基于MEMS惯性参数的电子稳像系统设计与实现

摘要

采用以 FPGA为核心的处理平台，设计了对模拟/数字视频信号进行采集、存储、帧间矫正的实时电子稳像系统。摄像机会随动平台的晃动产生沿水平或垂直方向的平移抖动和绕摄像机三个轴方向的旋转抖动，这种随机抖动会使输出视频变得不连贯。本文提出了一种基于MEMS惯测传感器和FPGA的快速图像矫正算法，消除摄像机随机晃动对输出视频的影响。采用帧间稳像技术，将摄像机输出的抖动视频信号，存储在视频帧存储器，利用高速MEMS惯测传感器测得摄像机全局运动，进一步计算出帧间偏移矢量和偏移地址，根据新地址从帧存储器中读取每一个像素信息，使其在显示器上的像素点沿帧偏移矢量反方向等位移量移动，补偿每一帧的像素偏移，从而使图像稳定显示。结果表明该方法不仅能够补偿视频中的平移抖动，还可以补偿视频中的旋转抖动，达到良好的稳像效果。本文主要研究工作如下：
　　首先分析了摄像机不同运动方式对实时视频图像的影响，选取合适的算法来进行运动估计和运动补偿。针对摄像机平移运动和旋转运动推导出矫正矩阵，并用FPGA实现矩阵运算，完成图像补偿。
　　由于该电子稳相系统要依赖高精度MEMS惯测传感器来准确的感应摄像机的晃动，对选用惯测传感器的速度、精度、误差进行了分析，以确保其能满足系统的实时性、精确度要求。
　　最后根据稳像系统的功能需求，设计出系统总体结构及硬件电路。包括硬件系统所必须的与外部接口模块、配置模块、传感器模块和一些辅助模块。并基于FPGA设计了控制模块、算法模块以及算法流程。
　　该设计利用FPGA实现图像稳像算法，消除了摄像机随机晃动对所拍摄视频的影响。充分发挥了FPGA在实时性、并行计算方面的优势，不仅提高图像处理的速度和系统运行效率，而且很容易实现小型化和集成化，便于在不同平台上移植，有利于降低整个视频系统的成本，因此具有良好的应用前景。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 电子稳像技术的应用

1.3 国内外研究概况

1.4 本文主要工作及章节安排

2 电子稳像系统需求分析与方案

2.1 系统功能需求分析

2.2 系统总体方案

2.3 本章小结

3 基于惯测参数的数字视频稳像方法

3.1 摄像机几何模型

3.2 摄像机随机抖动分析

3.3 运动估计

3.4 运动补偿

3.5 本章小结

4 电子稳像处理电路设计

4.1 基于FPGA的硬件电路设计

4.2 系统的外部接口

4.3 硬件模块详细设计

4.4 PCB设计

4.5 本章小结

5 稳像算法的FPGA实现

5.1 算法流程

5.2 FPGA内部模块设计

5.3 本章小结

6 实验结果

7 总结与展望

致谢

参考文献