一種針對遙感相機外景成像的快速調焦方法
2023-06-02 01:51:26 1
一種針對遙感相機外景成像的快速調焦方法
【專利摘要】針對遙感相機外景成像的快速調焦方法，屬於光電探測成像領域，為了解決現有技術存在耗時長、主觀影響大及精度和速度都難以保證的問題，該方法包括，1、獲取歸一化對焦評價函數曲線Q；2、實時採集存儲一幀外景圖像；3、測量相機關鍵部件溫度；4、判斷離焦方向；5、計算圖像的歸一化對焦評價值z；6、判斷z值，如z=1執行步驟9，若z<1執行步驟7；7、將z值比照步驟1中的歸一化對焦評價函數曲線Q，得到離焦度大小；8、相機控制器將步驟4得到的離焦方向和步驟7得到的離焦度大小結合，發出調焦機構控制信號，調整調焦機構運動；重複步驟2-6，直至拍攝圖像的歸一化對焦評價值z=1，調焦結束；9、調焦結束，重新執行步驟2。
【專利說明】一種針對遙感相機外景成像的快速調焦方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種針對遙感相機外景成像的快速調焦方法，屬於光電探測成像領域。
【背景技術】
[0002]空間遙感相機作為空間遙感器重要的探測設備，經歷了從短焦距、低解析度到長焦距、高解析度的發展。隨著對空間遙感相機解析度的要求越來越高，目前，國內外遙感領域普遍採用TDICXD作為探測器。TDIC⑶通過對同一目標的多次延時累加，可大幅提高成像系統靈敏度和信噪比。但是TDICCD須在相機相對成像目標的運動掃描速度與像移速度嚴格匹配時，才可以清晰成像，因此其工作原理決定了 TDICXD相機在任意時刻所拍攝圖像都在變化。
[0003]調焦技術作為遙感相機的關鍵技術之一，其作用是保證成像系統的像平面始終和相機的焦平面重合，獲得最佳的圖像。遙感相機在研製、調試階段需要在地面開展大量的外景成像試驗、傳函測試、靶標成像試驗等工作，以對相機功能和性能加以驗證，TDICCD相機也不例外。其中遙感相機的地面成像實驗是遙感相機研製、調試階段的一種重要的安全測試手段。在地面成像實驗中，搬運或成像過程中轉臺存在振動、外界溫度變化等諸多不確定因素，這些因素都會導致相機焦面變化，尤其隨著相機焦距增長，產生的離焦越嚴重。為了保證相機成像質量，調焦技術是TDICXD遙感相機使用過程中需要著重解決的問題。然而，由於地面試驗中基本不會採取溫控措施，導致現有技術中的，飛行器在軌利用溫控技術來基本保證地面標定焦面不變化的方法，不能應用於遙感相機的地面成像實驗中。
[0004]TDICXD相機的工作原理決定了其成像場景實時變化，致使目前民用設備中的有參照圖像調焦方法幾乎完全失效。目前，遙感相機的地面外景成像試驗的調焦方法是:轉臺推掃獲取一幀圖像；將圖像放大至像素級，人眼觀測圖像邊緣的過渡像素個數，以此作為檢焦方法；然後分析產生離焦的各個環節，對離焦方向做出預估，並沿著預估方向試探調整焦面；確定離焦方向後採用兩頭逼近方式重複上述過程直至圖像邊緣過渡像素最少。這種方法實現起來不僅繁瑣耗時，而且人為因素幹擾導致準確率低；對於外景成像尤其秋季溫度變化劇烈的情況成像過程的多半時間都處於調焦狀態；對於拍攝月亮這樣的動目標還需要穿插偏流角調整，重新聚焦花費的時間更長；另外當存在像移失配時亦會引起圖像模糊，對離焦判斷產生幹擾。外景成像試驗的經驗也充分表明離焦成為整個成像過程中影響相機成像質量的最主要因素，而且調焦是整個過程最為頻繁、耗時和薄弱的一個環節。因此，目前急需一種適合應用於遙感相機地面外景成像試驗中的快速調焦方法。
【發明內容】
[0005]為了解決現有的遙感相機的地面外景成像實驗調焦方法存在的各環節實現繁瑣耗時、人為參與主觀影響大、頻繁調整焦面時精度和速度都難以保證的技術問題，提出一種適用於遙感相機地面外景成像實驗中的簡單高效、可以滿足頻繁調整需要的TDICCD相機的調焦方法。
[0006]本發明解決技術問題所採用的技術方案如下:
[0007]針對遙感相機外景成像的快速調焦方法，其特徵是，包括以下步驟:
[0008]步驟1、獲取歸一化對焦評價函數曲線Q，調整遙感相機調焦機構使獲取圖像至最清晰狀態，記錄此時調焦機構位置Stl，並將該位置作為準焦初始位置O ;調整焦面位置至Si處後由圖像採集處理系統獲取512行圖像I (X，y)，利用構建的對焦評價函數f計算圖像I (X，y)的對焦評價值Z,並記錄位置Si及其對應的對焦評價值Zi為(S1-Sci, Zi);按小步長調整調焦機構位置使之遍歷整個調焦範圍，每個位置Si值均對應一個對焦評價值Zi,將獲取的所有(S1-Stl, Zi)數據利用曲線擬合方法得到歸一化對焦評價函數曲線Q ；
[0009]步驟2、實時採集一幀外景圖像，存儲圖像灰度值I (x，y)，本發明中選用512行圖像作為一幀；
[0010]步驟3、測量相機關鍵部件溫度，因為相機中主要是光機本體受溫度變化的影響相對較大，因此選取鏡面、主背板、支撐結構關鍵點為測溫點；
[0011]步驟4、判斷離焦方向，測溫點溫度實時傳輸至相機控制器，然後依據光機材料的溫度特性計算得到焦面偏移方向為正或負，對應的調焦方向恰與離焦方向相反；
[0012]步驟5、計算圖像的歸一化對焦評價值，在圖像採集處理系統中利用構建的對焦評價函數f對存儲的當前幀圖像處理，得到對焦評價值z ；
[0013]步驟6、判斷z值，如果Z=I則說明圖像準焦，此時無需調焦可直接外景成像，執行步驟9 ;若z〈l說明相機處於離焦狀態，執行步驟7 ;
[0014]步驟7、將z值比照步驟I中的歸一化對焦評價函數曲線Q，得到離焦度大小；
[0015]步驟8、相機控制器將步驟4得到的離焦方向和步驟7得到的離焦度大小結合，發出調焦機構控制信號，調整調焦機構運動；重複步驟2-6，直至拍攝圖像的歸一化對焦評價值z=l，調焦結束；
[0016]步驟9、調焦結束，此時圖像清晰度最佳，重新執行步驟2。
[0017]所述對焦評價函數f獲得的方法步驟具體如下:
[0018]a)用I (X，y)表示一幅M*N大小的圖像；
[0019]b)採用高通濾波器h去除噪聲和亮度不均勻產生的幹擾，得到預處理圖像F (X，y), F(.v, _r) = I(.v, v) ? h ；
[0020]c)設計一個對焦評價函數f對圖像離焦度進行評價，其表達式為:
【權利要求】
1.針對遙感相機外景成像的快速調焦方法，其特徵是，包括以下步驟: 步驟1、獲取歸一化對焦評價函數曲線Q，調整遙感相機調焦機構使獲取圖像至最清晰狀態，記錄此時調焦機構位置Stl，並將該位置作為準焦初始位置O ;調整焦面位置至Si處後由圖像採集處理系統獲取512行圖像I (X，y)，利用構建的對焦評價函數f計算圖像I (X，y)的對焦評價值z，並記錄位置Si及其對應的對焦評價值Zi為(S1-S0, Zi);按小步長調整調焦機構位置使之遍歷整個調焦範圍，每個位置Si值均對應一個對焦評價值Zi,將獲取的所有Cs1-S0, Zi)數據利用曲線擬合方法得到歸一化對焦評價函數曲線Q ； 步驟2、實時採集一幀外景圖像，存儲圖像灰度值I (X，y)，本發明中選用512行圖像作為一中貞; 步驟3、測量相機關鍵部件溫度，因為相機中主要是光機本體受溫度變化的影響相對較大，因此選取鏡面、主背板、支撐結構關鍵點為測溫點； 步驟4、判斷離焦方向，測溫點溫度實時傳輸至相機控制器，然後依據光機材料的溫度特性計算得到焦面偏移方向為正或負，對應的調焦方向恰與離焦方向相反； 步驟5、計算圖像 的歸一化對焦評價值，在圖像採集處理系統中利用構建的對焦評價函數f對存儲的當前幀圖像處理，得到對焦評價值z ； 步驟6、判斷z值，如果Z=I則說明圖像準焦，此時無需調焦可直接外景成像，執行步驟9 ;若z〈l說明相機處於離焦狀態，執行步驟7 ； 步驟7、將z值比照步驟I中的歸一化對焦評價函數曲線Q，得到離焦度大小； 步驟8、相機控制器將步驟4得到的離焦方向和步驟7得到的離焦度大小結合，發出調焦機構控制信號，調整調焦機構運動；重複步驟2-6，直至拍攝圖像的歸一化對焦評價值z=l，調焦結束； 步驟9、調焦結束，此時圖像清晰度最佳，重新執行步驟2。
2.根據權利要求1所述的針對遙感相機外景成像的快速調焦方法，其特徵在於， 所述對焦評價函數f獲得的方法步驟具體如下: a)用I(X，y)表示一幅M*N大小的圖像； b)採用高通濾波器h去除噪聲和亮度不均勻產生的幹擾，得到預處理圖像F(x，y)，F(x, V) = I(.\% V) ? h ； c)設計一個對焦評價函數f對圖像離焦度進行評價，其表達式為:
【文檔編號】G01C11/02GK103916599SQ201410114652
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月25日 優先權日:2014年3月25日
【發明者】陶淑蘋, 曲宏松, 賀小軍 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所