王得宝++顾宏斌++高振兴++徐正家

摘要：本文对机械稳像系统，光学稳像系统，电子稳像系统这三类稳像系统进行了介绍，并且分析了各种稳像方法的优劣。其中着重讲解了基于灰度投影的电子稳像方法的原理以及过程，通过航空，航天器的特点结合实验结果分析了各种稳像方法，特别是基于灰度投影的电子稳像方法在航空，航天领域的可行性。

关键词：航空航天 电子稳像 灰度投影

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）12-0066-03

Abstract：In this paper we introduced three image stabilization systems： the mechanical way， the optical way and the electronical way. Besides we have analyzed the strengths and weaknesses of them. We paid the most attentions to explain the theory and applications of the electronic image stabilization system which used the gray projection algorithm. And also analyzed different image stabilization systems by experimental results and the characteristics of aircraft and space vehicles， especially the feasibility of using gray projection algorithm in aeronautics and astronautics fields.

Key Words：aeronautics and astronautics； electronic image stabilization； gray projection algorithm

1 引言

近年来，由于科技的不断发展，现代战争已经由原始的火力战，兵力战逐步演化为现在的情报战，信息战。如何更加快速的获得更为精确的情报，成为了决定战争成败的关键性因素。因此，情报侦察在战争中愈显重要，传统的固定式侦察设备受到视角，位置等的制约，限制了其情报收集能力，故而侦察设备的可移动化（装载于航空，航天器上）成为了必然的发展趋势。然而，随之而来的载体振动，风力扰动等因素降低了所获图像的质量，令其战略意义大打折扣。为了在保有移动式侦查设备优势的同时获得具有较高价值的高精度侦查图像，就必须对其进行稳像处理，从而提高载体成像系统的清晰度和可分辨率。

本文介绍了几种常用的稳像方法，同时结合航空，航天器的特点着重介绍了电子稳像技术中的灰度投影方法，对其理论进行分析，给出了相应的算法并进行了实验验证，在实验的基础上探讨基于灰度投影的稳像技术在航空，航天领域的可行性。

2 稳像技术介绍

根据稳像原理的不同，我们可以将稳像技术分为3大类：机械稳像技术；光学稳像技术；电子稳像技术。

2.1 机械稳像技术

通俗的来讲，所谓的机械稳像技术就是利用各种机械原件来减少乃至尽可能消除物体与成像设备间的相对运动以达到稳像的目的。这类技术中最为基础的原件是陀螺仪，而运用机械稳像技术往往需要搭建一个以陀螺仪等传感器和反馈电机为基础的机械式稳定平台（如图1所示）。

当平台运动时，由陀螺仪检测出平台的位置信息经由反馈回路和原始的输入量进行比较，得到的变化误差经过放大器放大后输入到伺服电机系统，由电机驱动平台来补偿位置的变化，进而实现相对稳定。因此，在实际的使用中机械稳像系统由于其机械结构的复杂性具有体积庞大，费用高昂，功耗巨大等不利因素，此外在需要使用大口径，长焦距成像设备的场合中由于其自身的特点并不适合使用机械稳像系统，这一切都极大地限制了机械稳像系统的发展。

2.2 光学稳像技术

顾名思义，光学稳像技术就是通过光学的方法将光学成像系统中得到的图像稳定的技术。光学稳像技术中常常在光路中添加一些特别的光学元件来达到稳像的目的。比较常用的光学元件有光学相关器（全称光学联合变换相关器）等。使用光学稳像技术仅需添加相应的光学元件而无需对整个的光学成像平台进行稳定化处理，所以这种稳像方法可以极大地降低稳像系统整体的重量，缩小其体积。此外，光学稳像技术具有稳像精度高，稳像图片便于后期处理，几乎没有功率损耗等优点，但是同时也正是由于使用了一些特定的光学元件是使得光学稳像系统结构精密，使用寿命有限，维护复杂困难，这些缺陷限定了光学稳像技术的使用范围，即光学稳像技术只能使用在某些特定的高要求领域。

2.3 电子稳像技术

在新型传感技术，大规模集成电路，计算机技术飞速发展的今天，电子稳像技术作为一种集合了机械，电力电子，光学，计算机等技术的新兴稳像技术得到了广泛的应用。它集合了各种相关技术的优点，具有稳像精度高，体积小巧，处理速度快，实时性高等特点。

时至今日，电子稳像方法已经成为运用最为广泛的稳像方式，其稳像环节如下图2所示。

视屏图像模糊，不清晰的原因在于当摄影设备发生抖动时，所摄物体将会出现在所得到图片的不同位置上，那么当图片连续播放成为视屏时就产生了模糊化的问题。例如在拍摄时设备发生横向抖动，那么在每帧图片中，物象将会出现在不同的行像素区域，进而使得人眼难以辨别连续图片（也即是视屏）中的物体。电子稳像的原理简而言之就是通过稳像算法求出物象的偏移量，然后对这个偏移量进行补偿使得物象的偏移缩小以提高连续播放时人眼的辨识度。

由此可见电子稳像环节的关键便在于稳像处理算法，稳像算法的优劣将会直接决定稳像的精度，处理的速度。到目前为止，各国已经提出了许多较为成熟的稳像处理算法，例如：块匹配算法（BMA）；特征匹配算法（FMA）；投影算法（PRA）；光流算法（OF）等。众多的稳像处理算法使得电子稳像技术可以满足多领域的众多需求，具有了关阔的运用前景。本文研究的灰度投影算法因为具备处理速度快，实时性优越，准确性高等优点在众多的稳像算法中脱颖而出成为了被广泛应用的算法。

3 灰度投影算法

灰度投影算法的基本原理是对图像序列的行，列灰度进行计算得到行，列的灰度投影曲线。通过对不同帧图像的行，列灰度曲线进行相关计算来得到图像的运动矢量，进而进行运动补偿。因此，这种算法的计算量较小，也由此具备了较好的实时性，并保证了计算的精度。进行灰度投影算法，顾名思义第一步就是要将所采集的图像转化为灰度图以便进行后续处理。由于电子投影技术的应用场合的影响，所采集后直接得到的灰度图由于信噪比低等原因不利于进行灰度投影稳像，故而常使用数字图像处理的方法对其进行增强预处理（即稳像环节中的图像预处理环节）。下图3给出了以直方图均衡化为手段的图像预处理过程。

经过直方图均衡化后灰度值域拓展到了整个允许的灰度区域，使得灰度分布更为均匀，提高了图像的对比度，有利于保证后续运动矢量提取时的精度。第二步就可以运用公式进行计算了，先计算各行，各列的灰度和，如下式（1），式（2）.

设图像像素为m*n

（1）

（2）

式中：为第i行的灰度值之和；为第j列的灰度值之和；为第i行j列个像素点的灰度值。

接着进行相关性计算，如下式（3），式（4）

（3）

（4）

式中，为相关运算值；为搜索范围；为检测图像抖动的范围。其中与满足不等式

最后由式（5），式（6）可得到偏移量

（5）

（6）

式中为行偏移量；为列偏移量；为最小时的s值；为最小时的s值。

最后只要将图像在行，列上各反向移动，的距离就可以得到稳像后的图像了。但由灰度投影算法的原理可以发现灰度投影算法并不能很好的处理旋转和缩放的图像，具有一定的局限性。

实验时基于灰度投影算法编写MATLAB程序对自摄视屏进行稳像处理，验证算法的稳像效果。以视屏图像序列中所选取的某特征点为目标的横向位置变化为例，如图4，左图为稳像前曲线，右图为稳像后的曲线。图5稳像前后图像对比。

4 总结与展望

航空，航天摄影常常会使用大口径，长焦距的摄影设备，所以若是使用机械稳像系统，由于杠杆效应将会使稳像平台的搭建特别是精度指标要求面临极大地挑战，同时由于机械式稳像系统的能耗巨大使之无法使用在卫星设备等供能有限的航空，航天设备上。同样的，对于高轨道的卫星设备，我们无法提供经常性的系统维护，故而除却某些特殊的场合，需要复杂，精细维护的光学稳像系统并不适用。综上所述，电子稳像系统在航空，航天领域具备一定的普适性，且由于灰度投影算法具备实时性好，稳像精度高，可改进等优点较为符合这一领域的要求，所以基于灰度投影的电子稳像技术在航空，航天领域具备一定的可行性，并由于算法的可进化性具备着广阔的前景。

由于航空，航天领域稳像要求高，稳像环境复杂，基于传统的灰度投影算法的电子稳像技术还有其局限性，所以在之后的研究中，将着重进行稳像算法的改进，依据不同的要求对其进行进化以期在原有的基础上得到改进，同时将会思考如何结合机械稳像系统和光学稳像系统的相关技术使其具备更为优良的稳像效果和普适性。

参考文献

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