摘要：介紹了一種解決視頻圖像抖動問題的電子穩像方法，系統利用灰度投影算法和德州儀器公司的定點數位訊號處理器晶片TMS320DM642實現電子穩像。文中提出了電子穩像性能的基本要求，介紹了穩像的基本原理，根據要求選擇了穩像算法，從而設計了系統的硬體框圖，並完成了算法的仿真。實驗結果表明，該算法穩效果好，且達到準確性要求。
關鍵詞：電子穩像；灰度投影算法；數位訊號處理器
電子穩像集合了計算機、數字圖像處理和數位訊號處理等技術為一體的新一代實現圖像序列穩定的綜合性技術。實時性和準確性是衡量電子穩像系統的兩個重要指標。因此，電子穩像算法要體現其優越性，就要滿足實時性和準確性。
1 基於灰度投影的電子穩像算法
1．1 電子穩像基本原理
電子穩像(Electronic Image Stabilization，EIS)是集電子技術、計算機、數位訊號處理、視頻圖像處理等為一體的實現數字圖像序列穩定的技術。電子穩像技術中最基本的是像移補償技術是直接從像面上通過檢測參考圖像和被比較圖像的運動矢量，然後利用算法進行補償的技術。穩像的基本原理：(1)根據圖像序列或視頻的各種信息進行局部運動估計。(2)進行全局運動估計。(3)經過運動估計後取得運動參數，然後進行綜合評價。(4)根據綜合評價的結果進行運動補償，並最終取得穩定的輸出序列。由此可知，獲得圖像的全局運動矢量是電子穩像的前提條件。基本流程如圖1所示。對於全局運動矢量可以通過灰度投影算法獲得。
1．2 灰度投影算法
灰度投影算法(Projection Algorithm，PA)是利用圖像灰度分布變化的特點得到圖像幀間運動矢量。對於灰度細節豐富、直方圖無明顯特徵、對比度差的圖像難以識別特徵量，尋找特徵量不僅無法保證所需的穩像精度，更難以滿足穩像的實時性要求。針對此種圖像序列，用灰度投影法來實現圖像運動矢量的準確獲取，從而達到穩定圖像序列的目的。視頻圖像序列是圖像的灰度發生變化的圖像序列，各種運動矢量估計算法均是以灰度變化為依據。投影算法能充分利用圖像的灰度變化這一特點，較準確地估計出圖像的運動矢量。此算法的優點是：灰度曲線匹配速度快，從而提高了穩像速度，適用於圖像照度變化導致的灰度變化的情況。灰度投影算法是實現只含平移運動或旋轉運動較小的圖像序列電子穩像的較理想算法。
(1)灰度映射。
灰度映射就是把每一幀輸入的初始的二維圖像信息映射成為兩個獨立的一維波形，如下為列投影的映射方法
式(1)～式(3)中，Colk(j)為第k幀圖像第j列的灰度值；Curk(i，j)是第k幀圖像上(i，j)位置上的像素值；NC是列數，ColProjk(j)是第k幀圖像第j列修正後的投影值。行方向灰度投影映射的算法可以同理推出。
(2)投影濾波。
投影濾波是為了降低邊界信息的幅值，保留中間區域的幅值，使用濾波器經行濾波。由於邊緣信息在互相關計算時會對互相關的峰值產生不利影響，因此要將邊界處的投影值去除。由於圖像移動量大時，邊緣信息在每一幅圖像上是惟一的，所以通過對投影值進行濾波可提高算法精度。
(3)互相關運算。
互相關運算就是將當前幀圖像的行、列投影曲線與參考幀圖像的行、列投影曲線做互相關計算。運算後得到的相關值曲線中的惟一峰值即為補償運動矢量所求的位移值。得到了水平方向和垂直方向的位移矢量後，就將當前圖像向位移矢量的反方向平移相應大小的像素距離，從而實現圖像序列的穩定。行、列相關運算的計算如式(4)所示
式(4)中Colk(j)為第k幀圖像第j列的灰度投影值；NC為列的長度；m為位移矢量相對於參考幀在一側的搜索寬度。設wmin為C(w)最小時w的值，則第k幀圖像相對於參考幀圖像在垂直方向的位移矢量如式(5)所示。
得到了水平方向和垂直方向的位移矢量後，就可以把當前圖像向位移矢量的反方向運動，響應大小的像素距離，從而實現圖像序列的穩定。
2 基於TMS320DM642系統的設計
2．1 TMS320DM642介紹
TMS320DM642是TI公司推出的一款DSP晶片，這款晶片是專門面向多媒體應用而設計開發的32位定點DSP晶片，是目前業界公認的性能良好的視頻處理器。良好的處理性能和豐富的片上外設，可以滿足實時視頻處理的要求。DM642採用兩級緩存結構，第一級，包括相互獨立的L1P(16 kB)和L1D(16 kB)，只能作為高速緩存使用。第二級，L2(256 kB)是一個統一的程序、數據空間，可以整體作為SRAM映射到存儲空間，也可以整體作為第二級Cache，或是二者按比例的一種組合來使用。DM642具有64個獨立通道的增強型直接存儲器訪問控制器，負責片內L2與外設之間數據高速傳輸。具有豐富的外圍設備接口：3個可配置的雙通道視頻埠Video Port；64 bit的外部內存接口EMIF；10／100 Mbit乙太網MAC；66 MHz32 bit的PCI接口。
2．2 系統設計
本系統的硬體框圖如圖2所示，仿真圖像通過CCD攝像設備取得，對於取得的圖像信息，通過數字視頻解碼器處理，把模擬圖像轉換成數字圖像，再將數字信息存入到DM642晶片中，經過DM642晶片的處理，得到相鄰幀之間的運動矢量，進而實時準確地對運動矢量經行補償，得到輸出視頻序列，最後將處理後的視頻圖像顯示到顯示器上。
3 算法仿真結果分析
如圖3和圖4所示，分別反映的是穩像前後圖像的列投影曲線，穩像後的列投影曲線的形狀和位置基本一致，說明補償後圖像的相似度提高了，其穩定性也提高了。同時，可以使用峰值信噪比(Peak Siginalto Noise Ratio，PSNR)來評價準確度的品質因子。試驗結果表明，準確性達到了好的滿足要求，但實時性稍差還需要進行程序優化，以達到較好的效果。
4 結束語
文中使用灰度投影算法，基於TI公司的TMS320DM642嵌入式系統實現了電子穩像。試驗結果表明，文中採用的算法不僅穩像效果好，而且達到了準確性的要求。對於不同的應用場景，具有一定的使用價值。