基于TMS320DM642電子穩像算法的實(shí)現

摘要：介紹了一種解決視頻圖像抖動(dòng)問(wèn)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(diǎn)數字信號處理器芯片TMS320DM642實(shí)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件框圖，并完成了算法的仿真。實(shí)驗結果表明，該算法穩效果好，且達到準確性要求。
關(guān)鍵詞：電子穩像；灰度投影算法；數字信號處理器

電子穩像集合了計算機、數字圖像處理和數字信號處理等技術(shù)為一體的新一代實(shí)現圖像序列穩定的綜合性技術(shù)。實(shí)時(shí)性和準確性是衡量電子穩像系統的兩個(gè)重要指標。因此，電子穩像算法要體現其優(yōu)越性，就要滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性和準確性。

1 基于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(shù)、計算機、數字信號處理、視頻圖像處理等為一體的實(shí)現數字圖像序列穩定的技術(shù)。電子穩像技術(shù)中最基本的是像移補償技術(shù)是直接從像面上通過(guò)檢測參考圖像和被比較圖像的運動(dòng)矢量，然后利用算法進(jìn)行補償的技術(shù)。穩像的基本原理：(1)根據圖像序列或視頻的各種信息進(jìn)行局部運動(dòng)估計。(2)進(jìn)行全局運動(dòng)估計。(3)經(jīng)過(guò)運動(dòng)估計后取得運動(dòng)參數，然后進(jìn)行綜合評價(jià)。(4)根據綜合評價(jià)的結果進(jìn)行運動(dòng)補償，并最終取得穩定的輸出序列。由此可知，獲得圖像的全局運動(dòng)矢量是電子穩像的前提條件?；玖鞒倘鐖D1所示。對于全局運動(dòng)矢量可以通過(guò)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(diǎn)得到圖像幀間運動(dòng)矢量。對于灰度細節豐富、直方圖無(wú)明顯特征、對比度差的圖像難以識別特征量，尋找特征量不僅無(wú)法保證所需的穩像精度，更難以滿(mǎn)足穩像的實(shí)時(shí)性要求。針對此種圖像序列，用灰度投影法來(lái)實(shí)現圖像運動(dòng)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(fā)生變化的圖像序列，各種運動(dòng)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(diǎn)，較準確地估計出圖像的運動(dòng)矢量。此算法的優(yōu)點(diǎn)是：灰度曲線(xiàn)匹配速度快，從而提高了穩像速度，適用于圖像照度變化導致的灰度變化的情況?；叶韧队八惴ㄊ菍?shí)現只含平移運動(dòng)或旋轉運動(dòng)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(gè)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列修正后的投影值。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(jīng)行濾波。由于邊緣信息在互相關(guān)計算時(shí)會(huì )對互相關(guān)的峰值產(chǎn)生不利影響，因此要將邊界處的投影值去除。由于圖像移動(dòng)量大時(shí)，邊緣信息在每一幅圖像上是惟一的，所以通過(guò)對投影值進(jìn)行濾波可提高算法精度。

(3)互相關(guān)運算。
互相關(guān)運算就是將當前幀圖像的行、列投影曲線(xiàn)與參考幀圖像的行、列投影曲線(xiàn)做互相關(guān)計算。運算后得到的相關(guān)值曲線(xiàn)中的惟一峰值即為補償運動(dòng)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后，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(shí)現圖像序列的穩定。行、列相關(guān)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(cháng)度；m為位移矢量相對于參考幀在一側的搜索寬度。設wmin為C(w)最小時(shí)w的值，則第k幀圖像相對于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后，就可以把當前圖像向位移矢量的反方向運動(dòng)，響應大小的像素距離，從而實(shí)現圖像序列的穩定。

2 基于TMS320DM642系統的設計
2．1 TMS320DM642介紹
TMS320DM642是TI公司推出的一款DSP芯片，這款芯片是專(zhuān)門(mén)面向多媒體應用而設計開(kāi)發(fā)的32位定點(diǎn)DSP芯片，是目前業(yè)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(mǎn)足實(shí)時(shí)視頻處理的要求。DM642采用兩級緩存結構，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(gè)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(lái)使用。DM642具有64個(gè)獨立通道的增強型直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)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(gè)可配置的雙通道視頻端口Video Port；64 bit的外部?jì)却娼涌贓MIF；10／100 Mbit以太網(wǎng)MAC；66 MHz32 bit的PCI接口。

2．2 系統設計
本系統的硬件框圖如圖2所示，仿真圖像通過(guò)CCD攝像設備取得，對于取得的圖像信息，通過(guò)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芯片中，經(jīng)過(guò)DM642芯片的處理，得到相鄰幀之間的運動(dòng)矢量，進(jìn)而實(shí)時(shí)準確地對運動(dòng)矢量經(jīng)行補償，得到輸出視頻序列，最后將處理后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后圖像的列投影曲線(xiàn)，穩像后的列投影曲線(xiàn)的形狀和位置基本一致，說(shuō)明補償后圖像的相似度提高了，其穩定性也提高了。同時(shí)，可以使用峰值信噪比(Peak Siginalto Noise Ratio，PSNR)來(lái)評價(jià)準確度的品質(zhì)因子。試驗結果表明，準確性達到了好的滿(mǎn)足要求，但實(shí)時(shí)性稍差還需要進(jìn)行程序優(yōu)化，以達到較好的效果。

4 結束語(yǔ)
文中使用灰度投影算法，基于TI公司的TMS320DM642嵌入式系統實(shí)現了電子穩像。試驗結果表明，文中采用的算法不僅穩像效果好，而且達到了準確性的要求。對于不同的應用場(chǎng)景，具有一定的使用價(jià)值。