空间天文望远镜自适应精密稳像闭环控制

针对空间天文望远镜低频段视轴扰动补偿问题,提出了一种基于主动光学技术的自适应精密稳像闭环控制方法。该方法以精细导星仪(Fine Guide Sensor,FGS)为高精度视轴扰动检测器,以四点支撑压电驱动大口径快摆镜机构(Fast Steering Mirror,FSM)为视轴扰动补偿器。首先,采用位置式PID控制器串联积分环节进行精密稳像闭环控制,得到补偿FGS检测出的二维视轴扰动所需FSM的二维摆动角度,进而根据驱动结构转换为每个支撑点的压电陶瓷执行器(Piezoelectric actuators,PZT)的伸缩量。然后,利用基于广义Bouc-Wen逆模型的压电动态迟滞前馈补偿方法进行高精度的压电陶瓷执行器定位控制。最后,根据有监督的Hebb学习规则,利用具有自学习和自适应能力单神经元对PID控制器参数进行调整,从而得到最优控制器参数。实验结果表明,所提控制方法能够有效地补偿空间天文望远镜的视轴偏差,可以将精细导星仪X方向和Y方向的星点质心位置偏差功率谱密度在0~6 Hz频段内积分值分别抑制了98.54%和98.62%。

基于压电电机的光学稳像平台

结合压电电机响应快,定位精度高及控制性能好的特点,设计了一款基于压电电机的光学稳像运动平台。利用COMSOL对电机定子进行有限元仿真,分析了定子的工作原理及响应特性。通过实验测得电机的最佳工作频率及预压力,并分析了响应速度与激励电压、工作频率、预压力之间的关系。采用多种控制方法进行定位测试,利用PID加步进的复合控制模式,实现了误差250 nm内的较高精度定位控制。

基于Harris和卡尔曼滤波的农业机器人田间稳像算法

针对田间颠簸环境影响农业机器人采集实时稳定图像问题,提出了基于Harris和卡尔曼滤波的农业机器人田间稳像算法。首先,利用摄像头获取田间抖动视频图像序列,进行图像子区域划分并计算各区域灰度均方差,进而确定各区域Harris角点阈值;通过自适应角点阈值设置,增加角点距离约束,完成图像角点检测。然后,对检测出的角点进行光流跟踪,计算出帧间运动估计参数。最后,利用自适应卡尔曼滤波算法对运动估计参数进行平滑操作并动态调整滤波平滑性能,获得精确运动估计矢量。测试结果表明,改进后的Harris角点检测算法区域平均分布标准差减小;自适应卡尔曼滤波算法在保证平滑随机运动前提下,跟踪主动运动性能平均提升30.75个百分点;稳像后的图像峰间信噪比提升15.93%,单帧处理时间为25.66 ms,满足农业机器人30 f/s高速图像采集时同步稳像对实时性要求。

一种基于Star算法的多路视频稳像方法研究

目前,基于特征点匹配的稳像算法中存在特征点提取速度慢、误匹配率高,以及多目相机的多路视频稳像太过耗时、实时性不好的问题,提出了一种基于Star特征点提取算法的多路视频快速稳像方法。首先采用Star算法提取视频当前帧特征点,然后采用光流法结合当前帧特征点信息跟踪预测下一帧对应的特征点,以加快特征点提取速度,同时减少所提取的特征点错误匹配率。通过对匹配的特征点求取相应的仿射变换矩阵获取帧间运动矢量,进而采用卡尔曼滤波器对帧间运动矢量进行滤波处理,以滤除其中的相机随机抖动矢量并保留相机的主观运动矢量。最后依据滤波后的运动矢量进行图像补偿得到稳定的图像序列。针对复眼导引头存在的多路视频抖动情况,基于OpenMP并行开发库,利用多核处理器的优势,实现了多路抖动视频的并行实时稳像。所设计的数字稳像算法在PC平台下对4路抖动视频(OTB100的BlurCar系列视频,分辨率为640×480,帧率为30 FPS)并行稳像的结果参数为:峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio,PPSNR)平均提升了4.62 dB,单帧耗时平均为14.51 ms。经仿真实验证实,算法的计算效率和特征点匹配正确率高,可实现多路输入视频的实时稳像。

适用于扑翼飞行器的双滤波电子稳像方法

针对扑翼飞行器航拍视频抖动问题,提出一种基于角点检测的双滤波电子稳像算法。首先使用FAST角点检测算法和KLT算法,求解图像内特征点的局部运动矢量,并通过最小二乘法拟合得到帧间的全局运动矢量,然后采用Kalman滤波和Savitzky-Golay滤波相结合的双滤波算法,从全局运动参数中提取出需要保留的主动运动参数,之后利用相邻帧补偿方法对图像进行运动补偿,接着通过裁剪法修复未定义区,最终得到相对稳定的视频。实验结果表明,上述方法能够有效减小扑翼飞行器航拍视频的抖动现象。

塔机吊钩可视化系统的视频稳像算法

针对施工现场工况复杂,塔机吊钩视频稳像效果差的问题,本文提出了一种改进ORB特征匹配与固定滞后Kalman滤波相结合的吊钩视频稳像算法.在图像运动估计中,对经典ORB算法进行改进,采用了图像分块与自适应阈值的特征点提取,并引入图像四叉树算法提高图像特征点分布均匀性;在此基础上,采用背景补偿结合帧间差分法,快速识别局部运动目标并进行剔除,提高了全局运动参数估计的准确性;在运动滤波和补偿阶段,采用固定滞后Kalman滤波算法去除随机抖动分量,以获得视频去抖动的运动补偿参数,进而实现塔机吊钩可视化系统监控视频的稳像处理.实验结果表明:与经典ORB加Kalman滤波的稳像算法相比,本文所提出的稳像算法帧间变换保真度ITF提升了约9.12%,结构相似度平均值SSIM提升了约2.75%,获得了更好的稳像效果,且帧处理速率FPS达到了29.65 f/s,满足塔机实时监控要求.

基于稳像的星敏感器动态精度提升方法研究

星敏感器在高动态工况下的拖尾现象降低信噪比,影响产品姿态测量精度.本文设计了一种星敏感器稳像方法,利用陀螺获取星敏感器角速度,在星敏感器曝光期间利用像面驱动器带动成像芯片补偿运动实现稳像,可以减小甚至消除拖尾,提升星敏感器在动态工况下的测量精度.实验验证表明稳像补偿后星敏感器定心精度比稳像补偿前提高了57.2%,相比多帧叠加算法也有明显优势.稳像补偿后星点高斯半径、能量峰值以及相关系数等指标相比稳像前也均有大幅改善.该稳像方法可广泛应用于具有高动态应用场景的星敏感器和其他光电成像仪器中.

稳像技术

介绍了稳像技术的应用领域以及光学稳像和电子稳像的各种实现技术,阐述了基于图像处理的电子稳像技术原理,并根据车载红外热像仪的特点,提出了简单可行的稳像方法。

基于顶点轮廓的鲁棒性抗前景干扰稳像算法

为了解决复杂运动前景对稳像精度干扰的难题,提出了一种基于顶点轮廓的鲁棒性抗前景干扰稳像算法。先对输入视频检测FAST特征,将图像划分为m*n的网格,结合基于金字塔的Lucas-Kanade光流算法得到特征匹配对;并根据运动矢量的相似性,利用中值滤波器f1生成基于网格顶点的稀疏运动矢量。通过时间分析法识别出具有不连续运动矢量的网格顶点,剔除“离群”顶点处的运动矢量,并利用中值滤波器f2对缺失的运动矢量进行补全,实现运动矢量的空间平滑。最后形成顶点轮廓,并结合多路径平滑策略实现图像稳定。实验结果表明:当处理大范围和多运动前景干扰的情况时,上述算法比传统稳像算法的PSNR值分别高14.9%和13.2%,视频的过渡更加平滑,且具有更好的稳像精度和鲁棒性,运行效率也更高。

基于变分模态分解和长短期记忆网络的大平移抖动电子稳像算法

山地车载光电系统在采集图像的过程中经常出现大平移随机抖动,造成视频模糊、稳定性较差等问题。均值滤波法和小波变换法等算法通常根据帧间运动的物理特性(如频率、幅值等)建立数学模型。针对该类算法通常基于先验的滤波算子进行处理,缺乏一定的自适应性,难以适用于复杂的电子稳像应用环境的问题,提出一种基于变分模态分解(VMD)和长短期记忆(LSTM)网络的自适应电子稳像算法。通过对全局运动矢量序列依频率信息进行自适应分解,以获得一系列具有窄带特性的本征模态函数(IMF);同时,结合IMF的时空域信息,将IMF作为训练变量,搭建LSTM网络模型,对IMF进行分类,筛选出有意运动主导的IMF并重构出有意运动矢量序列,实现视频的稳定。实验结果表明,与均值滤波法和小波变换法等算法对比,所提算法所得结果分类准确度最高(最低91.4%),通过深度学习网络对频率、幅值、时空域信息等进行综合评判,对大平移抖动稳像有明显的提升效果,具有更好的鲁棒性。

基于CLAHE与卡尔曼滤波的掘进机机载视频稳像算法

掘进机等煤机装备在行进或作业期间,易因车体振动引起机载相机视频模糊,导致基于机载视频的机器视觉检测精度和可靠性下降。针对该问题,提出一种基于CLAHE与卡尔曼滤波的掘进机机载视频稳像算法。该算法由运动估计、轨迹平滑和运动补偿3个部分组成。在运动估计阶段,先采用限制对比度自适应直方图均衡(CLAHE)算法对井下巷道图像进行增强处理,再利用Shi-Tomasi算法获取每帧图像的特征点,对获取的特征点进行光流追踪和匹配,进而计算出相机的运动轨迹。在轨迹平滑阶段,利用卡尔曼滤波,根据视频前一帧的最优值预测当前时刻值,避免均值滤波需预先存储采样数据的问题,提高稳像的实时性。在运动补偿阶段,根据原始运动路径和平滑路径的关系对抖动视频逐帧补偿,生成稳定的视频序列。实验结果表明:(1)经CLAHE增强处理后,特征点匹配成功率比未增强处理时提高了58%,比HE增强处理时提高了43%,说明CLAHE算法可有效提高图像特征点匹配数。(2)通过像素偏移分析、差分图分析、峰值信噪比(PSNR)分析,验证了基于CLAHE与卡尔曼滤波的掘进机机载视频稳像算法具有较好的稳像效果。(3)与传统的HE+均值滤波算法相比,基于CLAHE与卡尔曼滤波的算法处理100帧视频图像的整体耗时减少了0.379 s,在去除抖动的同时,有效提高了稳像的实时性。

一种双轴导引头稳像平台系统及控制策略

针对总体需求结合某横向型号提出了一种双轴导引头稳像平台系统机构及其控制策略,对其特征回路(搜索、跟踪)利用数字仿真软件进行数学建模和仿真。通过反复迭代优化控制参数,完成工程软件实现并通过实物隔离度测试。试验数据表明,该导引头稳像平台系统控制算法具备可行性与有效性,其主要指标均满足总体要求。

电子稳像技术概述

随着电视摄像系统在各领域中的广泛应用，对图像信息的稳定性要求也在不断提高。而图像的不稳定主要是由摄像机载体的运动导致的，因此运动载体上的电视摄像系统需安装稳像系统 电子稳像是新一代的稳像方法，它利用数字信号处理等技术实现实时、高精度地稳定动态图像。本文介绍了电子稳像技术的原理、实现方法、主要算法以及评定其优劣的方法。

基于改进运动矢量估计法的视频稳像

提出用改进的运动矢量估计方法对视频序列进行运动补偿,以有效去除机载成像设备摄取视频序列的帧间抖动,实现电子稳像。介绍了BRISK算子提取特征的模型和算子描述方式,利用BRISK算子提取相邻帧的稳定特征点并进行匹配,结合参数仿射变换模型实现帧间运动矢量粗估计。为了提高运动矢量估计的精度,引入粒子滤波解决因特征点景深不同引起的运动矢量估计失准的问题,继而采用加权最小二乘法改进运动矢量估计。最后采用卡尔曼滤波从全局运动矢量里分离出运动补偿分量,对视频序列进行逐帧补偿。实验表明,视频序列稳像后的帧间变换保真度值提高了近3db,显示提出的的稳像算法可以处理复杂运动下视频的帧间抖动,且快速准确并具有一定的鲁棒性。

电子稳像中稳像质量评价方法研究

在使用电子稳像算法对抖动视频序列进行稳像后,如何对稳定后的图像序列进行评估,目前尚未有一个统一的评价标准。对目前常用的主、客观稳像图像评价方法进行介绍分析,考虑不同的场景使用不同的评价方法。分析人眼视觉特性,认为结合人眼视觉特性的评价方法能较为全面客观的反映稳像图像质量是未来图像质量评价的发展方向。为进一步研究稳像图像质量评价提供理论基础。

基于稳像技术的高速水面艇角点特征提取技术

为了提高对高速水面艇的主动检测和识别能力,提出基于数字稳像技术的高速水面艇角点特征提取算法。采用无线传感信息跟踪方法实现对高速水面艇的光学视觉传感检测,对提取的高速水面艇分布图像进行融合滤波处理,采用边缘轮廓检测方法提取高速水面艇的边界信息,结合目标方位估计和电子稳像技术,实现对高速水面艇的动态参数识别和实时性稳像处理,采用Harris区域角点特征提取方法实现对高速水面艇的特征点标定和动态跟踪识别,通过图像的子块特征分布进行水面艇的角点特征提取,根据角点包络分布融实现对高速水面艇识别检测。仿真结果表明,采用该方法进行高速水面艇角点特征提取的信息聚类性较好,对水面艇的电子稳像能力较强。

电子稳像系统中陀螺仪应用发展概况

本文介绍了电子稳像技术及视频稳像系统中陀螺仪的发展趋势,描述了激光陀螺仪,光纤陀螺仪以及MEMS陀螺仪的工作原理及优缺点,说明随着微机械加工工艺和陀螺仪的设计技术水平不断提高,基于MEMS陀螺仪的电子稳像系统将成为未来稳像装置的发展方向。电子稳像是由光学稳像,机械稳像发展而来的稳像技术。随着计算机技术、大规模集成电路技术的迅猛发展和数字图像处理技术的不断完善,体积小,价格低廉,功耗小的电子稳像技术逐渐成为未来稳像技术的主要发展方向。

耦合扰动下船载成像系统的复合稳像

针对船载精密成像系统在船体晃动时产生的杆臂牵连平动和等效圆锥旋转,提出了一种将惯性量测信息引入电子稳像技术对耦合干扰进行补偿的方法。首先,基于俯仰-偏航式光学稳定平台分析其在视线稳定过程中所产生的等效圆锥旋转,推导了视线旋转角与平台转角之间的数学关系。然后,分析了杆臂牵连平动对像点虚化的影响,并结合圆锥旋转构建了耦合扰动模型;针对耦合扰动模型提出利用惯性测量信息复合电子稳像的方法来实现低特征背景下的高精度稳像。最后,通过半实物仿真验证了该方法在低特征环境中的成像稳定精度和实时性。结果显示:提出的方法能够有效补偿俯仰-偏航式稳定平台转动以及船体晃动时形成的耦合干扰,在低特征环境中具有较高的成像稳定精度和实时性,修正误差为亚像素级。图像稳定后的峰值信噪比平均提高了4dB,基本满足船载光学精密探测系统对实时性、精度、抗干扰能力和稳定性的要求。

电子稳像算法精度评价方法研究

提出一种评价电子稳像算法精度的方法,解决了某些情况下,常用稳像评价方法不能有效对稳像效果进行评价的问题。该方法用同一种标准可以评定不同特征和运动规律的图像序列,其评价的效果将有助于电子稳像算法的改进,促进该项技术的进一步发展。

车载实时视频稳像系统研究与设计

通过对惯性稳像技术和电子稳像技术的分析,提出了一种新颖的坦克装甲车辆视频稳像设计理念,即在低成本的速率陀螺平台稳定的基础上采用电子稳像进行二次精稳,可有效提高图像稳定精度并能解决三级海况条件下的图像平移问题;主要论述了视频稳像系统的组成、工作原理和关键技术,建立了图像运动模型并工程实现了视频稳像系统快速原型——周视稳定观瞄镜;试验结果表明,该系统实现了视频稳像一级稳定的稳定精度要求(已高达0.2mil),而且跟踪平稳,快速性好;为车载稳像观瞄系统提供了成本低、性能优良的图像稳定系统,在军事及民用领域中具有广阔的应用前景。