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李睿瑄,李峰,辛蕾,等.基于海上多目标的视频卫星稳像方法[J].中国空间科学技术（中英文）,2024,44(5):136-146.
LI R X,LI F,XIN L ,et al.Video satellite image stabilization method based on maritime multi-targets[J].Chinese Space Science and Technology,2024,44(5):136-146(in Chinese).
文章导读
1.研究背景
视频卫星可以获取实时视频录像，具有高敏捷性、高时间分辨率、低成本等特点，能够实现分钟级视频的拍摄，从而快速获取突发事件，特别适合热点区域、洪灾火灾和运动目标的实时监测与决策。面阵相机可以灵活地调整成像积分时间，若对影像进行超分辨重建，可以得到空间分辨率更高的卫星影像。在视频卫星像面上，舰船目标一般只占几个到几十个像素点，并且受海杂波的影响，缺乏相应的颜色、形状、纹理等信息，目标与背景对比度低。在凝视成像时相机还会受到复杂空间环境的影响，使得卫星定位精度以及姿态控制精度不足，卫星平台的运动导致光学系统光轴变化及帧间成像视角差异，反映到舰船目标则表现为航迹抖动或模糊的现象。视频稳像技术旨在解决帧间像元不一致的问题，是实现卫星视频高精度应用的前提和基础。
视频稳像算法一般由全局运动矢量估计、运动滤波和运动补偿三步组成，现有的研究直接通过帧内静止特征点提取（如Harris、SIFT、SURF、FAST、ORB、KLT等），进行误匹配点去除及帧间运动模型估计后得到相机的运动轨迹，最终配准合成稳定的视频。全局运动矢量估计可以借助帧间像素相关性将复杂运动背景问题转化为静态背景分析，基于运动模型分析帧间几何关系进而预测相机路径，主要算法有块匹配法、灰度投影法、图像特征点匹配法和光流法等；运动滤波方法包括均值滤波法、曲线拟合/插值、卡尔曼滤波、多轨迹映射滤波及基于优化的方法等。但是在观测海上目标时，由于没有控制点标校，帧间无法开展基于特征点的配准，这会导致现有视频稳像算法失效。基于此背景，提出一种基于海上多目标的前景全局抖动优化方法，尽可能地消除帧间偏移误差。这种基于空域多目标全局相机抖动、结合时域运动模型的优化方法能够充分挖掘卫星视频的时空信息。经过分析，海上目标数的增加有助于降低预测值与真实值的偏差，提升视频稳像效果。
2.文章梗概
视频卫星稳像是实现卫星视频高精度应用的前提和基础。由于卫星姿态指向精度不足以及平台姿态稳定度不足等原因，通常需要引入基于图像配准的稳像技术以实现视频凝视的效果；然而在观测海上目标时，由于没有控制点标校，帧间无法开展基于特征点的配准，所以天基凝视视频相机在观测时经常会出现目标在像面上反复跳变的问题。提出一种基于海上多目标舰船检测的全局前景视频稳像GFVS（global foreground video stabilization）方法，构建高斯误差模型，通过优化后位置和原始位置的偏差修正像面错位，最后进行稳像视频合成。实验结果表明，该方法能够有效解决海上控制点不足时抖动图像难以配准的问题，得到更加稳定的凝视视频效果，应用吉林一号卫星星座采集的两组卫星数据进行验证实验，最终稳像的误差能够控制在0.9个像素以内。
3.总结与展望
低轨视频卫星或静止轨道光学遥感卫星的凝视成像方式，非常有利于对动目标成像，然而在观测海上目标时，由于没有控制点标校导致帧间无法开展基于特征点的配准，在观测时目标会出现在像面上非平滑跳变的问题。本文提出一种基于海上多目标的全局前景视频稳像GFVS（global foreground video stabilization）方法，构建匀速直线运动模型及高斯误差抖动模型，生成具有目标跳变的视频，推导基于多帧多目标的矩阵方程表征目标特性，借助平移模型进行像移补偿，并应用真实卫星数据进行验证实验。从数据处理结果来看，本文算法能够良好地解决海上控制点不足时目标在像面上反复跳变的问题，可实现高精度的视频稳像，具备广泛的工程应用价值。
作者简介
李睿瑄，中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室硕士研究生，研究方向为图像重建与运动目标检测。
李峰，中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室研究员，研究方向为超时相数据处理和压缩感知。
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来源：《中国空间科学技术（中英文）》2024年第5期
编辑：陈飚
监制：祁首冰
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