电子稳像技术是指当摄像系统载体受到无规则抖动的干扰,导致视频序列不稳定时,利用数字图像处理技术来直接确定图像序列帧间偏移并进行运动补偿,从而实现图像序列稳定的技术。因其具有稳像精度高、速度快、体积小、功耗低以及成本低等优点,使得它在军事和民用领域中都有广阔的应用前景。本文以研究电子稳像为主线,对电子稳像系统中的运动估计算法进行了深入地研究。在对比分析目前国内外常用运动估计算法特点的基础上,选取灰度投影算法作为本文的研究对象,并提出了改进算法。本文完成的主要工作有:第一,本文对电子稳像的应用背景展开研究,明确了稳像的必要性。阐述了电子稳像原理、结构及关键技术,并在对几种运动估计算法进行分析的基础上,提出一种基于灰度投影和块匹配的,由粗到精的运动估计算法。相对于传统的灰度投影法易受局部运动物体影响的缺点,本算法引入了自适应的块匹配算法进行精确估计,避免了局部运动物体的干扰。实验结果表明,改进算法在运算量增加不显著的情况下,将运动矢量的估计精度相对于传统灰度投影算法提高了1dB,接近全搜索块匹配法的精度,在速度和精度方面获得了平衡。第二,针对灰度投影算法无法直接应用于旋转运动矢量估计的缺点,本文提出了基于对数极坐标变换的灰度投影算法。利用对数极坐标变换的旋转不变性,将相邻图像在笛卡尔坐标系下的旋转运动,转换为对数极坐标系下的平移运动,再利用灰度投影法估计对数极坐标系下图像间的平移运动矢量,然后通过逆变换转化为笛卡尔坐标系下的旋转角度,最后反向旋转当前帧从而得到稳定的图像。实验表明,利用本文提出的算法处理后的视频与原始视频相比,剧烈的旋转明显改善,取得较好的稳像效果,检测出的旋转角度误差小于1度。第三,在前文理论研究的基础上,设计了一种基于FPGA的灰度投影算法运动估计系统,并进行了静态图像的硬件仿真实验。按照灰度投影算法的原理,对整个系统进行了模块划分,并且为实现稳像系统的实时性,在设计的过程中加入了流水线操作,提高了运算速度。时序仿真结果表明,该运动估计模块的运算时间小于实时处理的时间要求,并且由时序仿真得到的运动矢量与Matlab中仿真匹配获得的结果一致。