許杰　康國(guó)強(qiáng)　李洋　馬欣慰

摘 要：電子穩(wěn)像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法分為固定幀補(bǔ)償方法和非固定幀補(bǔ)償方法。固定幀補(bǔ)償方法中，兩幀圖像相同部分的逐漸減少會(huì)使幀間運(yùn)動(dòng)估計(jì)準(zhǔn)確度下降、視頻跳躍等問(wèn)題；非固定幀補(bǔ)償方法存在運(yùn)動(dòng)估計(jì)誤差的累計(jì)問(wèn)題，該文主要研究非固定幀補(bǔ)償方法中累計(jì)誤差的產(chǎn)生原因，提出了計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)的新方法，解決了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償誤差累計(jì)的問(wèn)題，通過(guò)詳細(xì)論證，給出了新的計(jì)算方法的提出思路，分析了與傳統(tǒng)方法的區(qū)別，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比證明了新方法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)像 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 累計(jì)誤差 補(bǔ)償參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（a）-0192-03

電子穩(wěn)像中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償一般分為固定幀補(bǔ)償和相鄰幀補(bǔ)償兩種方法[1]。固定幀補(bǔ)償方法計(jì)算時(shí)隨著幀數(shù)增加，參考幀和當(dāng)前幀中相同的部分越來(lái)越少，直至兩幀圖像完全沒(méi)有相同部分。通過(guò)更換參考幀的方法能夠解決這一問(wèn)題，但是又帶來(lái)了視頻跳躍的問(wèn)題[2]。

相鄰幀補(bǔ)償方法只需計(jì)算每一個(gè)當(dāng)前幀與相鄰的前一幀圖像之間的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法是對(duì)這個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)序列進(jìn)行濾波[3]，求得補(bǔ)償參數(shù)并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償補(bǔ)償，存在估計(jì)誤差的累計(jì)問(wèn)題[4]。

該文中只討論平移運(yùn)動(dòng)，不考慮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和縮放運(yùn)動(dòng)，并且只討論水平運(yùn)動(dòng)的一個(gè)方向（Y方向）的分量。

1 傳統(tǒng)的相鄰幀補(bǔ)償方法分析

1.1 傳統(tǒng)方法中累計(jì)誤差產(chǎn)生的原因

其中，為低頻運(yùn)動(dòng)估計(jì)誤差的累計(jì)，為帶有累計(jì)誤差的濾波結(jié)果，為真實(shí)的相機(jī)主動(dòng)掃描運(yùn)動(dòng)軌跡。在非無(wú)限大的有限區(qū)間內(nèi)，累計(jì)誤差往往不為零，造成實(shí)際濾波結(jié)果與真實(shí)運(yùn)動(dòng)之間存在偏差，這個(gè)偏差的存在造成補(bǔ)償之后的視頻邊緣的補(bǔ)償區(qū)很大，損失圖像信息。假如估計(jì)誤差均值不為零，那么誤差的累計(jì)將直接導(dǎo)致過(guò)穩(wěn)現(xiàn)象。

1.2 實(shí)例分析

因?yàn)榘自肼曉谟邢揲L(zhǎng)度區(qū)間內(nèi)的累加值不一定為零，所以累計(jì)的誤差會(huì)一直增大，影響穩(wěn)像效果。在該實(shí)例中，均值濾波并沒(méi)有把誤差分成高頻和低頻，而是全部被保留了下來(lái)。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖1所示，圖中藍(lán)色實(shí)線是一段真實(shí)的抖動(dòng)視頻中提取的相鄰幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)（Y方向分量）進(jìn)行累加得到的運(yùn)動(dòng)軌跡；紅色星號(hào)線是對(duì)該軌跡進(jìn)行均值濾波之后的波形，我們認(rèn)為紅線為真實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡；然后將一個(gè)均值為零的白噪聲疊加到相鄰幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)中，然后對(duì)相鄰幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行模版為9的均值濾波，并將得到的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行累加，得到圖中黑色虛線軌跡；顯而易見(jiàn)，均值為零的白噪聲的累計(jì)導(dǎo)致了補(bǔ)償之后的運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)重偏離真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 新的相鄰幀補(bǔ)償方法分析

2.1 傳統(tǒng)方法產(chǎn)生累計(jì)誤差的原因

傳統(tǒng)方法實(shí)質(zhì)上是將相鄰幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)當(dāng)作相互獨(dú)立的量進(jìn)行計(jì)算，這樣計(jì)算得到的帶有估計(jì)誤差的補(bǔ)償參數(shù)也是相互獨(dú)立的。因?yàn)檎w的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)際上是各個(gè)相鄰幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)的累加，所以累加得到的運(yùn)動(dòng)軌跡中每個(gè)點(diǎn)的參數(shù)都累加了之前每一個(gè)補(bǔ)償參數(shù)的誤差，從而造成了累計(jì)誤差的問(wèn)題。

2.2 新的相鄰幀補(bǔ)償方法

因?yàn)榉€(wěn)像最終需要的結(jié)果是穩(wěn)定的視頻，而穩(wěn)定的視頻就是視頻中的場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng)軌跡比較平緩（低頻掃描運(yùn)動(dòng)），沒(méi)有快速的起伏（高頻抖動(dòng)），而這個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡我們可以通過(guò)累加相鄰幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)來(lái)獲得，如果我們對(duì)得到的運(yùn)動(dòng)軌跡直接進(jìn)行均值濾波處理，顯而易見(jiàn)的可以得到平緩的軌跡波形，而這個(gè)平滑的軌跡波形就是是我們穩(wěn)像的核心問(wèn)題和最終目標(biāo)。

由此我們得到的運(yùn)動(dòng)軌跡波形與真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡濾波之后的波形只相差一個(gè)獨(dú)立的白噪聲，這個(gè)白噪聲是不會(huì)隨著視頻幀逐漸累加的，從而消除了傳統(tǒng)方法中的累計(jì)誤差問(wèn)題。

2.3 新的相鄰幀補(bǔ)償方法實(shí)例分析

如圖2所示，藍(lán)色實(shí)線和紫色實(shí)線分別為真實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和含有估計(jì)誤差的運(yùn)動(dòng)軌跡；紅色星型線和黑色星型線為實(shí)際的運(yùn)動(dòng)軌跡濾波之后的結(jié)果和根據(jù)計(jì)算運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償參數(shù)對(duì)真實(shí)的視頻序列進(jìn)行補(bǔ)償之后的運(yùn)動(dòng)軌跡，兩者幾乎完全一樣，只相差一個(gè)很小的白噪聲。

3 結(jié)語(yǔ)

該文提出的新方法，從運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)出發(fā)，發(fā)現(xiàn)，即使估計(jì)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)有誤差，實(shí)際補(bǔ)償?shù)囊廊皇鞘钦鎸?shí)的視頻幀，而且直接影響補(bǔ)償結(jié)果的只有補(bǔ)償參數(shù)的誤差，所以，該文在計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)時(shí)就考慮消除累計(jì)誤差的問(wèn)題。又分析濾波和補(bǔ)償操作中，只有求運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)有累加計(jì)算，所以為了消除誤差的累計(jì)，考慮先對(duì)幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行累加，然后在計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)時(shí)，通過(guò)減法操作直接消除累計(jì)誤差。另外，在對(duì)相鄰幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行濾波之后，將濾波后的相鄰幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行累加，得到的運(yùn)動(dòng)軌跡，與先進(jìn)行累加得到運(yùn)動(dòng)軌跡之后再進(jìn)行濾波得到的運(yùn)動(dòng)軌跡兩者只相差了相鄰幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)中前若干個(gè)（對(duì)于均值濾波，個(gè)數(shù)小于濾波模版大?。┯邢薜倪\(yùn)動(dòng)參數(shù)值，證明略。所以，兩種方法的本質(zhì)區(qū)別在于計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)，兩者做減法操作的對(duì)象不同。

參考文獻(xiàn)

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[3] 高曉明.電子穩(wěn)像系統(tǒng)主要算法研究[D].西安科技大學(xué)，2008.

[4] 陳承康.基于視覺(jué)暫留的電子穩(wěn)像方法研究：[D].華中科技大學(xué)，2012.