一種用于空間光學(xué)相機(jī)在軌自適應(yīng)調(diào)焦的方法

暫無

一種用于空間光學(xué)相機(jī)在軌自適應(yīng)調(diào)焦的方法 \n技術(shù)領(lǐng)域\n[0001] 本發(fā)明涉及空間光學(xué)相機(jī)在軌運(yùn)動(dòng)過程中自適應(yīng)調(diào)焦的方法。 \n背景技術(shù)\n[0002] 空間遙感相機(jī)在軌飛行期間會(huì)因?yàn)槭芸臻g環(huán)境、氣壓的變化以及發(fā)射過程中沖\n擊、振動(dòng)等的影響，導(dǎo)致相機(jī)焦面的變化超過允許的范圍，繼而產(chǎn)生離焦。 因此采取有\(zhòng)n效的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)是保證遙感相機(jī)拍攝出高質(zhì)量圖像的關(guān)鍵技術(shù)之一。 傳統(tǒng)的數(shù)碼相機(jī)\n對(duì)焦都是相機(jī)在相對(duì)靜止的環(huán)境下完成的，而空間相機(jī)對(duì)焦面臨的最大困難就是在不斷\n地繞地球旋轉(zhuǎn)。 \n[0003] 空間相機(jī)是在軌運(yùn)動(dòng)的，因此間隔時(shí)間內(nèi)所拍攝的圖像中的景物是不完全相同\n的，直接進(jìn)行清晰度評(píng)價(jià)計(jì)算就會(huì)因每次拍攝的景物不相同而出現(xiàn)誤對(duì)焦問題。 目前用\n于空間相機(jī)自適應(yīng)調(diào)焦方法主要有：一、重復(fù)拍攝的方法，即衛(wèi)星對(duì)某地拍攝一幅圖像\n后，等待衛(wèi)星再次掠過該地上空時(shí)重復(fù)拍攝圖像，經(jīng)過多次這樣的拍攝過程后可以得到\n圖像序列，之后通過清晰度評(píng)價(jià)算法計(jì)算，找出最佳對(duì)焦位置；二、利用基于功率譜的\n對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)焦的方法，該方法由王昕、王海霞等人于2007年6月在電子\n器件期刊上發(fā)表的《基于功率譜的遙感相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦算法研究與實(shí)現(xiàn)》一文中提出。 重\n復(fù)拍攝法能夠精確的對(duì)焦但是一次完整的對(duì)焦需要的時(shí)間周期長(zhǎng)，對(duì)于如敏捷衛(wèi)星這種\n實(shí)時(shí)性要求高的衛(wèi)星系統(tǒng)是不適用的。 基于功率譜對(duì)焦的方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間完成\n對(duì)焦，但它的理論基礎(chǔ)是任意景物都有相似的功率譜，而事實(shí)上并非完全如此，森林、\n海洋、城市等的功率譜相差還是比較大的，因此這種方法局限性比較大，且對(duì)焦成功率\n可能比較低。 \n[0004] 基于以上描述，發(fā)明一種能夠短時(shí)間內(nèi)完成自動(dòng)對(duì)焦，且成功率比較高的方法\n意義是非常巨大的。 \n發(fā)明內(nèi)容\n[0005] 針對(duì)空間相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦的迫切需要，本發(fā)明的目的是提供一種用于空間光學(xué)相\n機(jī)在軌自適應(yīng)調(diào)焦的方法，以實(shí)現(xiàn)空間相機(jī)在軌運(yùn)動(dòng)過程中短時(shí)間完成自動(dòng)對(duì)焦。 \n[0006] 本發(fā)明的用于空間光學(xué)相機(jī)在軌自適應(yīng)調(diào)焦的方法，包括以下步驟： \n[0007] 1)空間光學(xué)相機(jī)在軌調(diào)焦過程中每調(diào)節(jié)一次相機(jī)離焦量對(duì)地拍攝一幅圖像，數(shù)\n次拍攝得到序列圖像， \n[0008] 2)通過配準(zhǔn)算法計(jì)算出序列圖像中每?jī)煞噜張D像間的位移量和重疊部分； \n[0009] 3)對(duì)重疊部分進(jìn)行圖像清晰度評(píng)價(jià)計(jì)算，得到以兩幅相鄰圖像為一組的若干組\n圖像清晰度評(píng)價(jià)值； \n[0010] 4)按照每相鄰兩組圖像具有一個(gè)相同的圖像清晰度評(píng)價(jià)值，將若干組圖像的清\n晰度評(píng)價(jià)值通過傳遞映射到同一個(gè)評(píng)價(jià)體系中，以圖像清晰度最大的評(píng)價(jià)值所對(duì)應(yīng)的圖\n像作為準(zhǔn)確對(duì)焦位置。 \n[0011] 上述的配準(zhǔn)算法可選用互相關(guān)法、相位相關(guān)法或灰度投影法等。 \n[0012] 兩幅相鄰圖像間的位移是指直線位移，如水平方向位移、垂直方向位移或斜方\n向位移。 \n[0013] 圖像清晰度評(píng)價(jià)計(jì)算方法可選用能量梯度函數(shù)法、拉普拉斯函數(shù)法或方差梯度\n函數(shù)法等。 \n[0014] 本發(fā)明能夠在較短的時(shí)間內(nèi)找出對(duì)焦最清晰的位置，并且只要所拍攝的照片細(xì)\n節(jié)足夠多就能保證相對(duì)較高的成功率。 本發(fā)明可直接應(yīng)用于現(xiàn)有的衛(wèi)星系統(tǒng)、航拍系統(tǒng)\n上，尤其如敏捷衛(wèi)星這種對(duì)于實(shí)時(shí)性要求比較高的衛(wèi)星系統(tǒng)。 \n附圖說明\n[0015] 圖1是移動(dòng)的空間相機(jī)拍攝示意圖； \n[0016] 圖2是移動(dòng)的相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦示意圖； \n[0017] 圖3是序列圖像清晰度評(píng)價(jià)值傳遞方法的原理圖； \n[0018] 圖4是圖像序列的評(píng)價(jià)結(jié)果。 \n具體實(shí)施方式\n[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 \n[0020] 本發(fā)明的用于空間光學(xué)相機(jī)在軌自適應(yīng)調(diào)焦的方法，包括以下步驟： \n[0021] 1)空間光學(xué)相機(jī)在軌調(diào)焦過程中每調(diào)節(jié)一次相機(jī)離焦量對(duì)地拍攝一幅圖像(見\n圖1)，數(shù)次拍攝得到序列圖像。 例如在本例中通過數(shù)碼相機(jī)對(duì)遙感照片進(jìn)行拍攝來模\n擬空間相機(jī)對(duì)地成像過程，實(shí)驗(yàn)中相機(jī)邊移動(dòng)邊調(diào)焦并經(jīng)過數(shù)次拍攝后共得到10幅圖像\na～j，每幅圖像大小為2048×3072，每次拍攝圖像之前都會(huì)進(jìn)行微量調(diào)焦，所以每幅圖\n像都存在一定的離焦量，在實(shí)驗(yàn)拍攝過程中序列圖像e是最佳對(duì)焦位置； \n[0022] 2)通過配準(zhǔn)算法(此例選用互相關(guān)法)計(jì)算出10幅圖像中每?jī)煞噜張D像間的\n水平位移量(具體見表1第一列)和重疊部分。 移動(dòng)的相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦如圖2所示，圖(a)\n中1、2、3、4表示由數(shù)碼相機(jī)在移動(dòng)過程中拍攝的序列圖像中的其中四幅圖像，其中，\n圖(b)的1圖像、2圖像為第一組相鄰圖像，圖(c)的2圖像、3圖像為第二組相鄰的圖\n像，圖(d)的3圖像、4圖像為第三組相鄰的圖像，它們中的陰影部分就是需要計(jì)算的圖\n像間的重疊區(qū)域；\n[0023] 3)對(duì)重疊部分按能量梯度法作為清晰度評(píng)價(jià)計(jì)算因子(式(1))進(jìn)行圖像清晰度\n評(píng)價(jià)計(jì)算， \n[0024] \n[0025] 式中I(x，y)為圖像在點(diǎn)(x，y)處的灰度值。 \n[0026] 得到以兩幅相鄰圖像為一組的9組圖像清晰度評(píng)價(jià)值(具體數(shù)值見表1第二、第\n三列)。 \n[0027] 4)按照每相鄰兩組圖像具有一個(gè)相同的圖像清晰度評(píng)價(jià)值，將9組圖像的清晰\n度評(píng)價(jià)值通過傳遞映射到同一個(gè)評(píng)價(jià)體系中，以圖像清晰度最大的評(píng)價(jià)值所對(duì)應(yīng)的圖像\n作為準(zhǔn)確對(duì)焦位置。 \n[0028] 以三幅圖像為例說明傳遞映射的原理(見圖3)： \n[0029] 1)利用數(shù)字圖像清晰度評(píng)價(jià)算法(能量梯度法)分別計(jì)算相鄰兩幅圖，即圖(a)\n中的1圖像、2圖像的重疊區(qū)域圖像的清晰度評(píng)價(jià)值，得到第一組數(shù)據(jù)并將其在坐標(biāo)平面\n中表示，即圖(c)中顯示的黑點(diǎn)A與黑點(diǎn)B，黑點(diǎn)A代表1圖像的清晰度評(píng)價(jià)值，黑點(diǎn)B\n代表2圖像的清晰度評(píng)價(jià)值； \n[0030] 2)同樣的方法計(jì)算圖(b)中的2圖像與3圖像的重疊區(qū)域圖像，得到第二組清\n晰度評(píng)價(jià)值，將其在坐標(biāo)平面中表示，即圖(c)中顯示的黑點(diǎn)C與黑點(diǎn)D，黑點(diǎn)C代表2\n圖像的清晰度評(píng)價(jià)值，黑點(diǎn)D代表3圖像的清晰度評(píng)價(jià)值； \n[0031] 3)在兩組相鄰圖像中2圖像是公共的，因此理論上B與C應(yīng)是同一點(diǎn)(造成其\n不為同一點(diǎn)的原因是兩次計(jì)算中在2圖像上所取的景物區(qū)域是不同的，景物的不同將引\n起評(píng)價(jià)值的變化)，本例中采用清晰度評(píng)價(jià)值B代替C點(diǎn)的值(即采用黑點(diǎn)B代替黑點(diǎn)\nC的值)，表現(xiàn)在坐標(biāo)平面上就是圖(c)中黑點(diǎn)C到黑點(diǎn)B的箭頭部分。 利用傳遞公式\nS＝D*B/C，式中B、C分別是相鄰兩組圖像的第一組重疊區(qū)域圖像在公共圖像上的清晰\n度評(píng)價(jià)值和第二組重疊區(qū)域圖像在公共圖像上的清晰度評(píng)價(jià)值，此例中B是2圖像和1圖\n像重疊區(qū)域(陰影部分)在2圖像上的清晰度評(píng)價(jià)值，C是2圖像和3圖像重疊區(qū)域(陰\n影部分)在2圖像上的清晰度評(píng)價(jià)值，D是第二組圖像中第二幅圖像的清晰度評(píng)價(jià)值，此\n例中相當(dāng)于是3圖像。 通過公式計(jì)算得出D點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)的數(shù)值，在圖(c)中為d點(diǎn)，\n圖(c)中D點(diǎn)到d點(diǎn)的箭頭表示這一過程。這樣這兩組數(shù)據(jù)映射到同一評(píng)價(jià)體系中了。 \n[0032] 在本例中就是對(duì)a～j十幅序列圖像經(jīng)過清晰度評(píng)價(jià)計(jì)算后得到9組清晰度評(píng)價(jià)\n值，分別為(81.65，89.81)、(101.03，110.65)、(88.04，117.07)、(131.23，175.54)、\n(173.42，111.09)、(123.99，91.98)、(99.04，83.46)、(81.58，79.67)、(78.76，79.38)\n(見表1中的第三、二列所示)，映射到同一評(píng)價(jià)體系后清晰度評(píng)價(jià)數(shù)值S(即規(guī)整化的清\n晰度評(píng)價(jià)值，具體可見表1中的第五列)。 在平面上畫出S值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)并連接后得出\n其軌跡圖(見圖4)，從圖4中可直觀的看到映射到同一個(gè)評(píng)價(jià)體系中的評(píng)價(jià)結(jié)果。 通過\n尋找清晰度評(píng)價(jià)值的最大值位置最后得出最佳對(duì)焦圖像是圖e。該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)拍攝圖像時(shí)\n得出的結(jié)論是一致的，說明本方法可以實(shí)現(xiàn)以上所述的功能。 \n[0033] 作為低軌衛(wèi)星典型計(jì)算，現(xiàn)有主流圖像傳感器的刷新頻率是25Hz，也就是每\n40ms就可以得到一幅圖像，考慮對(duì)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)一次大概需要20ms，所以對(duì)焦過程中獲取\n一幅圖像總共需要為60ms左右，一般一次對(duì)焦過程需要10～12幅圖像，考慮計(jì)算運(yùn)行\(zhòng)n時(shí)間以及其他各種時(shí)間因素后，一分鐘內(nèi)應(yīng)該可以完成對(duì)焦工作。 對(duì)于500km高空的衛(wèi)\n星，其飛行速度為7627m/s，因此60ms時(shí)間間隔內(nèi)可以飛行458m，換算為地面掃描的距\n離為424m，按照空間相機(jī)1m的分辨率進(jìn)行計(jì)算可以知道每60ms拍攝的圖像間有424個(gè)\n像素的位移量。 假設(shè)使用的空間相機(jī)CCD像素為2048×2048，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間以及\n內(nèi)存資源，本方法在后期圖像處理前一般會(huì)先對(duì)圖像的中心區(qū)域進(jìn)行截取，假設(shè)截取的\n中心區(qū)域圖像像素為1024×1024，那么兩相鄰圖像間相應(yīng)的有58.6％的重疊區(qū)域。 而本\n例中圖像大小為2048×3072，通過截取圖像中心區(qū)域大小為1024×1536進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，\n而每?jī)煞鶊D像間位移量約為600像素，即兩幅相鄰圖像間重疊區(qū)域約60.9％，與衛(wèi)星典型\n事例中圖像間重疊區(qū)域的58.6％相比，說明本例的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況相符。 \n[0034] 表1：序列圖像的各子塊評(píng)價(jià)函數(shù)值及傳遞值 \n[0035] \n 圖像 與下幅圖間 位移量 與上幅圖的 匹配區(qū)塊 與下幅圖的匹配 傳遞值S 計(jì)算 傳遞值S (規(guī)整化的清晰 結(jié)果 序號(hào) (水平 方向) 評(píng) 價(jià)值A(chǔ) 區(qū)塊評(píng)價(jià)值B 式 度 評(píng)價(jià)值) \n a 637 / (B1)81.65 S1＝B1 81.65 \n b 528 (A2)89.81 (B2)101.03 S2＝A2 89.81 \n c 618 (A3)110.65 (B3)88.04 S3＝A3*S2/B2 98.36 \n d 567 (A4)117.07 (B4)131.23 S4＝A4*S3/B3 130.81 \n e 590 (A5)175.54 (B5)173.42 S5＝A5*S4/B4 174.97 最佳點(diǎn) \n f 503 (A6)111.09 (B6)123.99 S6＝A6*S5/B5 112.08 \n g 526 (A7)91.98 (B7)99.04 S7＝A7*S6/B6 83.15 \n h 544 (A8)83.46 (B8)81.58 S8＝A8*S7/B7 70.07 \n i 698 (A9)79.67 (B9)78.76 S9＝A9*S8/B8 68.43 \n j / (A10)79.38 / A10*S9/B9 68.96