光纖陀螺振動探測和編碼曝光的遙感圖像快速恢復方法
2023-05-31 07:36:16 3
光纖陀螺振動探測和編碼曝光的遙感圖像快速恢復方法
【專利摘要】本發明提出一種基於陀螺振動探測和編碼曝光的遙感圖像快速恢復方法。採用雙軸光纖陀螺實時探測衛星平臺的振動過程，同時成像相機編碼曝光獲得遙感圖像，處理系統根據光纖陀螺測量獲得的振動數據和成像相機曝光過程的時間編碼值計算得到圖像退化點擴散函數，然後遙感圖像反卷積消除平臺振動影響，快速獲得清晰的遙感圖像。由於採用了編碼曝光，並採用光纖陀螺測量平臺振動，適用於有複雜振動的衛星平臺獲取清晰遙感圖像。
【專利說明】光纖陀螺振動探測和編碼曝光的遙感圖像快速恢復方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高分辨遙感圖像的獲取與快速恢復方法，尤其涉及一種基於光纖陀螺振動探測和編碼曝光的遙感圖像快速恢復方法。
【背景技術】
[0002]在遙感成像中，圖像的清晰度具有十分重要的現實意義。然而在空間相機成像過程中，由於衛星姿態變化、撓性組件的擾動以及指向控制等因素，導致衛星平臺顫振，同時由於相機曝光需要一定的時間，使得成像目標的光學圖像與成像器件焦平面之間存在相對運動，拍攝圖像產生拖影，造成圖像模糊，降低系統調製傳遞函數和圖像地面解析度，無法完全達到成像系統設計的分辨能力。在光照條件不理想的情況下，相機曝光時間更長，使得圖像模糊問題更加嚴重。
[0003]為了消除平臺振動等對成像質量的影響，人們設計了各種各樣的方法，如更新硬體使得平臺更穩定、對所成圖像進行不同的後期處理等。從硬體的角度來看，要考慮消除曝光過程中傳感器與被攝物體之間的相對運動，因此發展出了機械補償與光學補償等方法。機械補償法利用機械結構及其組件在曝光時根據平臺振動量及時移動傳感器，使剩餘像移量儘可能小，從而達到抑制運動模糊的目的。光學式像移補償法思想是旋轉或移動光路元件以改變光線方向，使之與相機焦面上像移速度一致，從而達到抑制運動模糊的目的。通過機械或光學的補償後，一般情況下可以獲得較好質量的圖像，但是對於一些頻率過高，或者幅度過大的振動仍然會存在較大的殘差，得到的圖像不夠理想。再加上系統成本的考慮，硬體補償的方法不是解決問題的最佳方式。隨著計算機處理技術的提高，出現了軟體事後對拍攝圖像的復原提升技術。已有的復原算法如直接逆濾波、維納濾波、TV正則化圖像復原、盲復原等，都存在各自的問題，或結果中所包含的噪聲及振鈴效應嚴重，或算法複雜度較高，運算速度較慢，或在保證一定運算速度的前提下，復原圖像的質量未有明顯的改善。
[0004]在點擴散函數已知的情況下，可以通過逆濾波等方法來實現模糊圖像的復原。早期逆濾波的方法是根據傅立葉變換的性質，將空域中的卷積關係轉化為頻域中的點積關係，要得到復原圖像，只需將模糊圖像的傅立葉變換結果與PSF的傅立葉變換結果相除並做傅立葉逆變換即可，但該方法的前提是導致圖像降質的濾波器是可逆的，而通常情況下，由於圖像降質模型中濾波器不可逆或者逆濾波器不夠穩定導致逆濾波方法對圖像中噪聲很敏感，在噪聲較大的情況下，圖像恢復的效果不理想，因而其應用受到極大的限制。而對於PSF的重構算法，不少都存在一個明顯的缺點，即算法複雜度較高，運算速度較慢，或者在犧牲了復原圖像清晰度的前提下提高運算速度。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是通過編碼曝光同時光纖陀螺探測振動的方法獲得圖像退化的點擴散函數，以快速完成遙感圖像的反卷積圖像恢復，獲得清晰的遙感圖像。
[0006]本發明的技術方案為:[0007]步驟1.數據與圖像的獲取，具體是:
[0008]1-1將成像相機安裝在二維顫振平臺上，模擬衛星平臺的顫振，用進位編碼控制相機進行編碼曝光，得到一副編碼曝光的模糊遙感圖像。
[0009]1-2將兩個光纖陀螺分別與相機進行剛性連接，且使其敏感軸互相垂直以實現對X軸和y軸的旋轉角速度的探測。
[0010]1-3成像相機編碼曝光的同時,獲取曝光時間內光纖陀螺輸出的電壓信號。
[0011]步驟2.數據處理，具體是:
[0012]2-1將步驟1-3中得到的電壓信號轉化為相移信號。
[0013]2-2根據薩格奈克效應，由步驟2-1得到的相移計算出旋轉角速度。
[0014]2-3通過對2-2中的角速度積分得到角位置數據。
[0015]2-4根據物像關係結合計算角位置數據得到像面上的顫振軌跡。
[0016]2-5統計落入每個像素內的採樣點數，經過歸一化處理得到點擴散函數PSF。
[0017]步驟3.圖像復原，具體是:
[0018]利用步驟2-5得到的點擴散函數PSF對獲得的編碼曝光的模糊遙感圖像進行復原，使用直接逆濾波的方法，得到復原結果。
[0019]所述的二進位編碼控制相機是將給定的曝光時間T分為m個時間片，每一個時間片持續的時間為T/m，控制快門在不同的時間片內的開關，則形成了編碼曝光。
[0020]本發明的有益效果:本發明能夠改變運動模糊圖像的形成過程，將圖像復原問題的病態性轉化為良態，從而能夠快速的使用反卷積方法獲得清晰圖像。一般來說，通過編碼曝光的方法，復原後可以獲得清晰的圖像，效果較好，且從算法時間效率的角度來看，編碼曝光和普通方法相比具有明顯的優勢，對模糊圖像的復原速度很快。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明所使用硬體原理圖。
[0022]圖2 (a)為傳統曝光模式。
[0023]圖2(b)為傅立葉變換幅值曲線。
[0024]圖2(c)為編碼曝光模式。
[0025]圖2(d)為傅立葉變換幅值曲線。
[0026]圖3(a)為光纖陀螺輸出的電壓信號及相機曝光過程。
[0027]圖3 (b)為經積分得到的顫振角位置數據。
[0028]圖3(c)為利用物像關係計算得到的曝光時間內像面上像的顫振位置數據。
[0029]圖3 (d)為重構出的PSF。
[0030]圖4(a)為傳統曝光模式得到的PSF。
[0031]圖4(b)為編碼曝光模式得到的PSF。
[0032]圖5(a)為光纖陀螺輸出的電壓信號及相機編碼曝光過程。
[0033]圖5 (b)為經積分得到的顫振角位置數據。
[0034]圖5(c)為利用物像關係計算得到的曝光時間內像面上像的顫振位置數據。
[0035]圖5 (d)為重構出的PSF。
[0036]圖6(a)為編碼曝光模糊圖像。[0037]圖6(b)為復原圖像。
【具體實施方式】
[0038]以下結合附圖對本發明作進一步說明。
[0039]本發明是一種基於光纖陀螺振動探測和編碼曝光的遙感圖像快速恢復方法，其採用雙軸光纖陀螺實時探測成像系統平臺的振動過程，同時成像相機編碼曝光獲得遙感圖像，控制系統讀取光纖陀螺輸出的信號，通過計算得出圖像退化點擴散函數，對編碼曝光獲得的遙感圖像反卷積消除平臺振動影響，快速獲得清晰的遙感圖像。本發明的系統組成如附圖1所示，主要包括成像相機、與成像相機剛性連接的光纖陀螺和控制系統三個部分。
[0040]步驟I數據與圖像的獲取
[0041]1-1將成像相機安裝在二維顫振平臺上，模擬衛星平臺的顫振，用設計好的二進位編碼控制相機進行編碼曝光，得到一副編碼曝光的模糊遙感圖像。成像相機可以使用PointGrey公司的Flea2系列相機，該相機電子快門支持分次曝光脈衝寬度觸發，並實現單
一輸出。
[0042]對於傳統的曝光模式，在曝光時間T內獲得的圖像，相當於一個時間域上的盒狀濾波器與圖像的卷積，傳統曝光模式如附圖2(a)所示，將其轉化到頻域中，得到其傅立葉變換的幅值曲線如附圖2(b)所示，可以看到，幅值曲線在頻域上有很多的零點。
[0043]圖像在退化過程中可以看作是原始圖像在退化函數的作用下再加上噪聲函數。將其表不在頻域中為:
[0044]G (U，V) = H (U，V) F (u, v) +N (u, v) (I)
[0045]其中G(u, V)，H(u, V)，F(u, V)和N(u，v)分別表示模糊圖像,退化函數,清晰圖像和
噪聲的傅立葉變換。
[0046]在圖像復原中最簡單的方法是直接逆濾波，該方法是用退化函數除退化圖像來計算原圖像的傅立葉變換:
[0047]
【權利要求】
1.光纖陀螺振動探測和編碼曝光的遙感圖像快速恢復方法，其特徵在於該方法包括以下步驟: 步驟1.數據與圖像的獲取，具體是: 1-1將成像相機安裝在二維顫振平臺上，模擬衛星平臺的顫振，用二進位編碼控制相機進行編碼曝光，得到一副編碼曝光的模糊遙感圖像； 1-2將兩個光纖陀螺分別與相機進行剛性連接，且使其敏感軸互相垂直以實現對X軸和I軸的旋轉角速度的探測； 1-3成像相機編碼曝光的同時，獲取曝光時間內光纖陀螺輸出的電壓信號； 步驟2.數據處理，具體是: 2-1將步驟1-3中得到的電壓信號轉化為相移信號； 2-2根據薩格奈克效應，由步驟2-1得到的相移計算出旋轉角速度； 2-3通過對2-2中的角速度積分得到角位置數據； 2-4根據物像關係結合計算角位置數據得到像面上的顫振軌跡； 2-5統計落入每個像素內的採樣點數，經過歸一化處理得到點擴散函數PSF ； 步驟3.圖像復原，具體是: 利用步驟2-5得到的點擴散函數PSF對獲得的編碼曝光的模糊遙感圖像進行復原，使用直接逆濾波的方法，得到復原結果； 所述的二進位編碼控制相機是將給定的曝光時間T分為m個時間片，每一個時間片持續的時間為T/m，控制快門在不同的時間片內的開關，則形成了編碼曝光。
【文檔編號】H04N5/235GK103747187SQ201310755354
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】馮華君, 何麗蓉, 黃加紫, 徐之海, 李奇, 陳躍庭 申請人:浙江大學