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海洋浮标图像采集系统的电子稳像技术研究
| 论文题名： | 海洋浮标图像采集系统的电子稳像技术研究 |
| 关键词： | 海洋浮标监测;图像采集系统;运动估计;运动补偿;电子稳像;视频图像处理 |
| 摘要： | 随着视频图像处理技术的发展，获取图像能力的增强，特别是图像信息具有直观、丰富、便于实时传输和存储等特点，使其成为未来海洋浮标监测系统获取情报的主要手段。海洋浮标云台稳像控制系统的研究不仅为海洋数据的探测和科研提供便利，还为海监相关部门查处侵犯海洋权益、损害海洋环境与资源等违法违规行为以及对海上重大事件的应急监视和调查取证提供可视化依据。而在现实监测环境中，由于成像系统工作时易受其载体的姿态变化、洋流、海风及海浪等因素的影响，导致获得的图像信息不稳定或模糊，极大的限制图像信息的有效利用。为了减轻或消除这一影响，本课题设计一套基于ARM11的云台稳像控制系统。 随着精密机械和微电子技术的飞速发展，惯性元件有了很大的发展，微机械陀螺仪不仅比光学及挠性陀螺仪体积更小、功耗及成本更低，而且抗冲击力更好，基于ARM体系结构的微处理器以其高性能及低功耗而被广泛应用，故本课题设计的海洋浮标云台稳像控制系统不仅体积小、成本低、响应快，且可以固态安装。 陀螺仪短时间内测姿精度高，但存在温漂等缓慢变化的误差，随着时间的推移误差在积分过程中不断累积，影响姿态解算的精度，故不利于长期运行；而加速度计测姿长期稳定，但受限于载体运动状态；磁力计受浮标环境影响，动态性能较差。为了得到高精度的姿态角，且能长期稳定地工作，本课题采用高阶卡尔曼滤波算法对传感器输出数据进行最优化求解，针对三角函数计算量大，且计算复杂，采用四元数算法计算云台摄像载体的运动姿态角。 对所搭建云台稳像系统进行测试，云台将以水平速度280°/s、垂直速度100°/s完成反向偏转，最长反馈调整时间为0.38s秒。在静止情况下，通过对采集到的数据进行Matlab仿真，俯仰角精度±0.1度，航向角±0.2度，达到一级稳定。 系统性的研究电子稳像技术(EIS)的关键技术及其理论分析，并针对 EIS中的运动估计和运动补偿进行了深入的研究。比较几种运动估计算法的优缺点，最终选取块匹配和灰度投影算法进行验证，并通过比较补偿前后视频序列的PSNR来评定稳像后图像的质量，利用算法帧处理率和搜索点数来评定算法的实时性。 结合海洋浮标的运动有规律可循这一特点，针对块匹配算法搜索起始点进行改进，利用基于时间序列的AR预测模型分别对全局运动矢量的水平分量和垂直分量进行预测，将预测得到的矢量作为搜索起点，从而减少了搜索时间，并通过对实际拍摄视频进行稳像算法处理，实验结果表明具有较好的稳像效果。 |
| 作者： | 周金金 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 王小英 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中国矿业大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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