[发明专利]基于多分辨率块匹配和PI控制的数字视频稳像方法

说明书

技术领域

本发明特别涉及一种基于多分辨率块匹配和PI控制的数字视频稳像方法。

背景技术

数字稳像技术（Digital Image Stabilization, DIS）是一项综合电子学、光学、计算机和图像处理等为一体、能稳定视频图像序列的新技术。它具有精度高、实时性强、体积小、价格便宜和功耗低等优点，有着广泛的应用前景。随着视频设备的普及以及视频技术的广泛应用，对数字稳像技术的研究已成为图像处理领域研究的热点之一。

典型的数字稳像系统包括运动估计单元和运动补偿单元。运动估计单元的功能是获得正确的摄像机运动参数，并保留其中人为的追拍分量，分离得到抖动的运动分量；常用的运动估计方法主要有块匹配法、灰度投影法、特征匹配法等。其中，块匹配法具有高效快速、易于硬件实现的优点，得到了广泛的研究和应用。常见的块匹配搜索方法包括：全搜索(Full Search, FS)法、二维对数(Two dimensional Logarithmic, TDL)法、三步搜索(Three Step Search, TSS)法、菱形搜索(Diamond Search, DS)法等快速算法。其中，菱形快速搜索算法因具有快速性和较优异的性能而得到了广泛的应用。但传统意义上的快速块匹配方法，都存在容易陷入局部极小值点的不足。此外，对于不同分辨率的图像或者稳像视频质量不高的情况，现有的运动估计方法很难获得较为理想的估计效果。

发明内容

发明目的：为解决上述背景技术中的技术问题，基于 Similarity运动模型，在传统的菱形搜索块匹配算法的基础上，提供一种基于多分辨率块匹配和PI控制的数字视频稳像方法。

采用的技术方案：提供了一种基于多分辨率块匹配和PI控制的数字视频稳像方法，包括以下步骤：

步骤100：建立帧间运动模型：选用Similarity 运动模型对图像序列的运动进行描述，以反映图像序列帧间的平移、绕光轴旋转和变焦运动，其运动模型为：

                  (1)

其中，(x,y)和(x’, y’)分别表示每个像素点在参考帧和当前帧(前一帧和后一帧)的坐标，s代表摄像机的变焦系数，代表帧间图像的旋转角度，d_x、d_y分别代表水平和垂直方向的偏移量；

对于安防监控或手持成像小幅抖动的情况下，图像序列帧间的偏转角很小，认为1，；同时，变焦系数s保持不变，设为1，这样，式(1)的简化模型为：

                     (2)

步骤200：对图像进行分块：设视频图像的大小为M×N，将每帧图像水平和垂直方向五等分，则每一个图像块的大小为[M/5]×[N/5]；这样图像的外围有16个图像块，将相邻5个字块进行组合，以形成四个“L”形区域；

按照同样方法，将外围的16个图像块在水平和垂直方向继续五等分，此时，每个子块的大小为[M/25]×[N/25]；经过两次划分，每个子块的尺寸相对图像的尺寸而言已经很小，这样每个子块的旋转运动就变得不明显，此时，每个子块的局部运动可以近似认为只存在平移运动，即近似认为块内所有像素具有相同的运动形式；

步骤210：特征块的选取：不是所有的背景子块都适合进行块匹配搜索；有些子块特征明显，细节丰富，图像变化剧烈，用于估计运动矢量会比较准确；而有些子块特征不明显，图像比较单调，和周围子块相近，用于运动矢量估计得到的参数则不可信，因此，为了提高运动矢量估计的准确性和鲁棒性，需要对参加运动估计的子块进行筛选；

对16个背景图像块中的每一个子块按照式(3)计算其SAD值：

其中，m , n表示选定子块内像素坐标；表示第k帧图像m , n位置像素的灰度值；用h, w分别表示每个子块的长和宽，则()分别取{(0,w), (0,-w), (h,0), (-h,0)}中的一个；式(3)表示选定子块与四邻域子块对应位置像素值差的绝对值和；显然，如果该子块与周围子块的差异越大，则该值越大，即认为该子块的特征越明显；反之，则特征越不明显；选定SAD值最大的若干个子块为特征子块，用于后续的运动矢量估计；

步骤300：多分辨率自适应分级块匹配：对选定的特征块进行多分辨率自适应分级块匹配；首先确定自适应分级的初始级数，然后在各级中进行传统的菱形搜索算法，将级别自减并循环调用传统的菱形搜索算法，直到级别小于0停止；具体包括子步骤310,320,330；