旋转运动模糊图像处理及电子稳像技术研究

论文摘要

运动模糊图像处理和电子稳像技术是图像处理学科十分重要的两个分支。在各种恶劣的现场条件中,由于摄像装置或者被摄物体本身的各种不规则随机运动,会造成所获的图像产生质量上的退化,或者图像序列之间的不稳定变化,给后期的进一步处理和观察造成极大困难,因此需要对获得的图像进行复原和稳像的处理。运动模糊图像复原和电子稳像技术在诸如、机器视觉、视频监控等等领域中都有着广泛的实际应用,对进一步的图像识别和视频分析都有着重要意义。在运动模糊图像处理中,目前的研究多是基于照相机成像平面内一致和线性的模糊叠加,对于空间可变的模糊情况涉及较少。难点在于成像平面内的可变模糊的模糊核是随着像平面的像素点的位置可以变化的,而模糊核是影响图像复原结果的非常重要的因素。本文所研究的旋转运动模糊就是这样一种情况:对于在模糊图像中任意两个像素点,其对应的旋转运动卷积核都是不一致的,无论从模糊核形状的大小还是从模糊核的方向来说。传统的做法是通过图形学的Bresenham算法,不考虑旋转模糊图像的所造成的直角坐标系不能很好的表达图像模糊的问题,直接在像素级上来进行直角坐标系和极坐标系的转换,这样做会造成一定程度的像素缺失。需要在复原后的图像中做图像插值处理来估计那些被复原操作屏蔽的像素,会造成一定的误差。更重要的一方面,传统意义的方法利用的“对角加载”技术,在分析了通过“解卷积”来去模糊是“病态性问题”的同时,不考虑“病态性问题”的成因,因此造成对模糊卷积核中的正常成分也做出了不恰当的处理,造成了复原图像的模糊去除不彻底的结果。本文在运动模糊图像复原方面的主要工作和研究成果有:1)针对旋转运动模糊的空间可变性,提出了基于“直角像素”和“极像素”的图像采样平面的直角坐标和极坐标系的相互转换。2)在极坐标系下,将二维模糊核可变的图像复原问题转化成为了一维局域内模糊核不变的信号复原问题。根据成像原理建立了可信的旋转运动模糊模型,在频域对旋转运动退化模型模糊核的病态性做了详细透彻的数学分析和推导。并分离模糊核中的病态成分和正常成分,对正常成分应用了改进型的维纳滤波器来进行信号复原。3)同时,为了估计旋转运动模糊核的形状,本文给出了有关的两个运动参数:旋转运动中心和旋转运动参数。该方法是通过利用参数估计和旋转运动复原的交互:在一个参数空间内搜索最优参数时,通过评估最优的复原结果而寻找到最优的参数。考虑到复原的方法是基于多个一维的圆形轨道,可能给出不同的参数评估结果,因此,本文采用“投票”的方法给出最终的参数评估结果。在评估“旋转中心”的过程中,本文提出了基于模糊像素频域零点间隔搜索的方法。而评估“旋转角速度”时,本文分析了相邻两个轨道的参数变化的基本连续性,提出了一种迭代式估计速度误差的分治算法,最终最外层轨道对应的旋转角速度就是评估后的更为准确的旋转角速度。在电子稳像中,当前的技术都是基于二维的平面图像运动模型,可以处理图像序列中不同帧之间的平移,散焦以及微量的旋转运动的稳定。目前的稳像技术存在的难点包括:首先对于旋转情况较严重的情况稳定比较困难,这一方面是由于视频前后两帧之间的旋转的运动参数估计比较困难;另一方面是,虽然三维场景在照相机全局运动下是刚体运动,但是当三维场景映射到两个二维图像帧后,其影像的运动关系就不是简单的同一个刚体线性模型,这随着场景点到照相机光心的距离而变化。这样,虽然视频的前后帧是在做全局的运动,但是反映到各个局部并不是一致的。而传统的基于二维的平面运动模型,假设为投影点无穷远的情况,并不包含三维透视投影平面变化的信息,因此不能进一步处理这种在全局同一运动局部模型下的误差情况。本文在电子稳像方面的主要工作和研究成果有:1)从电子稳像的本质出发,针对相机成像的实际原理,根据三维透视投影变换的原则,引入了计算机视觉中的三维映射模型。该模型从一般三维空间坐标变化出发,根据透视投影的原理,进行推导和简化,最终得到自由度为8的运动模型。该模型包含了全面的运动信息,包括图像的旋转、散焦、平移以及多光轴运动引起的透视变换等。另外它是一个完全线性的模型,求解极其方便,避免了因线性近似引起的误差。2)针对全局运动模型在视频振动较大时局部配准误差较大的问题,本文提出了基于局部误差引导的图像分割,使分割后的区域所对应的3维场景尽量保持在一个2维平面内,然后对每个分割区域应用Homography对应关系进行局部图像配准。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究任务与论文内容安排
• 第二章 旋转运动模糊图像复原和视频稳定算法概述
• 2.1 研究内容
• 2.2 旋转运动模糊复原的理论基础
• 2.2.1 运动模糊原理与退化模型
• 2.2.2 平移运动模糊的数学模型
• 2.2.3 旋转运动模糊的数学模型
• 2.2.4 模糊图像复原的典型方法
• 2.2.5 图像复原的评价标准
• 2.3 视频序列稳定技术的简介
• 2.3.1 视频序列稳定的工作原理和流程
• 2.3.2 传统序列稳定技术的介绍
• 2.3.3 序列稳定算法性能的评价标准
• 第三章 基于坐标系变换和一维频域分析的图像复原
• 3.1 旋转图像模糊复原的算法思想
• 3.2 图像空间坐标系和极坐标的转换
• 3.2.1 坐标系变换中的插值问题
• 3.2.2 坐标系变换中的像素元变换
• 3.3 空间各向异性模糊的局部线性化
• 3.4 基于改进型Wiener 滤波器的方法
• 3.4.1 图像复原中解卷积的难点和“对角加载”的由来
• 3.4.2 像素域“对角加载”解卷积的缺陷
• 3.4.3 最优Wiener 滤波器的设计
• 3.5 旋转运动模糊核的估计
• 3.5.1 旋转圆心的图像定位
• 3.5.2 旋转速度的精确恢复
• 3.6 实验结果及分析
• 3.6.1 合成图片复原结果比较
• 3.6.2 实际图片的复原结果比较
• 3.6.3 旋转圆心识别实验
• 3.6.4 旋转角速度识别实验
• 第四章 基于透视模型全局配准和自适应图像分割局部配准的视频稳定技术
• 4.1 基于图像配准技术的稳像算法思想
• 4.2 相邻视频帧的匹配特征点的提取
• 4.2.1 尺度特征变换不变量（Scale Invariant Feature Transform）
• 4.2.2 运动矢量稳定性评估的方法
• 4.3 基于全局透视模型和Homography 变换的图像配准
• 4.3.1 系统环境及需求分析
• 4.3.2 系统原理及流程框图
• 4.3.3 一般电子稳像技术的运动模型及其缺陷分析
• 4.3.4 建立三维Homography 透视投影变换模型
• 4.4 基于自适应图像分割的局部图像配准
• 4.4.1 基于透视模型的全局配准的缺陷
• 4.4.2 自适应图像分割的局部图像配准的思想
• 4.4.3 自适应分割的局部图像配准的递归式实现
• 4.4.4 局域配准误差的计算
• 4.5 实验结果及分析
• 4.5.1 基于全局三维透视模型的电子稳像实验
• 4.5.2 基于自适应图像分割的电子稳像效果
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文研究工作总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 攻读硕士期间参加的科研项目