## 关于时下新兴的日常图片视频摄像防抖技术的简单介绍与讨论

电子科技大学 格拉斯哥学院 2017级 罗笺颗

  • 摘要

在日常生活中,拍摄图像模糊不清,除了本身设备拍摄精度不高的原因以外,还存在着光线昏暗,拍摄者拍摄技术水平业余等等诸多因素。为此,人们针对各种情况,设计出了诸多获取稳像的方法。而本文旨在简单讨论近来较为新兴的图像防抖方法,并进行横向对比,指出其中的优势与劣势,以便日后设计者等能够针对具体情况,应用更加恰当的技术来防止图像抖动而获取更加清晰且具有一定参考价值的图像以及视频。

  • 前言

稳像技术按照作用机制通 常分为 3 类: 机械稳像、光学稳像、以及电子稳像。光学稳像通过光学部件自适应地调 整光路补偿图像运动,从而达到稳像效果。通过 使用传统陀螺仪传感器等器件记录摄像平台的抖动情况,机械稳像可对伺服系统进行逆向调整,从而达到稳像效果。虽然以上两种稳像技术在图像补偿方面取得了很大的进展,但因电子设备受到体积、成本、便携性等因素的限制,光学稳像和机械稳像往往都不适合被应用到电子设备上。而近来提出的一些新兴稳像技术,以及基于 SfM 的复杂的三维稳像方法,都是直接选用等时间间隔的图像帧来估计并平滑原始相机路径,而忽略了因相机本身的运动速度变化,稳像效果受限较大。因此,本文主要就自适应性、补偿性、实时性,主要介绍并且对比三种能够较好解决拍摄过程中因抖动产生的影片模糊的问题。

  • 基于自适应相机运动速度的视频稳像算法

该算法通过多分辨率重采样的方法,为相机在整个拍摄过程中的 路径移动找到其最佳的匹配速度,保证图像帧采样在空间分布上的均匀性,进而使得视频变得更加稳定。

  • 基于滑动窗口的多项式路径平滑算法
    其基本原理以及操作方法为,通过以相机获取视频的第一帧为参考,原始视频的相邻两帧作为一个帧对进行矩阵变换并迭代计算。在滑动窗口中的相机变换T后,为获取变换矩阵T而,进行若干个多项式拟合,并重复此操作直至视频结束即可获得平滑的优化路径。
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  • 基于自适应速度选择的路径优化算法 依据人的视觉感官经验,相机本身的运动速度与 视频的稳定程度之间存在着一定的关联。确切地说,沿着相同的方向拍摄同一场景,以更快的速度移动相机可以减轻高频噪声对相机路径的影响,使得相机的运动路径更加平滑。因此,此方法通过改变滑动窗口内原始图像帧的采样频率,变相的调整相机在各阶段的运动速度,实现全局速度自适应的路径平滑。
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  • 视频稳像系统

优点:该方法稳像精度较高,且采用的平滑路径算法较为简单,容易理解,具有一定的应用价值。
缺点:通过改变不同时间段获取的视频帧数来使得全局速度自适应路径平滑这一方法有待改进,且算法所涉及的计算量较大。由于本方法阈值的选择只有一个值,当拍摄过程中同时出现意向抖动(主动产生的抖动,例如通过抖动来产生某些艺术效果)和非意向抖动 (外部噪声造成的抖动),该方法无法做到有效区分。另外,本方法不能够较好地另外在拟合图形的时候阈值的选择较为复杂,一旦数值出现偏差,防抖效果便会产生明显下降。

  • 基于 MEMS 陀螺仪的电子稳像算法

利用陀螺仪获取相机的旋转角速率,并通过其I2C接口输出。获取数据后,利用高斯平滑滤波经过一系列计算得到平滑数据,利用“世界坐标—相机坐标—图像坐标—像素坐标”变换完成相机标定。之后进行图像拼接,例如加权融合策略得到一系列灰度值。
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优点:轻巧便携、成本低廉。处理速度快,算法计算量较小。
缺点:此方法不具有实时性,即需要后期处理来获取更为稳定清晰地图片,视频等。陀螺仪的采样频率和连续视频序列间的帧间隔可能不同,也许会存在某一时刻的视频图像帧没有对应的I2C接口数据。且该方法采用图像拼接稳定图像,容易出现明显的拼接痕迹从而导致结果失真。

  • 运动图像的实时稳像灰度投影系统设计

该算法,是计算某一时刻当前帧与实际帧在x轴方向的移动距离x,以及当前帧与实际帧在y轴方向的移动距离y,通过移动的补偿,将颤抖出现的帧图像往另外一个xy方向移动到实际的位置上,使得两帧图像重合来得到了稳定图像的序列。并通过相关矢量公式实现序列的去颤抖。
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优点:本方法基于美国TI公司推出的一系列DSP芯片,原理简单,能够用于处理精度较高的视频,图片。有一定的使用价值。
缺点:无法就长时间模糊的视频进行处理。所操作的图像需要包装每一帧图像不是模糊的。因此本方法适用于优化视频流畅度而不是防抖。且不论选取序列的方式是特定序列还是前后序列,都具有较为严重的缺点(前者当两帧图像相关度对比度较低时容易产生运算失败,后者存在图像产生突变而带来的巨大数据误差)。

  • 结语
    由于日常拍摄图片视频所出现模糊的多因素性和不确定性,以上的三种图片防抖处理方法均有各自的优势。陀螺仪电子稳像算法将普及成解决为日常拍摄防抖的基本方法。而基于自适应相机运动速度的视频稳像算法相对来讲最为理想,也最具有实际应用价值,但是其仍需要克服计算量大,控制降噪程度等问题。另外实时稳像灰度投影系统设计将会结合其他技术,更多地应用于车载,机载等高要求稳像领域当中。

参考文献:
[1]徐超,姚飞,刘奇.运动图像的实时稳像灰度投影系统设计[A].计算机应用,2018(8):67-69.
[2] 胡琪,罗健欣,胡谷雨 ,李杰. 基于自适应相机运动速度的视频稳像算法[A].信息技术与网络安全,2018,37(10):32-35,45.
[3]赵赛,康宝生,王力. 基于 MEMS 陀螺仪的电子稳像算法[A].西北大学学报(自然科学版)2018(6),48(3),355-362.

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