CN103916599A - 一种针对遥感相机外景成像的快速调焦方法 - Google Patents

Abstract

针对遥感相机外景成像的快速调焦方法，属于光电探测成像领域，为了解决现有技术存在耗时长、主观影响大及精度和速度都难以保证的问题，该方法包括，1、获取归一化对焦评价函数曲线Q；2、实时采集存储一帧外景图像；3、测量相机关键部件温度；4、判断离焦方向；5、计算图像的归一化对焦评价值z；6、判断z值，如z=1执行步骤9，若z<1执行步骤7；7、将z值比照步骤1中的归一化对焦评价函数曲线Q，得到离焦度大小；8、相机控制器将步骤4得到的离焦方向和步骤7得到的离焦度大小结合，发出调焦机构控制信号，调整调焦机构运动；重复步骤2-6，直至拍摄图像的归一化对焦评价值z=1，调焦结束；9、调焦结束，重新执行步骤2。

Description

一种针对遥感相机外景成像的快速调焦方法

技术领域

本发明涉及一种针对遥感相机外景成像的快速调焦方法，属于光电探测成像领域。

背景技术

空间遥感相机作为空间遥感器重要的探测设备，经历了从短焦距、低分辨率到长焦距、高分辨率的发展。随着对空间遥感相机分辨率的要求越来越高，目前，国内外遥感领域普遍采用TDICCD作为探测器。TDICCD通过对同一目标的多次延时累加，可大幅提高成像系统灵敏度和信噪比。但是TDICCD须在相机相对成像目标的运动扫描速度与像移速度严格匹配时，才可以清晰成像，因此其工作原理决定了TDICCD相机在任意时刻所拍摄图像都在变化。

调焦技术作为遥感相机的关键技术之一，其作用是保证成像系统的像平面始终和相机的焦平面重合，获得最佳的图像。遥感相机在研制、调试阶段需要在地面开展大量的外景成像试验、传函测试、靶标成像试验等工作，以对相机功能和性能加以验证，TDICCD相机也不例外。其中遥感相机的地面成像实验是遥感相机研制、调试阶段的一种重要的安全测试手段。在地面成像实验中，搬运或成像过程中转台存在振动、外界温度变化等诸多不确定因素，这些因素都会导致相机焦面变化，尤其随着相机焦距增长，产生的离焦越严重。为了保证相机成像质量，调焦技术是TDICCD遥感相机使用过程中需要着重解决的问题。然而，由于地面试验中基本不会采取温控措施，导致现有技术中的，飞行器在轨利用温控技术来基本保证地面标定焦面不变化的方法，不能应用于遥感相机的地面成像实验中。

TDICCD相机的工作原理决定了其成像场景实时变化，致使目前民用设备中的有参照图像调焦方法几乎完全失效。目前，遥感相机的地面外景成像试验的调焦方法是：转台推扫获取一帧图像；将图像放大至像素级，人眼观测图像边缘的过渡像素个数，以此作为检焦方法；然后分析产生离焦的各个环节，对离焦方向做出预估，并沿着预估方向试探调整焦面；确定离焦方向后采用两头逼近方式重复上述过程直至图像边缘过渡像素最少。这种方法实现起来不仅繁琐耗时，而且人为因素干扰导致准确率低；对于外景成像尤其秋季温度变化剧烈的情况成像过程的多半时间都处于调焦状态；对于拍摄月亮这样的动目标还需要穿插偏流角调整，重新聚焦花费的时间更长；另外当存在像移失配时亦会引起图像模糊，对离焦判断产生干扰。外景成像试验的经验也充分表明离焦成为整个成像过程中影响相机成像质量的最主要因素，而且调焦是整个过程最为频繁、耗时和薄弱的一个环节。因此，目前急需一种适合应用于遥感相机地面外景成像试验中的快速调焦方法。

发明内容

为了解决现有的遥感相机的地面外景成像实验调焦方法存在的各环节实现繁琐耗时、人为参与主观影响大、频繁调整焦面时精度和速度都难以保证的技术问题，提出一种适用于遥感相机地面外景成像实验中的简单高效、可以满足频繁调整需要的TDICCD相机的调焦方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

针对遥感相机外景成像的快速调焦方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、获取归一化对焦评价函数曲线Q，调整遥感相机调焦机构使获取图像至最清晰状态，记录此时调焦机构位置s₀，并将该位置作为准焦初始位置0；调整焦面位置至s_i处后由图像采集处理系统获取512行图像I(x,y)，利用构建的对焦评价函数f计算图像I(x,y)的对焦评价值z，并记录位置s_i及其对应的对焦评价值z_i为（s_i-s₀,z_i）；按小步长调整调焦机构位置使之遍历整个调焦范围，每个位置s_i值均对应一个对焦评价值z_i，将获取的所有（s_i-s₀,z_i）数据利用曲线拟合方法得到归一化对焦评价函数曲线Q；

步骤2、实时采集一帧外景图像，存储图像灰度值I(x,y)，本发明中选用512行图像作为一帧；

步骤3、测量相机关键部件温度，因为相机中主要是光机本体受温度变化的影响相对较大，因此选取镜面、主背板、支撑结构关键点为测温点；

步骤4、判断离焦方向，测温点温度实时传输至相机控制器，然后依据光机材料的温度特性计算得到焦面偏移方向为正或负，对应的调焦方向恰与离焦方向相反；

步骤5、计算图像的归一化对焦评价值，在图像采集处理系统中利用构建的对焦评价函数f对存储的当前帧图像处理，得到对焦评价值z；

步骤6、判断z值，如果z=1则说明图像准焦，此时无需调焦可直接外景成像，执行步骤9；若z<1说明相机处于离焦状态，执行步骤7；

步骤7、将z值比照步骤1中的归一化对焦评价函数曲线Q，得到离焦度大小；

步骤8、相机控制器将步骤4得到的离焦方向和步骤7得到的离焦度大小结合，发出调焦机构控制信号，调整调焦机构运动；重复步骤2-6，直至拍摄图像的归一化对焦评价值z=1，调焦结束；

步骤9、调焦结束，此时图像清晰度最佳，重新执行步骤2。

所述对焦评价函数f获得的方法步骤具体如下：

a)用I(x,y)表示一幅M*N大小的图像；

b)采用高通滤波器h去除噪声和亮度不均匀产生的干扰，得到预处理图像F(x,y)， $F(x,y)=I(x,y)\&CircleTimes;h;$

c)设计一个对焦评价函数f对图像离焦度进行评价，其表达式为：

$f=\frac{1}{M^3{N}^3}\underset{\mathrm{\&mu;}-1}{\overset{\mathrm{\&mu;}=M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{v=1}{\overset{v=N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\underset{x=1}{\overset{x=M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{y=1}{\overset{y=N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(F(x,y)e^{-2\mathrm{\&pi;iyv}/N}{e}^{-2\mathrm{\&pi;ix\&mu;}/M}\right)\right)}^2|u,v$

其中对焦评价函数f只选取满足以下条件的点进行计算，或 $\mathrm{\&mu;}=\frac{M+N}{2}-v.$

本发明的有益效果：采用自行设计的对焦评价函数来对图像离焦度进行评价，实时高效，避免了人工判读的繁琐和主观性，克服了传统对焦评价函数对场景目标的依赖，从而稳定检测出不同场景图像的离焦度。采用基于温度变化判断离焦方向的方法解决了对焦评价函数难以单帧确定离焦方向的难题，因此更利于快速寻找到准焦位置。该方法简单易行，实时性强，稳定性好。

附图说明

图1为本发明一种针对遥感相机外景成像的快速调焦方法框图。

图2为本发明实验中不同离焦度的外景推扫图像。

图3为本发明实验中图2中各幅图像的对焦评价值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

一种针对遥感相机外景成像的快速调焦方法所用的实验系统设备包括：遥感相机，成像转台，温度传感器，图像采集处理系统。其中遥感相机包括相机光机本体、TDICCD及成像电路、相机控制器、调焦机构组件。遥感相机放置于成像转台，在转台转动过程中遥感相机实现推扫成像。图像采集处理系统完成遥感相机图像的实时采集存储。

本发明针对遥感相机外景成像的快速调焦方法的具体步骤如图1所示：

步骤1、获取归一化对焦评价函数曲线Q，该步骤在恒温实验室内完成。调整遥感相机调焦机构使获取图像至最清晰状态，记录此时调焦机构位置s₀，并将该位置作为准焦初始位置0。调整焦面位置至s_i处后由图像采集处理系统获取512行图像I(x,y)，利用构建的对焦评价函数f计算图像I(x,y)的对焦评价值z，并记录位置s_i及其对应的对焦评价值z_i为（s_i-s₀,z_i）；按小步长调整调焦机构位置使之遍历整个调焦范围，每个位置s_i值均对应一个对焦评价值z_i，将获取的所有（s_i-s₀,z_i）数据利用曲线拟合方法得到归一化对焦评价函数曲线Q。曲线Q将为外景成像的对焦评价值提供离焦度大小的参考。

对焦评价函数f获得的方法步骤具体如下：

a)用I(x,y)表示一幅M*N大小的图像；

b)采用高通滤波器h去除噪声和亮度不均匀产生的干扰，得到预处理图像F(x,y)； $F(x,y)=I(x,y)\&CircleTimes;h$

c)设计一个对焦评价函数f对图像离焦度进行评价，其表达式为：

$f=\frac{1}{M^3{N}^3}\underset{\mathrm{\&mu;}-1}{\overset{\mathrm{\&mu;}=M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{v=1}{\overset{v=N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\underset{x=1}{\overset{x=M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{y=1}{\overset{y=N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(F(x,y)e^{-2\mathrm{\&pi;iyv}/N}{e}^{-2\mathrm{\&pi;ix\&mu;}/M}\right)\right)}^2|u,v$

其中对焦评价函数f只选取满足以下条件的点进行计算：或 $\mathrm{\&mu;}=\frac{M+N}{2}-v.$

步骤2、实时采集一帧外景图像，存储图像灰度值I(x,y)，本发明中选用512行图像作为一帧。

步骤3、测量相机关键部件温度，因为相机中主要是光机本体受温度变化的影响相对较大，因此选取镜面、主背板、支撑结构关键点为测温点。

步骤4、判断离焦方向，测温点温度实时传输至相机控制器，然后依据光机材料的温度特性计算得到焦面偏移方向为正或负，对应的调焦方向恰与离焦方向相反。

步骤5、计算图像的归一化对焦评价值，在图像采集处理系统中利用构建的对焦评价函数f对存储的当前帧图像处理，得到对焦评价值z。

步骤6、判断z值，如果z=1则说明图像准焦，此时无需调焦可直接外景成像，执行步骤9；若z<1说明相机处于离焦状态，执行步骤7。

步骤7、将z值比照步骤1中的归一化对焦评价函数曲线Q，得到离焦度大小。

步骤8、相机控制器将步骤4得到的离焦方向和步骤7得到的离焦度大小结合，发出调焦机构控制信号，调整调焦机构运动。重复步骤2-6，直至拍摄图像的归一化对焦评价值z=1，调焦结束。

步骤9、调焦结束，此时图像清晰度最佳，重新执行步骤2。

为了验证该方法的有效性和实时性，本发明进行了大量外景成像试验。

试验结果：

如图2所示，3幅图像的离焦程度逐渐严重，而且三幅图像的场景内容和目标亮度也各不相同；对应的归一化对焦评价值应该能够准确反映离焦大小而不受场景内容和目标亮度变化的影响，即三幅图像的归一化对焦评价值应逐渐减小。实测结果如图3所示，图中曲线呈递减趋势，与预期结果完全吻合。且本发明使用的方法对于4096*512的图像全部的处理过程不超过1s，加上平均调焦机构运动过程，目前算法可以满足遥感相机地面外景成像对调焦的实时处理要求。

Claims (2)

1.针对遥感相机外景成像的快速调焦方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、获取归一化对焦评价函数曲线Q，调整遥感相机调焦机构使获取图像至最清晰状态，记录此时调焦机构位置s₀，并将该位置作为准焦初始位置0；调整焦面位置至s_i处后由图像采集处理系统获取512行图像I(x,y)，利用构建的对焦评价函数f计算图像I(x,y)的对焦评价值z，并记录位置s_i及其对应的对焦评价值z_i为（s_i-s₀,z_i）；按小步长调整调焦机构位置使之遍历整个调焦范围，每个位置s_i值均对应一个对焦评价值z_i，将获取的所有（s_i-s₀,z_i）数据利用曲线拟合方法得到归一化对焦评价函数曲线Q；

步骤2、实时采集一帧外景图像，存储图像灰度值I(x,y)，本发明中选用512行图像作为一帧；

步骤3、测量相机关键部件温度，因为相机中主要是光机本体受温度变化的影响相对较大，因此选取镜面、主背板、支撑结构关键点为测温点；

步骤4、判断离焦方向，测温点温度实时传输至相机控制器，然后依据光机材料的温度特性计算得到焦面偏移方向为正或负，对应的调焦方向恰与离焦方向相反；

步骤5、计算图像的归一化对焦评价值，在图像采集处理系统中利用构建的对焦评价函数f对存储的当前帧图像处理，得到对焦评价值z；

步骤6、判断z值，如果z=1则说明图像准焦，此时无需调焦可直接外景成像，执行步骤9；若z<1说明相机处于离焦状态，执行步骤7；

步骤7、将z值比照步骤1中的归一化对焦评价函数曲线Q，得到离焦度大小；

步骤8、相机控制器将步骤4得到的离焦方向和步骤7得到的离焦度大小结合，发出调焦机构控制信号，调整调焦机构运动；重复步骤2-6，直至拍摄图像的归一化对焦评价值z=1，调焦结束；

步骤9、调焦结束，此时图像清晰度最佳，重新执行步骤2。

2.根据权利要求1所述的针对遥感相机外景成像的快速调焦方法，其特征在于，

所述对焦评价函数f获得的方法步骤具体如下：

a)用I(x,y)表示一幅M*N大小的图像；

b)采用高通滤波器h去除噪声和亮度不均匀产生的干扰，得到预处理图像F(x,y)， $F(x,y)=I(x,y)\&CircleTimes;h;$

c)设计一个对焦评价函数f对图像离焦度进行评价，其表达式为：

$f=\frac{1}{M^3{N}^3}\underset{\mathrm{\&mu;}-1}{\overset{\mathrm{\&mu;}=M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{v=1}{\overset{v=N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left(\underset{x=1}{\overset{x=M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{y=1}{\overset{y=N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(F(x,y)e^{-2\mathrm{\&pi;iyv}/N}{e}^{-2\mathrm{\&pi;ix\&mu;}/M}\right)\right)}^2|u,v$

其中对焦评价函数f只选取满足以下条件的点进行计算，或 $\mathrm{\&mu;}=\frac{M+N}{2}-v.$