[发明专利]一种基于联合变换相关器的全局运动检测方法

说明书

技术领域：

本发明涉及数字图像处理的运动检测技术。具体指一种基于联合变换相关器的全局运动检测方法，它可以广泛的应用于电子稳像和图像运动补偿等领域。

背景技术：

电子稳像技术是综合电子、计算机、数字信号处理等技术为一体的新一代实现序列图像稳定的技术。它不同于图像恢复，图像恢复是针对每一帧模糊的图像，而电子稳像稳定的是一个图像序列，在序列中的每一帧图像都是清晰的。稳像的基本原理是：首先根据图像序列的各种信息进行局部运动估计和全局运动估计，取得运动参数后进行综合评价，继而进行运动补偿，最终得到稳定的输出序列。电子稳像前提条件是先获得图像的全局运动矢量。

传统的图像序列运动估计方法有很多，例如基于光流模型的图像运动估计，是通过计算光流确定成像目标运动物体的速度、方向等特性；块匹配算法是对当前帧图像进行分块，对每个小块在参考帧的特定搜索范围内进行搜索匹配，通过计算两个块的相对位置来求得它们之间的运动矢量；位平面匹配法是利用图像的灰度码和图像的位平面实现二值匹配来确定局部运动矢量；以上所描述的算法都是以图像的灰度变换为依据，其共同点缺陷就是对图像所包含的信息利用不充分，而且对噪声比较敏感，造成计算结果不精确。另外很多算法本身比较复杂，估算所需的时间开销很大。

图像之间的运动估算也可以通过对相邻两帧图像求相关运算来获得。并且相关运算所求结果精确，但是由于数字化的图像相关运算要经过两次傅立叶变换，运算量极大。目前高速DSP求两帧256X256大小的图像的相关运算，速度在每秒20帧左右。光电混合联合变换相关器是以相干光波为光源，利用透镜的傅氏变换特性和光学上的空间滤波原理，将当前图像与参考图像进行相关运算，从而实现两个函数或图像之间的相似度测量。它具有速度快、精度高和并行处理的优点，可以有效地解决电子处理中速度和精度的矛盾。目前，国外开发的标准型联合变换相关器其相关运算速度达到每秒200帧，美国Litton公司2000年发表了小型化强固的光学相关器MROC，每秒可以处理32000对50X50像素的图像，光学相关器在相关速度上具有绝对的优势。

发明内容：

本方法的主要目的是解决运动成像平台的全局运动估计问题，通过该方法实时检测出全局运动后，给稳像算法提供精确的补偿信息，为消除运动带来视频抖动和图像模糊提供依据。该方法利用了光电联合变换相关器的相关识别理论，将光学模拟处理的高速特性和电子学的高精度特点结合起来，以达到在线实时处理的要求。

本方法实现的系统结构如图1所示，整个系统主要由高速CCD、激光源、液晶光阀、傅立叶透镜与实时嵌入式控制模块构成。其中激光源、液晶光阀、傅立叶透镜构成一个光学傅立叶变换过程，对高速CCD1采样到的图像进行光学傅立叶变换，在CCD2上获得联合功率谱，对联合功率谱再进行一次光学傅立叶变换，在CCD3上获得相关峰图像，DSP检测相关峰的位移，位移结果就是两帧图像的像移矢量。电子学控制模块的硬件框图如图2所示，其实时处理的步骤包括：

1.首先由FPGA产生探测器驱动程序，驱动探测器CCD1工作，控制积分时间尽量小，高速探测器实时对运动场景进行采样，采样探测器像素不宜太大，128X128即可，采样帧频每秒100帧频以上。

2.FPGA对采样得到的连续两帧有像移的图像进行实时合并，将两帧128X128的图像合并成一帧256X128的图像。

3.通过VGA接口芯片将合成后的图像实时的送入空间光调制器SLM中，前面合成的图像不断对SLM进行刷新。激光器产生的相干光经过准直扩束后通过一偏振镜成线偏振光，SLM对线偏振光进行幅度调制，产生和送入SLM图像灰度值成正比的光场分布。

4.通过SLM的光场再经过一傅立叶透镜进行光学傅立叶变换，选择合适的透镜的孔径和焦距，在后焦面上可以获得前面合成图像的联合功率谱图像，并在后焦面上用CCD2对联合功率谱进行采样。

5.将采样获得的联合功率谱图像送入频谱预处理模块中，FPGA实时对联合功率谱图像进行二值化处理。获得的二值化联合功率谱图像再实时送入另一个SLM中，经过步骤4一样的傅立叶变换过程，最后在透镜后焦面上获得相关峰图像，再用CCD3对相关峰图像进行实时采样。

6.CCD3获得的相关峰图像通过控制模块送入DSP中，DSP实现质心检测算法，检测出两个峰值的位置，两峰值位置的差值就是图像位移量的两倍，最后将位移结果通过RS232串口或USB接口传出。