù)研究,運(yùn)動估計(jì)由運(yùn)動模型選取和模型參數(shù)估計(jì)兩部分組成。,模型選取,在運(yùn)動估計(jì)的初始階段,首先要根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境、模型的性質(zhì)、適用范圍和參數(shù)的敏感性等因素正確選取攝像機(jī)運(yùn)動模型。一般說來,運(yùn)動模型使用的參數(shù)越多,運(yùn)動估計(jì)越準(zhǔn)確,但計(jì)算復(fù)雜性也越大。,常用模型,1、剛性變換模型 2、相似變換模型,常用模型,3、仿射變換模型 4、透視變換模型,常用運(yùn)動估計(jì)技術(shù)分類,基于圖像塊的方法 基于模板匹配的方法 基于圖像二值位平面信息的方法 基于像素灰度投影的方法 基于圖像特征的方法 基于變換域的方法,基于圖像塊的方法,塊匹配運(yùn)動估計(jì)法是基于塊內(nèi)所有像素運(yùn)動一致性這樣的假設(shè)。 其基本匹配
4、原理如圖:,匹配原理如圖,塊匹配運(yùn)動估計(jì)準(zhǔn)則,塊匹配運(yùn)動估計(jì)算法中常用的匹配準(zhǔn)則有三種,即最小平均絕對差(MAD)、最小均方誤差(MSE)和歸一化互相關(guān)函數(shù)(NCCF),分別定義如下: 1、最小平均絕對差,塊匹配運(yùn)動估計(jì)準(zhǔn)則,2、最小均方誤差 3、歸一化互相關(guān)函數(shù),在運(yùn)動估計(jì)中,匹配準(zhǔn)則對匹配精度的影響不是很大,由于MAD準(zhǔn)則不需作乘法運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)簡單、方便,所以使用最多。在實(shí)際應(yīng)用中,通常使用SAD(SumofAbsolute Difference)來代替MAD,即求絕對誤差和,其定義式如下:,塊匹配運(yùn)動估計(jì)搜索路徑,1、全搜索法(FS) 2、三步法(TSS) 3、菱形法(DS),全搜索法,全
5、搜索法(Full Search Method,F(xiàn)S),也稱為窮盡搜索法,是對搜索范圍內(nèi) 所有可能的候選位置計(jì)算SAD(i,j)的值,從中找出最小SAD,其對應(yīng)偏移量即為所求運(yùn)動矢量。,全搜索法圖示,FS算法是最簡單、最原始的搜索算法,由于可靠,且能夠得到全局最優(yōu)的結(jié)果,通常是其它算法性能比較的標(biāo)準(zhǔn),但它的計(jì)算量的確很大,這就限制了在需要實(shí)時(shí)應(yīng)用的場合,所以有必要進(jìn)一步研究其它快速算法。,三步搜索法,TSS算法的基本思想是采用一種由粗到細(xì)的搜索模式,從原點(diǎn)開始,按一定步長取周圍8個(gè)點(diǎn)構(gòu)成每次搜索的點(diǎn)群,然后進(jìn)行匹配計(jì)算,跟蹤最小塊誤差(MBD)點(diǎn)。,三步搜索法圖示,TSS算法搜索時(shí),整個(gè)過程采用
6、了統(tǒng)一的搜索模板,使得第一步的步長過大,容易引起誤導(dǎo),從而對小運(yùn)動效率較低。當(dāng)搜索范圍大于7時(shí),僅用3步是不夠的??傮w說來,三步法是一種較典型的快速搜索算法,所以被研究的較多,后來又相繼有許多改進(jìn)的新三步法出現(xiàn),改進(jìn)了它對小運(yùn)動的估計(jì)性能。,菱形搜索法,DS算法采用了兩種控制模扳,分別是有9個(gè)檢測點(diǎn)的大模板 (LargeDiamond Search Pattern) LDSP和有5個(gè)檢測點(diǎn)的小模板 (Small Diamond SearchPattern) SDSP,如圖所示。,搜索時(shí)先用大模板計(jì)算,當(dāng)最小塊誤差MBD點(diǎn)出現(xiàn)在中心點(diǎn)處時(shí),將大模板LDSP換為SDSP,再進(jìn)行匹配計(jì)算,這時(shí)5個(gè)點(diǎn)
7、中的MBD即為最優(yōu)匹配點(diǎn)。,DS算法搜索圖示,DS算法的特點(diǎn)在于它分析了視頻圖像中運(yùn)動矢量的基本規(guī)律,選用了大小兩種形狀的搜索模板LDSP和SDSP。先用LDSP搜索,由于步長大,搜索范圍廣,可以進(jìn)行粗定位,使搜索過程不會陷于局部最??;當(dāng)粗定位結(jié)束后,可以認(rèn)為最優(yōu)點(diǎn)就在LDSP周圍8個(gè)點(diǎn)所圍的菱形區(qū)域中,這時(shí)再用SDSP來準(zhǔn)確定位,使搜索不致于有大的起伏,所以它的性能優(yōu)于其它算法。另外,DS搜索時(shí)各步驟之間有很強(qiáng)的相關(guān)性,模板移動時(shí)只需在幾個(gè)新的檢測點(diǎn)處進(jìn)行匹配計(jì)算,所以也提高了搜索速度。,塊匹配運(yùn)動估計(jì)算法分析,塊匹配運(yùn)動估計(jì)算法已經(jīng)發(fā)展比較成熟,并且具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,在穩(wěn)像處理應(yīng)用時(shí)需要考
8、慮如下幾個(gè)主要問題。 1、塊大小和位置的選擇 2、匹配準(zhǔn)則 3、搜索策略 4、估計(jì)精度 5、塊內(nèi)運(yùn)動的不一致性,基于像素灰度投影的方法,灰度投影算法的原理是基于行列灰度曲線的變化規(guī)律進(jìn)行的運(yùn)動估計(jì)。,基于像素灰度投影的方法,1、將灰度圖像的二維圖像信息映射成兩個(gè)獨(dú)立的一維波形,即獲取圖像的行列灰度投影曲線圖像,它反映了圖像灰度變化的特點(diǎn)。 其投影方法用公式可以表示如下:,基于像素灰度投影的方法,2、投影曲線的互相關(guān)計(jì)算 利用上式獲取圖像的行列灰度投影曲線,進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,找到相關(guān)值曲線中的單峰值即為當(dāng)前圖像相對于參考圖像的位移值。,示意圖,算法分析,由于灰度投影算法利用了圖像的整體灰度信息,且只對兩個(gè)1維向量作相關(guān)運(yùn)算,故對圖像的整體灰度變化、像面曝光度及噪聲均較不敏感,運(yùn)動矢量估計(jì)精度高、運(yùn)算量較小,適合實(shí)時(shí)運(yùn)動矢量檢測。,算法分析,灰度投影算法的應(yīng)用需要一定的條件: 首先是圖像的灰度變化應(yīng)較豐富,圖像有一定的對比度,否則,灰度投影曲線變化不明顯,難以精確地求出運(yùn)動矢量。 其次,成像環(huán)境復(fù)雜,存在小運(yùn)動物體,這些因素都會影響投影法的精度。
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