CN112954134A - 一种车载稳像显示补偿方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车载稳像显示补偿方法及系统，包括以下步骤获取车载视频图像并进行前后帧图像预处理；将经过预处理的图像通过特征匹配提取仿射矩阵，进而得到匹配后的图像序列；将相邻帧的图像序列进行运动类型判断，根据运动类型进行显示补偿和前后帧更新，得到最终稳定图像。该系统包括车载成像组件，用于采集车辆的图像视频数据和惯导数据；工控机，用于处理图像视频数据和惯导数据；所述工控机设置有用于图像实时显示的显示组件。本发明在不影响驾驶员对稳像后图像的信息获取情况下，增加了稳像后图像画面的显示的范围和消除了稳像后不重合区域的黑边问题。

Description

一种车载稳像显示补偿方法及系统
技术领域
本发明涉及车载系统稳像补偿技术领域，特别涉及一种车载稳像显示补偿方法及系统。
背景技术
近年来随着计算机视觉技术的快速发展，越来越多的相机设备运用到各种移动平台。针对闭舱驾驶环境或者远程遥控行驶条件下，驾驶员只能通过相机获取外界路况信息，越野颠簸路况带来的车辆抖动，造成相机获取画面剧烈抖动的问题。常用的稳像技术主要分为三类：光学稳像、机械稳像和电子稳像。综合稳像精度、控制方式、维护复杂度以及体积、成本和功耗等方面考虑，电子稳像技术具有稳像精度高、设备体积小、控制方式简单等优势；因此，电子稳像技术已经成为稳像技术领域的研究热点。
现有技术的不足之处在于，现有图像处理方法无法处理由于车体抖动导致相机平移或旋转，后一帧出现多余部分图像，以及原先不重合的部分会形成黑边。传统剪切黑边的方式是将缺失像素利用某一固定像素替代，影响整体的视觉效果。
发明内容
本发明的目的克服现有技术存在的不足，采用一种车载稳像显示补偿方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
一种车载稳像显示补偿方法，具体步骤包括：
获取车载视频图像并进行前后帧图像预处理；
将经过预处理的图像通过特征匹配提取仿射矩阵，进而得到匹配后的图像序列；
将相邻帧的图像序列进行运动类型判断，根据运动类型进行显示补偿和前后帧更新，得到最终稳定图像。
作为本发明的进一步的方案：所述获取车载视频图像并进行预处理的具体步骤包括：
将获取的视频图像数据与车载惯导数据进行时间同步，并设置初始帧为基准帧；
提取该视频图像中相邻两帧图像进行灰度处理。
作为本发明的进一步的方案：所述将经过预处理的图像通过特征匹配提取仿射矩阵，进而得到匹配后的图像序列的具体步骤包括：
首先根据预处理的图像通过特征匹配提取仿射矩阵，并得到原始仿射矩阵参数；
再利用卡尔曼滤波得到平滑后的仿射矩阵参数，同时得到匹配后的图像序列；
通过设置调整增益旋钮参数，调整仿射矩阵参数运用到后一帧图像，进而改变稳像后的画面大小及抖动幅度。
作为本发明的进一步的方案：所述通过设置调整增益旋钮参数，调整仿射矩阵参数的具体步骤包括：
获取平滑后的仿射矩阵
Figure BDA0002949013400000021
通过设置调整增益旋钮参数km，改变图像的抖动幅度，得到调整后的T adjust：
Figure BDA0002949013400000022
其中，
Figure BDA0002949013400000023
为相邻两帧图像之间的角度变换关系，(dx,dy)T为图像同一像素点在相邻两帧之间的位移，km为增益旋钮参数，km的范围为[0,1]。
作为本发明的进一步的方案：所述将相邻帧的图像序列进行运动类型判断，根据运动类型进行显示补偿和前后帧更新，得到最终稳定图像的具体步骤：
首先根据得到的相邻帧的图像序列进行车体运动类型判断；
若车体运动为平移，则获取补偿平移量进行平移补偿；
若车体运动为旋转，则将前后两帧图像的角度变换量
Figure BDA0002949013400000024
代入显示补偿仿射变换矩阵中。
作为本发明的进一步的方案：所述若车体运动为平移，则获取补偿平移量进行平移补偿的具体步骤包括：
判断平移类型；
若为俯仰运动，获取俯仰时图像相对于原图像的补偿平移量，利用补偿平移量和俯仰角规则对画面进行调整；
若为偏航运动，获取偏航时图像相对于原图像的补偿平移量，利用补偿平移量和偏航角规则对画面进行调整；
再进行相邻帧补偿，第j帧的图像Ij与第一帧图像I1的关系为
Ij＝Tj-1·Ij-1＝Tj-1·Tj-2·Ij-2＝…＝Tj-1·Tj-2…T1·I1
其中，T为两帧之间的仿射矩阵；
最终获得增加稳像后的显示范围和无重合区域黑边的稳定图像。
作为本发明的进一步的方案：所述补偿平移量的公式为
X＝f*tanβ-f*tan(β-kmΔθ)；
其中，f是摄像头焦距，Δθ为相邻两帧图像对应的偏航角或俯仰角之差的绝对值，β为相机水平或垂直视野的一半，km为增益旋钮参数。
一种包括如上任一项所述的车载稳像显示补偿方法的车载稳像系统，包括
车载成像组件，用于采集车辆的图像视频数据和惯导数据；
工控机，用于处理图像视频数据和惯导数据；
所述工控机设置有用于图像实时显示的显示组件。
作为本发明的进一步的方案：所述车载成像组件包括车载平台、成像单元以及惯导装置。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
通过采用上述的技术方案，首先将车载惯导数据与视频图像数据进行时间同步，使用特征匹配方法提取前后帧图像的仿射变换参数；图像序列频率与车体抖动频率相关，针对不同驾驶员对抖动的适应性存在差异，通过增益旋钮调节仿射变换参数，改变图像的抖动幅度，将调整后的仿射变换参数运用到后一帧图像上，进而增加初步稳像后的显示画面范围；运用同步的车载惯导数据对初步稳定图像进行位置显示补偿，先根据惯导数据对车体运动进行判别，对俯仰运动、偏航运动和横滚运动在初步稳定图像上进行显示补偿。在不影响驾驶员对稳像后图像的信息获取情况下，增加了稳像后图像画面的显示范围和消除了稳像后不重合区域的黑边问题。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1为本申请公开的一些实施例的车载稳像显示补偿方法的流程示意图；
图2为本申请公开的一些实施例的抖动幅度调节流程图；
图3为本申请公开的一些实施例的仰角时经仿射变换后图像画面俯仰补偿模型示意图；
图4为本申请公开的一些实施例的仰角时图像画面高度平移量计算示意图；
图5为本申请公开的一些实施例的左偏时经仿射变换后图像画面偏航补偿模型示意图；
图6为本申请公开的一些实施例的偏航时图像画面水平平移量计算示意图；
图7为本申请公开的一些实施例的相邻帧补偿算法流程图；
图8为本申请公开的一些实施例的车载稳像系统的结构示意图。
图中：1、车载成像组件；11、车载平台；12、成像单元；13、惯导装置；2、工控机；3、显示组件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，本发明实施例中，一种车载稳像显示补偿方法，具体步骤包括：
S1、获取车载视频图像并进行前后帧图像预处理；；
将获取的视频图像数据与车载惯导数据进行时间同步，并设置初始帧为基准帧；
提取该视频图像中相邻两帧图像进行灰度处理。
具体的，对图像进行灰度处理的步骤为：对要处理的像素点选用3×3的模板，以中心像素点邻域灰度值的中值代替该像素点的灰度值，即将模板内像素点灰度值进行升序或降序排列，取排列后的中值代替中心像素点的灰度值，从左到右，从上到下移动模板，依次对图中像素点进行处理。
S2、将经过预处理的图像通过特征匹配提取仿射矩阵，进而得到匹配后的图像序列；；
在一些具体的实施例中，如图2所示，图为抖动幅度调节流程图，首先将原始图像经过特征匹配的方法，得到原始仿射矩阵参数，再利用卡尔曼滤波得到平滑后的仿射矩阵参数，之后再根据驾驶员能够接受抖动的差异性，通过调节增益旋钮参数km,调整仿射矩阵参数，进而改变稳像后画面范围的大小，并输出驾驶员可接受最大的抖动幅度图像。
首先根据预处理的图像通过特征匹配提取仿射矩阵，并得到原始仿射矩阵参数；
再利用卡尔曼滤波得到平滑后的仿射矩阵参数，同时得到匹配后的图像序列；
通过设置调整增益旋钮参数，调整仿射矩阵参数运用到后一帧图像，进而改变稳像后的画面大小及抖动幅度。
获取平滑后的仿射矩阵
Figure BDA0002949013400000051
通过设置调整增益旋钮参数km，改变图像的抖动幅度，得到调整后的T adjust：
Figure BDA0002949013400000052
其中，
Figure BDA0002949013400000053
为相邻两帧图像之间的角度变换关系，(dx,dy)T为图像同一像素点在相邻两帧之间的位移，km为增益旋钮参数，km的范围为[0,1]。
在一些具体的实施例中，取km＝1进行稳像操作，此时调整后得到Tsmooth＝Tadjust，抖动幅度最小，稳像效果最好。
对后一帧图像进行仿射变换，得到初步稳定的视频序列，原始图像序列经过仿射变换后得到初步稳定序列，同时相邻图像帧不重合部分会出现黑边。接下来进行黑边图像进行位置补偿。
S3、将相邻帧的图像序列进行运动类型判断，根据运动类型进行显示补偿和前后帧更新，得到最终稳定图像。
首先根据得到的相邻帧的图像序列进行车体运动类型判断；
若车体运动为平移，则获取补偿平移量进行平移补偿；
若车体运动为旋转，则将前后两帧图像的角度变换量
Figure BDA0002949013400000061
代入显示补偿仿射变换矩阵中。
判断平移类型；
若为俯仰运动，获取俯仰时图像相对于原图像的补偿平移量，利用补偿平移量和俯仰角规则对画面进行调整；
具体的，对于俯仰运动，如图3和图4所示，分别为发生仰角时经仿射变换后图像画面俯仰补偿模型和图像画面高度平移量计算示意图，先按照俯角规则和仰角规则对画面进行调整，规则具体如下：
俯角规则：[0,height-Y]；
仰角规则：[Y,height]；
其中，height为整个图像的宽度，Y为补偿平移量。
如图4所示，对俯仰平移量进行计算，Y是俯仰时图像相对于原图像的平移量：
Y＝f*tanα-f*tan(α-kmΔθ1)
其中f是摄像头焦距，Δθ1为相邻两帧图像对应的俯仰角之差的绝对值，α为相机垂直视野的一半，采集频率较快，无需考虑车速的影响，且L是俯仰时车辆上下的偏移量，L远小于焦距f，可忽略不计，全程摄像头与车辆刚性连接，f不会发生变化，始终垂直于投影幕，km为增益旋钮参数。
若为偏航运动，获取偏航时图像相对于原图像的补偿平移量，利用补偿平移量和偏航角规则对画面进行调整；
具体的，对于偏航运动，如图5和图6所示，分别为发生偏航时经仿射变换后图像画面偏航补偿模型和图像画面水平平移量计算示意图，先按照左转规则和右转规则对画面进行调整，规则具体为：
左转规则：[0,width-X]；
右转规则：[X,width]；
其中，width为整个图像的宽度，X为补偿平移量，图6为水平平移量计算示意图。
X是偏航时图像相对于原图像的平移量：
X＝f*tanγ-f*tan(γ-kmΔθ2)
其中f是摄像头焦距，Δθ2为相邻两帧图像对应的偏航角之差的绝对值，γ为相机水平视野的一半，采集频率较快，无需考虑车速的影响，且L是水平时车辆左右的偏移量，L远小于焦距f，可忽略不计，全程摄像头与车辆刚性连接，f不会发生变化，始终垂直于投影幕，km为增益旋钮参数。
之后进行相邻帧补偿，第j帧的图像Ij与第一帧图像I1之间的关系可表示为：
Ij＝Tj-1·Ij-1＝Tj-1·Tj-2·Ij-2＝…＝Tj-1·Tj-2…T1·I1
其中，T为两帧之间的仿射变换矩阵,可以利用仿射变换参数进行补偿，将当前帧相对于前一帧中缺失的平移量，补偿到当前帧中，能够使前后帧重合的最大化。
如果有一帧与相邻帧之间存在较大误差，将会使累积误差变大，可以设置最大运动偏移阈值来限制误差量，当运动矢量超过设置的阈值，原始的基准帧将会被丢弃和当前帧作为基准帧继续进行补偿。通过设置最大阈值进行选取基准帧，当累积误差量提高时，会自动调整基准帧。之后利用仿射变换矩阵和平移量进行补偿，将当前帧相对于前一帧的缺失部分补偿到当前帧修正部分。
具体的，如图7所示，图示为相邻帧补偿算法流程图，首先设置基准帧，进行视频序列输入；然后通过特征匹配计算第j帧和第j-1帧之间的仿射变换矩阵Tj-1；接着判断累积误差量是否大于最大运动偏移量阈值进行之后操作，如果超过最大运动偏移量阈值，基准帧需要进行更新，将当前帧设定为基准帧，如果没有超过最大运动偏移量阈值，进行帧间补偿Ij＝Tj-1·Ij-1+[X Y]T，最后判断视频是否结束，如果视频没有结束，将第j帧更新为第j+1帧，重复上述操作。
对于车辆的横滚运动，通过得到仿射变换矩阵中的角度分量进行调节，具体将前后两帧图像的角度变换量
Figure BDA0002949013400000071
代入显示补偿仿射变换矩阵中。
如图8所示，一种包括如上任一项所述的车载稳像显示补偿方法的车载稳像系统，包括
车载成像组件1，主要是采集车辆在抖动环境下的图像视频数据和惯导数据，为算法提供信号数据输入源。
工控机2，主要是对输入的抖动图像进行算法处理，实现图像的稳定；
所述工控机设置有用于图像实时显示的显示组件3。
该车载成像组件1包括车载平台11、成像单元12以及惯导装置13。
具体的，将成像单元12与惯导装置13用硬件同步，给定同一个触发信号进行触发，再将二者的时间戳对齐。惯导装置13的采集频率高于成像单元12采集频率，所以需要对视频图像进行插值，再选取最近点作为同步惯导信号。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种车载稳像显示补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取车载视频图像并进行前后帧图像预处理；
将经过预处理的图像通过特征匹配提取仿射矩阵，进而得到匹配后的图像序列；
将相邻帧的图像序列进行运动类型判断，根据运动类型进行显示补偿和前后帧更新，得到最终稳定图像。
2.根据权利要求1所述一种车载稳像显示补偿方法，其特征在于，所述获取车载视频图像并进行预处理的具体步骤包括：
将获取的视频图像数据与车载惯导数据进行时间同步，并设置初始帧为基准帧；
提取该视频图像中相邻两帧图像进行灰度处理。
3.根据权利要求2所述一种车载稳像显示补偿方法，其特征在于，所述将经过预处理的图像通过特征匹配提取仿射矩阵，进而得到匹配后的图像序列的具体步骤包括：
首先根据预处理的图像通过特征匹配提取仿射矩阵，并得到原始仿射矩阵参数；
再利用卡尔曼滤波得到平滑后的仿射矩阵参数，同时得到匹配后的图像序列；
通过设置调整增益旋钮参数，调整仿射矩阵参数运用到后一帧图像，进而改变稳像后的画面大小及抖动幅度。
4.根据权利要求3所述一种车载稳像显示补偿方法，其特征在于，所述通过设置调整增益旋钮参数，调整仿射矩阵参数的具体步骤包括：
获取平滑后的仿射矩阵
Figure FDA0002949013390000011
通过设置调整增益旋钮参数km，改变图像的抖动幅度，得到调整后的Tadjust：
Figure FDA0002949013390000012
其中，
Figure FDA0002949013390000013
为相邻两帧图像之间的角度变换关系，(dx,dy)T为图像同一像素点在相邻两帧之间的位移，km为增益旋钮参数，km的范围为[0,1]。
5.根据权利要求4所述一种车载稳像显示补偿方法，其特征在于，所述将相邻帧的图像序列进行运动类型判断，根据运动类型进行显示补偿和前后帧更新，得到最终稳定图像的具体步骤：
首先根据得到的相邻帧的图像序列进行车体运动类型判断；
若车体运动为平移，则获取补偿平移量进行平移补偿；
若车体运动为旋转，则将前后两帧图像的角度变换量
Figure FDA0002949013390000021
代入显示补偿仿射变换矩阵中。
6.根据权利要求5所述一种车载稳像显示补偿方法，其特征在于，所述若车体运动为平移，则获取补偿平移量进行平移补偿的具体步骤包括：
判断平移类型；
若为俯仰运动，获取俯仰时图像相对于原图像的补偿平移量，利用补偿平移量和俯仰角规则对画面进行调整；
若为偏航运动，获取偏航时图像相对于原图像的补偿平移量，利用补偿平移量和偏航角规则对画面进行调整；
再进行相邻帧补偿，第j帧的图像Ij与第一帧图像I1的关系为
Ij＝Tj-1·Ij-1＝Tj-1·Tj-2·Ij-2＝…＝Tj-1·Tj-2…T1·I1
其中，T为两帧之间的仿射矩阵；
最终获得增加稳像后的显示范围和无重合区域黑边的稳定图像。
7.根据权利要求6所述一种车载稳像显示补偿方法，其特征在于，所述补偿平移量的公式为
X＝f*tanβ-f*tan(β-kmΔθ)；
其中，f是摄像头焦距，Δθ为相邻两帧图像对应的偏航角或俯仰角之差的绝对值，β为相机水平或垂直视野的一半，km为增益旋钮参数。
8.一种包括如权利要求1至7任一项所述的车载稳像显示补偿方法的车载稳像系统，其特征在于，包括
车载成像组件，用于采集车辆的图像视频数据和惯导数据；
工控机，用于处理图像视频数据和惯导数据；
所述工控机设置有用于图像实时显示的显示组件。
9.根据权利要求8所述一种车载稳像系统，其特征在于，所述车载成像组件包括车载平台、成像单元以及惯导装置。
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尹丽华等: "基于自适应补偿的电子稳像方法", 《激光与红外》 *

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CN116434128A (zh) * 2023-06-15 2023-07-14 安徽科大擎天科技有限公司 一种基于缓存帧的电子稳像未填充区域的去除方法
CN116434128B (zh) * 2023-06-15 2023-08-22 安徽科大擎天科技有限公司 一种基于缓存帧的电子稳像未填充区域的去除方法

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