2024年3月30日发(作者：勤访梦)
第27卷第1期
Vol127No11
2001年1月OPTICALTECHNIQUEJan1 2001
光学技术
203
文章编号:100221582(2
电子稳像技术及其发展
韩绍坤,赵跃进,刘明奇
(北京理工大学,北京 100081)
给出了其原理工作框图,并详细阐述了电子稳像技术的实质及其目前发展方向。
关键词:稳像;图像处理;电子稳像
中图分类号:TJ76512
+
1;V249132
+
5 文献标识码:A
X
摘要:简单介绍了电子稳像技术的基本概念及产生、发展过程,重点分析了几种典型的电子稳像系统,在此基础上
Electronicimagestabilizationtechniquesanddevelopment
HANShao2kun,ZHAOYue2jin,LIUMing2qi
(BeijingInstituteofTechnology,Beijing 100081,China)
Abstract:Thecommonconceptofelectronicimagestabilizaiontechniqueandtheprocessofgenerationanddevelopmentare
introduced1Severaltypicalelectronicimagestabilizationsystemsareanalyzed1Theframeworkofitsprincipleandexpoundsthe
substanceanddevelopmentaldirectionofelectronicimagestabilizationtechniquesarepresented1
Keywords:imagestabilization;imageprocess;electronicimagestabilization
1 引 言
稳像技术的应用主要用于军事目的以及民用测绘
仪器中。在航空摄影和地形测绘仪器中,为在仪器像
平面上得到稳定的测量基准必须采用稳像技术,以便
在仪器的的测量面上提供一个相对稳定的坐标系,使
测量结果准确无误。当在飞机、车辆、舰船等运动载体
上用望远镜观瞄目标时,由于机座的震动,像面上的图
像不稳定,使观察者易于疲劳,同时也降低了测瞄精
度。近几十年来,稳像技术在武器系统上得到了普遍
应用,从大型的制导、火控系统到小型的自寻的导引
头,都广泛采用了稳像技术
[1,2]
。稳像技术的应用,消
除了运动载体对像面的影响,使这些武器系统的运动
攻击性能和其他作战指标得以显著提高。
从最早的机械式稳像、光学稳像、机电稳像到电子
稳像,稳像技术的研究已开展了多年。稳像技术向着
更精确、更灵活、体积小以及价格低、能耗小、易于操作
的方向发展。
211 机械式稳像
在一些大型的武器系统中,往往将整个仪器置于
稳定平台上。而在一些小型导弹导引头或电视摄像头
中,是将整个光学系统稳定起来。在这些系统中使用
机电的方法来达到稳像目的,因此称为机械式稳像。
这种系统像面是运动的,为后续图像处理系统增加了
困难。
212 光学稳像
在一些光学仪器中用光学的方法实现图像稳定,
称为光学稳像。在这里,一般是在光路中设置一光学
元件作为对不稳定图像的补偿。光学稳像方法不须将
整个仪器或光学系统稳定,因此减轻了被稳定物的重
量,同时物镜和像面均是固定的,便于对图像进一步处
理,目前的稳像光学仪器广泛采用的是该方法。
213 电子稳像
随着新的传感技术、计算技术的发展,稳像系统已
经逐步成为应用光、机、电、算的综合性系统。电子稳
像实际上是应用图像处理的方法来直接确定像偏移并
进行补偿的技术。
无论是机械式稳像、光学稳像,还是电子稳像都是
首先确定图像偏移量,然后对其图像偏移量进行补偿
来达到稳像的目的。机械式稳像、光学稳像方法在确
定像偏移量时可以采用专门装置,比如应用各种陀螺
2 稳像装置及系统的分类
常用的稳像装置及系统主要有两种分类方法。按
照稳像作用原理来分,稳像装置可以分为三类:机械式
稳像,光学稳像和电子稳像。
X
收稿日期:2000207204
作者简介:韩绍坤(19652),男,黑龙江人,北京理工大学副教授,博士,从事稳像技术研究。
71
光 学 技 术
第27卷
或其他角速度测量传感器等。传感器给出的只是关于
光学系统的运动信息。为了得出关于传感器空间的偏
移量,需要建立基准坐标系,比如应用导航卫星、陀螺
平台等。当计算出光学系统运动分量后,需要使其转
换为图像的偏移量。这样,就有三个自由度的分量,这
势必使向量传感器复杂化,并使整个系统的价格更昂
贵。
而电子稳像方法就是采用直接从像面上来确定像
偏移,并进行补偿的方法。这时被摄对象和摄像系统
之间的相互运动向量决定于图像偏移测量系统,图像
器,抖动图像传感器采集到的信号通过门限仪生成图
像扫描脉冲
[4]
。扫描时间是由专门的计算装置来选
择,其目的就是为了保证算法的适应性。即对于不同
的光照度、运动速度、抖动幅度、目标与背景的反差度
来选择最佳的扫描时间。这时系统的精度主要决定于
抖动图像传感器和信号转换的精度。
在系统随机振动时补偿图像偏移的情况,可以以
采用电荷耦合器件作为光电转换器的系统为例。
文献[5]中描述了一种新型的电视摄像系统,这种
系统可以补偿振动和摄像系统的任何形式的运动。系
偏移测量系统可以是这样或那样的算法,该算法就是
对图像进行处理来分离出运动向量。可以看得出来,
这样能采用直接稳像方法的系统主要是采用电荷耦合
器件和变像管作为光电转换器件的系统。进入90年
代后,随着计算机技术和大规模集成电路技术(VLSI)
的迅猛发展,计算机产品的性能迅速提高,图像处理设
备的价格持续下降,这些变化为数字图像处理的发展
提供了良好的条件。人们研究的重点开始从传统的光
学稳像、机械稳像,转向利用计算机来进行电子稳像技
术的研究。从整个稳像技术研究的历史来看,利用纯
数字图像处理的方法进行图像稳定的研究是当前稳像
研究发展的趋势,稳像方面的纯数字图像处理方法本
质上是数字化的电子稳像。与传统的光学稳像、机电
结合的稳像方法相比,电子稳像具有易于操作,更精
确,更灵活,体积小以及价格低,能耗小等特点,同时由
于大规模集成电路技术的不断提高,又便于实现设备
的小型化。可见电子稳像方法将是观瞄或摄像系统中
的更新换代的稳像方法。
3 电子稳像系统分析
通过对稳像方法的比较和分析,可以发现,电子稳
像的优点在于不仅可以稳定光学系统的移动,也可以
对目标进行跟踪,且可能补偿任何形式的作用量,而不
依赖任何支撑系统。目前,在美国、法国、俄罗斯、英
国、以色列等技术发达国家都对电子稳像系统进行了
较深入的研究,日本、韩国也在家用摄录机图像稳定技
术进行了研究和开发,目前电子稳像系统无论是在军
事还是在民用方面的应用也越来越引起人门的重视。
我们来看几种电子稳像系统。
比较早的电子稳像系统应该是美国/Itek0公司出
产的电子稳定系统
[3]
。这种系统采用变像管作为光
电转换器件,像成在光电阴极上,变像管内装有两个方
向相互垂直的电磁线圈,两个电磁线圈产生的电场力
加到电子束上来修正仪器移动引起的像偏移。
在前苏联,为了观测抖动的图像应用了频闪传感
72
统包含四个串联环节:局部运动向量发生器、帧运动向
量发生器、补偿瞬间运动向量发生器以及图像读出控
制器。图像读出控制器的作用是由帧存储器中读出考
虑了运动向量的图像帧。
文献[6]中对于图像稳定建议采用运动向量检测
器和帧存储器。在运动向量检测器中图像被分为四部
分,并计算出相邻帧图像的相关性。由计算机自动选
择合适的向量来稳定图像。
文献[5]中给出的是观测抖动图像的稳定装置。
比如,在运动的载体上进行摄像,像偏移决定于载体的
运动向量,并计录到存储器中进行处理。当偏移信号
较大时,可以减小曝光时间,来减小抖动对象的模糊程
度。
综上所述,
电子稳像系统
的实质可以用
方框图1描述。
图中,光电转换
器将光信号转
换为电信号,转
换后的图像信
图1 电子稳像示意图
号分别输入到执行机构和视频处理器中,在视频处理
器中对图像进行处理,分离出运动向量,确定像偏移
量。执行机构对其像偏移进行补偿,达到稳像的目的。
该系统中也就是相对输入图像进行采样,放入存储器
中,并与后续图像进行比较,由高速数字信号处理器
(DSP)计算出像偏移量
[8]
。在得到这些参数之后,就
可以进行图像配准,对图像中的每一个像素重新定位,
达到补偿目的。
图像偏移补偿包括:
(1)图像分割,即将视频图像分成静止和运动部
分。
(2)运动检测与估值,就是检测运动类型,估计运
动物体的位移值。
(3)运动补偿,用位移估值进行补偿预测。
第1期 韩绍坤,等: 电子稳像技术及其发展
可见,电子稳像技术最为主要的是图像偏移运动
的估值。目前运动估值技术发展方向主要包括:
#并行算法。并行处理是当今计算机科学发展的
方向,采用并行算法易于制造成高速度、低成本的硬
件。
#神经网络方法。充分利用神经网络的优良性能。
#二维运动出平移之外,还可能包括旋转和缩放。
如何有效地检测和估计物体的旋转运动和缩放变化,
是运动估值技术进一步研究的课题。
#为了满足因CCD摄像系统运动而造成对图像全
局性运动估值的要求。近年来出现了对全局运动参数
估值的算法。
#使用运动估值与矢量量化相结合的方法来提高
帧间预测的精度。例如,对于误差小于某一门限的图
像子块,使用块匹配估值方法
[7]
。而对误差大于某一
门限的矢量(图像子块),使用矢量化方法,以此来减小
预测误差。该估值方法的目的是检测两帧(或两场)将
图像运动偏移,为达到实时和可靠要求,也可根据需要
选择有代表性的像素点,只检测该像素点处的运动偏
移,并设计相应的运动检测算法,由于视场的变化,经
一段时间后,需要选择新的代表点。为了预测当前帧
上代表性的像素点的稳定位置,要利用其运动轨迹,同
时基于稳定位置的运动检测法减小匹配点的搜索范
围,提高搜索效率和可靠性。总之,运动估值技术的研
(上接第70页)
踪电子束在不同结构时的运动轨迹计算结果。
阳极端口电子束斑大小
D
W
/H
栅极孔径/mm阴极电位/kV阳极电位/kV束斑尺寸/mm
6167
710
7141
7141
7141
110
017
110
110
110
-016
-016
-016
-018
-016
4010
4010
4010
5010
5010
01015590
01028035
01011740
01012263
01010391
究都是围绕着实时性与估计精度这对矛盾展开的。
通过对电子稳像系统的分析,可以得出以下结论:
)))电子稳像系统,理想的应是不包含任何附加
的机械、光学、光电转换器。
)))电子稳像系统,是以这样或那样的算法对图
像进行处理来分离出运动向量,确定出像偏移量,并对
其偏移进行补偿,达到稳像的目的。
参考文献:
[1]LewisGR1ImageStabilizationTechniquesforLangRangCamera
[J]1Proc1SPIE,1980,242(8):1251
[2]LewisGR1Three-AxisImageStabilizationWithaTwo-AxisMir2
ror[J]1SPIE,1980,115(6):1081
[3]
2024年3月30日发(作者：勤访梦)
第27卷第1期
Vol127No11
2001年1月OPTICALTECHNIQUEJan1 2001
光学技术
203
文章编号:100221582(2
电子稳像技术及其发展
韩绍坤,赵跃进,刘明奇
(北京理工大学,北京 100081)
给出了其原理工作框图,并详细阐述了电子稳像技术的实质及其目前发展方向。
关键词:稳像;图像处理;电子稳像
中图分类号:TJ76512
+
1;V249132
+
5 文献标识码:A
X
摘要:简单介绍了电子稳像技术的基本概念及产生、发展过程,重点分析了几种典型的电子稳像系统,在此基础上
Electronicimagestabilizationtechniquesanddevelopment
HANShao2kun,ZHAOYue2jin,LIUMing2qi
(BeijingInstituteofTechnology,Beijing 100081,China)
Abstract:Thecommonconceptofelectronicimagestabilizaiontechniqueandtheprocessofgenerationanddevelopmentare
introduced1Severaltypicalelectronicimagestabilizationsystemsareanalyzed1Theframeworkofitsprincipleandexpoundsthe
substanceanddevelopmentaldirectionofelectronicimagestabilizationtechniquesarepresented1
Keywords:imagestabilization;imageprocess;electronicimagestabilization
1 引 言
稳像技术的应用主要用于军事目的以及民用测绘
仪器中。在航空摄影和地形测绘仪器中,为在仪器像
平面上得到稳定的测量基准必须采用稳像技术,以便
在仪器的的测量面上提供一个相对稳定的坐标系,使
测量结果准确无误。当在飞机、车辆、舰船等运动载体
上用望远镜观瞄目标时,由于机座的震动,像面上的图
像不稳定,使观察者易于疲劳,同时也降低了测瞄精
度。近几十年来,稳像技术在武器系统上得到了普遍
应用,从大型的制导、火控系统到小型的自寻的导引
头,都广泛采用了稳像技术
[1,2]
。稳像技术的应用,消
除了运动载体对像面的影响,使这些武器系统的运动
攻击性能和其他作战指标得以显著提高。
从最早的机械式稳像、光学稳像、机电稳像到电子
稳像,稳像技术的研究已开展了多年。稳像技术向着
更精确、更灵活、体积小以及价格低、能耗小、易于操作
的方向发展。
211 机械式稳像
在一些大型的武器系统中,往往将整个仪器置于
稳定平台上。而在一些小型导弹导引头或电视摄像头
中,是将整个光学系统稳定起来。在这些系统中使用
机电的方法来达到稳像目的,因此称为机械式稳像。
这种系统像面是运动的,为后续图像处理系统增加了
困难。
212 光学稳像
在一些光学仪器中用光学的方法实现图像稳定,
称为光学稳像。在这里,一般是在光路中设置一光学
元件作为对不稳定图像的补偿。光学稳像方法不须将
整个仪器或光学系统稳定,因此减轻了被稳定物的重
量,同时物镜和像面均是固定的,便于对图像进一步处
理,目前的稳像光学仪器广泛采用的是该方法。
213 电子稳像
随着新的传感技术、计算技术的发展,稳像系统已
经逐步成为应用光、机、电、算的综合性系统。电子稳
像实际上是应用图像处理的方法来直接确定像偏移并
进行补偿的技术。
无论是机械式稳像、光学稳像,还是电子稳像都是
首先确定图像偏移量,然后对其图像偏移量进行补偿
来达到稳像的目的。机械式稳像、光学稳像方法在确
定像偏移量时可以采用专门装置,比如应用各种陀螺
2 稳像装置及系统的分类
常用的稳像装置及系统主要有两种分类方法。按
照稳像作用原理来分,稳像装置可以分为三类:机械式
稳像,光学稳像和电子稳像。
X
收稿日期:2000207204
作者简介:韩绍坤(19652),男,黑龙江人,北京理工大学副教授,博士,从事稳像技术研究。
71
光 学 技 术
第27卷
或其他角速度测量传感器等。传感器给出的只是关于
光学系统的运动信息。为了得出关于传感器空间的偏
移量,需要建立基准坐标系,比如应用导航卫星、陀螺
平台等。当计算出光学系统运动分量后,需要使其转
换为图像的偏移量。这样,就有三个自由度的分量,这
势必使向量传感器复杂化,并使整个系统的价格更昂
贵。
而电子稳像方法就是采用直接从像面上来确定像
偏移,并进行补偿的方法。这时被摄对象和摄像系统
之间的相互运动向量决定于图像偏移测量系统,图像
器,抖动图像传感器采集到的信号通过门限仪生成图
像扫描脉冲
[4]
。扫描时间是由专门的计算装置来选
择,其目的就是为了保证算法的适应性。即对于不同
的光照度、运动速度、抖动幅度、目标与背景的反差度
来选择最佳的扫描时间。这时系统的精度主要决定于
抖动图像传感器和信号转换的精度。
在系统随机振动时补偿图像偏移的情况,可以以
采用电荷耦合器件作为光电转换器的系统为例。
文献[5]中描述了一种新型的电视摄像系统,这种
系统可以补偿振动和摄像系统的任何形式的运动。系
偏移测量系统可以是这样或那样的算法,该算法就是
对图像进行处理来分离出运动向量。可以看得出来,
这样能采用直接稳像方法的系统主要是采用电荷耦合
器件和变像管作为光电转换器件的系统。进入90年
代后,随着计算机技术和大规模集成电路技术(VLSI)
的迅猛发展,计算机产品的性能迅速提高,图像处理设
备的价格持续下降,这些变化为数字图像处理的发展
提供了良好的条件。人们研究的重点开始从传统的光
学稳像、机械稳像,转向利用计算机来进行电子稳像技
术的研究。从整个稳像技术研究的历史来看,利用纯
数字图像处理的方法进行图像稳定的研究是当前稳像
研究发展的趋势,稳像方面的纯数字图像处理方法本
质上是数字化的电子稳像。与传统的光学稳像、机电
结合的稳像方法相比,电子稳像具有易于操作,更精
确,更灵活,体积小以及价格低,能耗小等特点,同时由
于大规模集成电路技术的不断提高,又便于实现设备
的小型化。可见电子稳像方法将是观瞄或摄像系统中
的更新换代的稳像方法。
3 电子稳像系统分析
通过对稳像方法的比较和分析,可以发现,电子稳
像的优点在于不仅可以稳定光学系统的移动,也可以
对目标进行跟踪,且可能补偿任何形式的作用量,而不
依赖任何支撑系统。目前,在美国、法国、俄罗斯、英
国、以色列等技术发达国家都对电子稳像系统进行了
较深入的研究,日本、韩国也在家用摄录机图像稳定技
术进行了研究和开发,目前电子稳像系统无论是在军
事还是在民用方面的应用也越来越引起人门的重视。
我们来看几种电子稳像系统。
比较早的电子稳像系统应该是美国/Itek0公司出
产的电子稳定系统
[3]
。这种系统采用变像管作为光
电转换器件,像成在光电阴极上,变像管内装有两个方
向相互垂直的电磁线圈,两个电磁线圈产生的电场力
加到电子束上来修正仪器移动引起的像偏移。
在前苏联,为了观测抖动的图像应用了频闪传感
72
统包含四个串联环节:局部运动向量发生器、帧运动向
量发生器、补偿瞬间运动向量发生器以及图像读出控
制器。图像读出控制器的作用是由帧存储器中读出考
虑了运动向量的图像帧。
文献[6]中对于图像稳定建议采用运动向量检测
器和帧存储器。在运动向量检测器中图像被分为四部
分,并计算出相邻帧图像的相关性。由计算机自动选
择合适的向量来稳定图像。
文献[5]中给出的是观测抖动图像的稳定装置。
比如,在运动的载体上进行摄像,像偏移决定于载体的
运动向量,并计录到存储器中进行处理。当偏移信号
较大时,可以减小曝光时间,来减小抖动对象的模糊程
度。
综上所述,
电子稳像系统
的实质可以用
方框图1描述。
图中,光电转换
器将光信号转
换为电信号,转
换后的图像信
图1 电子稳像示意图
号分别输入到执行机构和视频处理器中,在视频处理
器中对图像进行处理,分离出运动向量,确定像偏移
量。执行机构对其像偏移进行补偿,达到稳像的目的。
该系统中也就是相对输入图像进行采样,放入存储器
中,并与后续图像进行比较,由高速数字信号处理器
(DSP)计算出像偏移量
[8]
。在得到这些参数之后,就
可以进行图像配准,对图像中的每一个像素重新定位,
达到补偿目的。
图像偏移补偿包括:
(1)图像分割,即将视频图像分成静止和运动部
分。
(2)运动检测与估值,就是检测运动类型,估计运
动物体的位移值。
(3)运动补偿,用位移估值进行补偿预测。
第1期 韩绍坤,等: 电子稳像技术及其发展
可见,电子稳像技术最为主要的是图像偏移运动
的估值。目前运动估值技术发展方向主要包括:
#并行算法。并行处理是当今计算机科学发展的
方向,采用并行算法易于制造成高速度、低成本的硬
件。
#神经网络方法。充分利用神经网络的优良性能。
#二维运动出平移之外,还可能包括旋转和缩放。
如何有效地检测和估计物体的旋转运动和缩放变化,
是运动估值技术进一步研究的课题。
#为了满足因CCD摄像系统运动而造成对图像全
局性运动估值的要求。近年来出现了对全局运动参数
估值的算法。
#使用运动估值与矢量量化相结合的方法来提高
帧间预测的精度。例如,对于误差小于某一门限的图
像子块,使用块匹配估值方法
[7]
。而对误差大于某一
门限的矢量(图像子块),使用矢量化方法,以此来减小
预测误差。该估值方法的目的是检测两帧(或两场)将
图像运动偏移,为达到实时和可靠要求,也可根据需要
选择有代表性的像素点,只检测该像素点处的运动偏
移,并设计相应的运动检测算法,由于视场的变化,经
一段时间后,需要选择新的代表点。为了预测当前帧
上代表性的像素点的稳定位置,要利用其运动轨迹,同
时基于稳定位置的运动检测法减小匹配点的搜索范
围,提高搜索效率和可靠性。总之,运动估值技术的研
(上接第70页)
踪电子束在不同结构时的运动轨迹计算结果。
阳极端口电子束斑大小
D
W
/H
栅极孔径/mm阴极电位/kV阳极电位/kV束斑尺寸/mm
6167
710
7141
7141
7141
110
017
110
110
110
-016
-016
-016
-018
-016
4010
4010
4010
5010
5010
01015590
01028035
01011740
01012263
01010391
究都是围绕着实时性与估计精度这对矛盾展开的。
通过对电子稳像系统的分析,可以得出以下结论:
)))电子稳像系统,理想的应是不包含任何附加
的机械、光学、光电转换器。
)))电子稳像系统,是以这样或那样的算法对图
像进行处理来分离出运动向量,确定出像偏移量,并对
其偏移进行补偿,达到稳像的目的。
参考文献:
[1]LewisGR1ImageStabilizationTechniquesforLangRangCamera
[J]1Proc1SPIE,1980,242(8):1251
[2]LewisGR1Three-AxisImageStabilizationWithaTwo-AxisMir2
ror[J]1SPIE,1980,115(6):1081
[3]