CN103237173A - 一种光学相机自适应快速调焦装置及调焦方法 - Google Patents

Abstract

一种光学相机自适应快速调焦装置，包括检焦判断器（1）、图像采集器（2）、数据运算器（3）、调焦驱动组件（9）、编码器（7）。编码器（7）获取光学相机像面（10）的位置，图像采集器（2）获取量化图像，数据运算器（3）计算图像的构形熵，检焦判断器（1）计算两个不同位置处的图像构形熵并根据结果发出调焦信息至调焦驱动组件（9），带动光学相机像面（10）到达最大构形熵所在位置。光学相机自适应快速调焦方法，通过比较光学相机像面（10）在两个不同位置处所成图像的构形熵的比较结果调整移动方向，最终找到最大图像构形熵所在的位置作为光学相机像面（10）合焦位置。本发明调焦速度快精度高，满足弱对比度目标的航天遥感。

Description

一种光学相机自适应快速调焦装置及调焦方法

技术领域

本发明属于航天光学遥感器领域，涉及一种光学相机自适应快速调焦装置及相应的方法，用于光学相机在轨自动调焦。

背景技术

高空间分辨率光学遥感器的研制一直是人类空间技术的重要组成部分，高的图像质量是航天光学遥感器重要的技术指标。光学相机在发射升空瞬间将经历加速及剧烈震动，负载仓内、外存在巨大压力差，太阳、地球辐射等因素使整星受热不均匀，空间轨道大气压随着高度变化，这一系列温度、压强、振动等因素将引起空间光学遥感器光学元件的曲率半径、面形、光学间隔、材料折射率等光学参数产生变化，进而导致光学系统产生轴向离焦现象，从而使得光学相机像面像质退化。因此，“在轨自动调焦技术”是空间光学遥感器，特别是长焦距、大口径空间光学遥感器获得高图像质量关键技术之一。

美国的哈勃空间望远镜（HST），成功使用了“在轨自动调焦技术”，在轨运行期间一直保持0.1′′高分辨率成像，该技术已为下一代空间望远镜（NGST）所继承。而在我国，通常是在卫星升空前，利用数字或地面物理仿真、试验手段，得到光学相机在轨阶段最佳焦面位置估计值，并将成像面预置在焦面处，但不能依据不同空间环境实现在轨自适应自动调焦。国内现有在轨调焦技术，也有将图像数据下传到地面的方式，由人工进行多次图像数据判读后，上传调焦控制信息，以实现在轨相机的合焦判断与调焦，但不能自动调焦，调焦效果取决于成像目标细节的丰富程度，对成像条件要求较高，调焦速度较慢。

因此，迫切需要一种光学相机自适应快速调焦装置及相应的方法，实现航天光学遥感器在轨快速自动调焦，以适应入轨过程、在轨运行阶段的不同空间环境变化，获取高的图像质量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种光学相机自适应快速调焦装置及相应的方法，通过两个像面比较相应构形熵的大小，采用最大构形熵作为合焦判据，实现光学相机在轨自适应调焦功能。

本发明的技术解决方案是：一种光学相机自适应快速调焦装置，包括检焦判断器、图像采集器、数据运算器、调焦驱动组件、运动部件、编码器和锁定部件，其中：

运动部件：与光学相机像面固定连接，并在调焦驱动组件的驱动下带动光学相机像面沿光学相机的光轴移动；

锁定部件：对运动部件的运动进行锁定；

编码器：获取光学相机像面静止时的位置信息P_r并送至检焦判断器；r=0时光学相机像面处于初始位置，r=1,2,…R时光学相机像面处于第r次移动后的位置，R为调焦完成后光学相机像面可能的总移动次数；

图像采集器：从光学相机像面获取原始图像信息，对原始图像信息进行去噪声和非均匀性校正处理得到校正图像信息，对校正图像信息按量化比特数k进行量化得到量化图像信息并送至数据运算器；所述的量化图像信息包括灰度值为i的像元总数N_i，i=0,1,2,…2^k-1，

为量化图像的总像元数；

数据运算器：根据光学相机像面在静止位置时对应的量化图像信息，计算图像的构形熵

并送至检焦判断器；其中M_i=N_i×lgN_i，M_i通过查找预先存储的M_i和N_i的映射关系表获得，与P_r位置对应的构形熵记为H_r；

检焦判断器：向光学相机发出成像启动信息；根据编码器传来的位置信息以及数据运算器传来的构形熵计算结果进行判断，若H_r-1<H_r，则发出调焦控制信息至调焦驱动组件，使光学相机像面沿与第r次移动方向相同的方向移动至下一位置；若H_r-1>H_r，则发出调焦控制信息至调焦驱动组件，使光学相机像面沿与第r次移动方向相反的方向移动至下一位置；通过不断的移动直至找到最大构形熵H_max所对应的光学相机像面所在位置，此时发出控制信息至锁定部件，锁定光学相机像面的位置。

所述的光学相机像面每次移动的距离作为调焦步长，调焦步长按照以下原则设定：初始调焦步长为调焦量范围内20～30倍的光学相机焦深，随后对光学相机像面移动的方向进行统计，若光学相机像面移动的方向没有改变，则光学相机像面下一次移动时的调焦步长保持与上一次移动时的调焦步长一致；若光学相机像面移动的方向发生了改变，则光学相机像面下一次移动时的调焦步长为上一次移动时的调焦步长的δ倍，0<δ<1。

所述的数据运算器按像元顺序一次完成整幅图像不同灰度级i所对应像元数N_i的统计，对应每个灰度级i，每增加一个像元就自动将与该灰度级i相应的N_i值加1。

一种光学相机自适应快速调焦方法，步骤如下：

（A）从光学相机像面在静止位置获取原始图像信息，对原始图像信息进行去噪声和非均匀性校正处理得到校正图像信息；

（B）对校正图像信息按量化比特数k进行量化得到量化图像信息；所述的量化图像信息包括灰度值为i的像元总数N_i，i=0,1,2,…2^k-1；

（C）建立M_i和N_i的映射关系表并存储，根据量化图像信息采用公式

计算光学相机像面在静止位置时对应成像结果的构形熵H，其中M_i=N_i×lgN_i通过查找映射关系表获得；

（D）从光学相机像面的初始位置P₀开始，改变光学相机像面的静止位置P_r，每改变一次位置，就进行前后两个位置对应的构形熵的比较，

若H_r-1<H_r，则使光学相机像面沿与第r次移动方向相同的方向移动至下一位置；若H_r-1>H_r，则使光学相机的像面沿与第r次移动方向相反的方向移动至下一位置；其中H_r为与P_r位置对应的构形熵，H_r-1为与P_r-1位置对应的构形熵，H₀为与初始位置P₀对应的构形熵；

通过不断的移动直至找到最大构形熵H_max所对应的光学相机像面所在位置，并将该位置作为光学相机像面的最终位置。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明调焦时采用最大构形熵实现光学相机在轨自适应调焦功能，相对于现有的光学相机调焦装置，本发明通过检焦判断器、数据运算器、运动部件的协同配合，仅需对前后两个像面的构形熵进行比较，结合灵活设置调焦步长的方式，大幅度降低了调焦运算量，节约了存储空间，大幅度减少调焦驱动引起的机械运动次数、成像过程与构形熵比对次数，并且能够快速准确地找到满足精度要求的合焦位置；

（2）由于目前广泛采用的CCD器件的量化比特数不断提高，量化图像的灰度级增多，使得构形熵的精度得到了很大的提高。本发明调焦过程采用基于灰度分布的最大构形熵H_max作为合焦判据，图像量化灰度级达到2^k，可以大幅提高调焦精度，能更好地满足弱对比度目标的航天遥感；

（3）本发明按像元顺序一次完成整幅图像不同灰度级i所对应像元数N_i的统计，对应每个灰度级i，每增加一个像元就自动将与该灰度级i相应的N_i值加1，避开了对于每个灰度级i都要遍历整幅图像的像元数N_i统计方式，使像元数N_i统计效率提高了2^k倍。对于像元数为1024×1024、按10比特进行图像量化的CCD光学相机，采用本发明，像元数N_i统计效率提高了2¹⁰倍，构形熵运算量约降到1/2²⁰倍，大大减少了调焦机械运动次数，大幅度提高了相机在轨调焦效率，实现光学相机在轨自适应快速调焦；

（4）本发明数据运算器事先存储了l×m、M_K=K×lgK计算值，使构形熵H的计算只需在在数据查询库中找到与N_i相等的K，用查询数据的方式代替M_i=N_i×lgN_i的对数及乘法运算，直接用加法器完成对应像面构形熵

的计算，减少了2^k次对数及2^k次乘法运算，计算速度约提高了2^2k倍，使每个图像的构形熵计算时间减少到原来的1/2^2k。

综上所述，本发明大幅度降低了调焦运算量，节约了存储空间，大大减少了调焦机械运动次数，大幅度提高了相机在轨调焦效率，计算速度提高了约2^2k倍，调焦速度快，精度高，能更好满足弱对比度目标的航天遥感探测，解决了空间光学遥感器在轨自动快速调焦的难题，提高了高分辨率光学相机在轨图像质量，实现光学相机在轨自适应快速调焦。

附图说明

图1为本发明调焦装置的组成原理框图；

图2为本发明的数据查询库示意图；

图3为本发明调焦方法的流程图。

具体实施方式

本发明适用于像面沿光轴方向往返调整实现调焦功能的光学相机。

由香农信息理论可知，当事件发生的概率越小，它的先验不确定性愈大，包含的自信息量越大。CCD光学相机像面像元总数为常数l×m，定义图像中灰度值i（i=0,1,2,…2^k-1，k为量化比特数，例如k=8，灰度值范围为0～255）所对应的像元总数为N_i，在图像中出现的频率为

定义：

$H=-\underset{0}{\overset{2^k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}p\left(i\right)\mathrm{lg\; p}\left(i\right)$

当

最小时，图像在合焦状态，图像最清晰。

$H=-\underset{0}{\overset{2^k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{N_i}{l\&times;m}\lg \frac{N_i}{l\&times;m}$

$H=-\frac{1}{l\&times;m}\underset{0}{\overset{2^k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_i\&times;[\lg N_i-\lg (l\&times;m)]$

$H=-\frac{1}{l\&times;m}\underset{0}{\overset{2^k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}[N_i\&times;\lg N_i-N_i\lg (l\&times;m)]$

$H=-\frac{1}{l\&times;m}\underset{0}{\overset{2^k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_i\&times;\lg N_i-\frac{1}{l\&times;m}\underset{0}{\overset{2^k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_i\lg (l\&times;m)$

$H=-\frac{1}{l\&times;m}\underset{0}{\overset{2^k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_i\&times;\lg N_i-\frac{\lg (l\&times;m)}{l\&times;m}$

其中的及

均为常数。

令 $a=\frac{1}{l\&times;m}$ 及 $b=\frac{\lg (l\&times;m)}{l\&times;m}$

定义构形熵：

则有：H=-a×H_构形熵-b

光学遥感器对目标成像时，若图像在焦面时，能量弥散最小，能量分布最集中，各像元之间能量梯度最大，构形熵最大；当离焦程度增大时，由于图像模糊，各像元的能量差异变小，构形熵减小。因此，只要找到了构形熵最大的位置，就可以锁定最优的焦面位置。

本发明对地面或空间目标成像，采用最大构形熵作为合焦判据，快速调焦，获取高质量的图像。本发明调焦装置的组成如图1所示，包括检焦判断器1、图像采集器2、数据运算器3、调焦驱动组件9、运动部件6、编码器7、锁定部件8。检焦判断器1给光学相机像面10发出成像启动信息，光学相机像面10的CCD器件将光信号转换成电信号，传送给图像采集器2。图像采集器2完成图像采集、去噪声、非均匀性校正处理，并按量化比特数k完成图像量化，将图像数据发送给数据运算器3。

数据运算器3完成图像构形熵的计算与记录，把构形熵的计算结果发送给检焦判断器1。检焦判断器1比较不同像面图像构形熵的大小，当图像构形熵达到满足调焦精度的最大构形熵时，检焦判断器1给调焦驱动组件9发出调焦控制信息，待接收到编码器7反馈的像面位置信息后，继续向光学相机像面10发出成像启动信息；当图像构形熵达到满足调焦精度的最大构形熵时，检焦判断器1接收到编码器7反馈的像面位置信息后，发出像面锁定信息，使锁定部件8锁定光学相机像面10，完成调焦过程。

调焦驱动组件9由驱动电路4和调焦电机5组成；驱动电路4接收检焦判断器1的调焦控制信息后，启动调焦电机5，驱动运动部件6带着光学相机像面10沿光轴方向往构形熵大的像面方向移动。编码器7读取运动部件6的位置，将相应的像面位置信息反馈给检焦判断器1；锁定部件8接收检焦判断器1的像面锁定信息，锁定光学相机像面10。

光学相机像面10的CCD器件完成光信号转换成电信号，CCD总像元数为l×m个；数据运算器3事先存储了l×m、M_K=K×lgK的计算值（K=0,1,2…l×m），形成数据查询库，如图2所示。

数据运算器3读取图像采集器2量化后的图像数据，按像元顺序一次完成整幅图像不同灰度级i所对应像元数N_i的统计，对应每个灰度级i，每增加一个像元就自动将与该灰度级i相应的N_i值加1（i=0,1,2,…2^k-1）。如图2所示，可以先从第一行开始，从左至右依次读取第一行的像元，每读取一个像元即记录该像元的灰度级i，同时相应的N_i值加1。然后再次读取第二行、第三行直至最后一行的各像元，直至遍历整个图像，从而实现一次搜索即完成对整幅图像像元不同灰度级i及所对应像元数N_i的统计。

数据运算器3计算图像的构形熵时，在数据查询库中找到与N_i相等的K，用查询数据的方式代替M_i=N_i×lgN_i的对数及乘法运算，直接用加法器完成对应像面构形熵

的计算，使每个图像的构形熵计算时间减少到原来的1/2^2k。

如图3所示，一次调焦的具体实施步骤如下：

（1）相机在发射入轨前，数据运算器3事先存储了l×m、M_K=K×lgK的计算值，形成数据查询库，l×m是光学相机像面10的总像元数，K=0,1,2…l×m。数据运算器3设置初始调焦步长L，初始计数器T₀=1。

（2）相机在轨工作，调焦开始，检焦判断器1发出成像启动信息给光学相机像面10，CCD器件完成光电转换，图像采集器2对图像去噪声、非均匀性校正处理；

（3）图像采集器2接收光学相机像面10的电信号，按k比特量化图像，将图像数据发送给数据运算器3。

（4）编码器7反馈给数据运算器3初始像面P₀位置信息。

（5）数据运算器3按先行后列的顺序读取图像的每个像元，对应每个灰度级i，每增加一个像元就自动将与该灰度级i相应的N_i值加1（i=0,1,2,…2^k-1），一次完成整幅图像不同灰度级i所对应像元数N_i的统计。数据运算器3在数据查询库中找到与N_i相等的K，对应将M_K=K×lgK代替M_i=N_i×lgN_i，做加法计算

得到相应的构形熵H₀。

（6）检焦判断器1发出调焦控制信息给调焦驱动组件9，驱动运动部件6带动光学相机像面10沿光轴移动距离L，编码器7读取运动部件6的位置信息，反馈给检焦判断器1，确定为新的像面P₁。

（7）检焦判断器1发出成像启动信息，光学相机像面10在像面位置P₁处成像，完成光电转换。

（8）图像采集器2对P₁像面的图像去噪声、非均匀性校正、量化处理，将图像数据发送给数据运算器3。

（9）数据运算器3计算相应的构形熵H₁。

（10）检焦判断器1比较、记录构形熵的值，并采用以下判据判断调焦方向，发出调焦控制信息：

若H₀<H₁，检焦判断器1将计数器置0（即T₀=0），发出调焦信息给调焦驱动组件9，驱动运动部件6带动处于P₁位置的光学相机像面10沿光轴P₀→P₁方向移动距离L，编码器7读取运动部件6的位置信息，反馈给检焦判断器1新的像面位置P₁；将原像面位置P₁重置为P₀；

若H₀>H₁，检焦判断器1发出调焦信息给调焦驱动组件9，驱动运动部件6带动处于P₀位置的光学相机像面10沿P₀→P₁反方向移动距离L，编码器7读取运动部件6的位置信息，反馈给检焦判断器1新的像面位置P₁。

（11）若T₀=1，重复步骤（7）～（10）；若T₀=0，检焦判断器1调整调焦步长，使L为上一次调焦步长的一半（即L=0.5L），沿P₀→P₁方向将处于P₀的光学相机像面10移动L，编码器7读取运动部件6的位置信息，反馈给检焦判断器1新的像面位置P₁；检焦判断器1将计数器重置T₀=1。

（12）如果最后一次计算得到的调焦步长依旧大于焦深的一半，重复步骤（7）～（11）。

（13）如果最后一次计算得到的调焦步长小于焦深的一半，即认为找到了最大构形熵H_max。检焦判断器1发出锁定像面信息，锁定部件8接收锁定像面信息锁定像面10，调焦过程结束。

需要说明的是，对于每一次调焦步长的选取可以根据实际需要确定，最终目的是以最快的速度寻找到最大构形熵所在的位置。在实际工程当中，可以采用如下的原则：初始调焦步长为调焦量范围内20～30倍的光学相机焦深，随后对光学相机像面10移动的方向进行统计，若光学相机像面10移动的方向没有改变，则光学相机像面10下一次移动时的调焦步长保持与上一次移动时的调焦步长一致；若光学相机像面10移动的方向发生了改变，则光学相机像面10下一次移动时的调焦步长为上一次移动时的调焦步长的δ倍，0<δ<1。另外，在第一次从P₀位置开始移动一次到达P₁位置后（无论向左还是向右），通过计算构形熵即发现H₀>H₁，此时应保持初始调焦步长不变使光学相机像面10尽快回到初始位置，以确保后续移动过程中移动方向更容易快速的逼近构形熵最大值H_max所在位置。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种光学相机自适应快速调焦装置，其特征在于包括：检焦判断器（1）、图像采集器（2）、数据运算器（3）、调焦驱动组件（9）、运动部件（6）、编码器（7）和锁定部件（8），其中：

运动部件（6）：与光学相机像面（10）固定连接，并在调焦驱动组件（9）的驱动下带动光学相机像面（10）沿光学相机的光轴移动；

锁定部件（8）：对运动部件（6）的运动进行锁定；

编码器（7）：获取光学相机像面（10）静止时的位置信息P_r并送至检焦判断器（1）；r=0时光学相机像面（10）处于初始位置，r=1,2,…R时光学相机像面（10）处于第r次移动后的位置，R为调焦完成后光学相机像面（10）可能的总移动次数；

图像采集器（2）：从光学相机像面（10）获取原始图像信息，对原始图像信息进行去噪声和非均匀性校正处理得到校正图像信息，对校正图像信息按量化比特数k进行量化得到量化图像信息并送至数据运算器（3）；所述的量化图像信息包括灰度值为i的像元总数N_i，i=0,1,2,…2^k-1，

为量化图像的总像元数；

数据运算器（3）：根据光学相机像面（10）在静止位置时对应的量化图像信息，计算图像的构形熵

并送至检焦判断器（1）；其中M_i=N_i×lgN_i，M_i通过查找预先存储的M_i和N_i的映射关系表获得，与P_r位置对应的构形熵记为H_r；

检焦判断器（1）：向光学相机发出成像启动信息；根据编码器（7）传来的位置信息以及数据运算器（3）传来的构形熵计算结果进行判断，若H_r-1<H_r，则发出调焦控制信息至调焦驱动组件（9），使光学相机像面（10）沿与第r次移动方向相同的方向移动至下一位置；若H_r-1>H_r，则发出调焦控制信息至调焦驱动组件（9），使光学相机像面（10）沿与第r次移动方向相反的方向移动至下一位置；通过不断的移动直至找到最大构形熵H_max所对应的光学相机像面（10）所在位置，此时发出控制信息至锁定部件（8），锁定光学相机像面（10）的位置。

2.根据权利要求1所述的一种光学相机自适应快速调焦装置，其特征在于：所述的光学相机像面（10）每次移动的距离作为调焦步长，调焦步长按照以下原则设定：初始调焦步长为调焦量范围内20～30倍的光学相机焦深，随后对光学相机像面（10）移动的方向进行统计，若光学相机像面（10）移动的方向没有改变，则光学相机像面（10）下一次移动时的调焦步长保持与上一次移动时的调焦步长一致；若光学相机像面（10）移动的方向发生了改变，则光学相机像面（10）下一次移动时的调焦步长为上一次移动时的调焦步长的δ倍，0<δ<1。

3.根据权利要求1或2所述的一种光学相机自适应快速调焦装置，其特征在于：所述的数据运算器（3）按像元顺序一次完成整幅图像不同灰度级i所对应像元数N_i的统计，对应每个灰度级i，每增加一个像元就自动将与该灰度级i相应的N_i值加1。

4.一种光学相机自适应快速调焦方法，其特征在于步骤如下：

（A）从光学相机像面（10）在静止位置获取原始图像信息，对原始图像信息进行去噪声和非均匀性校正处理得到校正图像信息；

（B）对校正图像信息按量化比特数k进行量化得到量化图像信息；所述的量化图像信息包括灰度值为i的像元总数N_i，i=0,1,2,…2^k-1；

（C）建立M_i和N_i的映射关系表并存储，根据量化图像信息采用公式

计算光学相机像面（10）在静止位置时对应成像结果的构形熵H，其中M_i=N_i×lgN_i通过查找映射关系表获得；

（D）从光学相机像面（10）的初始位置P₀开始，改变光学相机像面（10）的静止位置P_r，每改变一次位置，就进行前后两个位置对应的构形熵的比较，

若H_r-1<H_r，则使光学相机像面（10）沿与第r次移动方向相同的方向移动至下一位置；若H_r-1>H_r，则使光学相机的像面（10）沿与第r次移动方向相反的方向移动至下一位置；其中H_r为与P_r位置对应的构形熵，H_r-1为与P_r-1位置对应的构形熵，H₀为与初始位置P₀对应的构形熵；

通过不断的移动直至找到最大构形熵H_max所对应的光学相机像面（10）所在位置，并将该位置作为光学相机像面（10）的最终位置。

5.根据权利要求4所述的一种光学相机自适应快速调焦方法，其特征在于：所述的光学相机像面（10）每次改变位置时移动的距离作为调焦步长，调焦步长按照以下原则设定：初始调焦步长为调焦量范围内20～30倍的光学相机焦深，随后对光学相机像面（10）移动的方向进行统计，若光学相机像面（10）移动的方向没有改变，则光学相机像面（10）下一次移动时的调焦步长保持与上一次移动时的调焦步长一致；若光学相机像面（10）移动的方向发生了改变，则光学相机像面（10）下一次移动时的调焦步长为上一次移动时的调焦步长的δ倍，0<δ<1。

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