CN104135624B - 一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法，结合目标图像在不同测量距离之间的物理特征差异和弥散圆变化，构造对应的相机积分时间调整函数，通过相机积分时间动态调整将目标图像灰度水平稳定在相机测量系统能够稳定工作的范围之内，有效地解决了目标图像能量随测量距离变化而影响光学成像敏感器正常测量的问题，增强了月球轨道交会对接光学成像敏感器在大范围复杂环境下的工作能力。

Description

一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法

技术领域

本发明涉及一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法，可以通过相机积分时间调整将目标图像灰度水平稳定在相机测量系统能够稳定工作的范围之内，主要应用于空间交会测量相机的曝光时间调整。

背景技术

月球轨道交会对接是月球探测三期工程的关键技术之一。在交会对接近距离的平移靠拢段，即在两飞行器距离从150米到对接完成(约0.3米)，光学成像敏感器是唯一能够同时提供位置和姿态六自由度测量信息的设备，是交会对接任务的关键设备。

月球轨道交会对接测量目标为点光源成像，从最远距离150m至最近距离0.3m由于测量距离跨度较大而导致目标图像无法稳定在一定的灰度水平范围。目标亮度过强会导致目标图像形成差分暗斑；目标亮度过弱会导致目标无法识别，从而影响后续目标标志器特征识别方法的正常工作。

现在调节曝光时间的主要方法主要有如下三种方式：通过把探测到的目标或场景的信息作为反馈量自适应地调节曝光时间，实现对系统动态范围的自动调整，从而获得一个较宽的动态范围；将传统的阈值分割和曝光时间自适应技术结合，根据CCD应用现场图像二值图评估光照强度浮动，调整相机积分时间；通过分析图像灰度水平，调整光源发光强度和相机积分时间，获得稳定的测量图像。

以上方法中，第一种曝光时间调整方法需要经过多次相机积分时间调节才能达到比较合适的状态，而且对于不断变化的目标，调节相机积分时间的次数不能确定，将导致图像输出的帧频也比较低；第二种调整方式是根据测试图像的滞后调整，无法对当前处理的图像进行调整，而且是全局图像的处理方式，无法保证局部特征图像的成像质量；第三种调整方式需要进行相机积分时间和照明光源进行多次调整才能获得理想的目标图像，最终将降低图像输出的帧频率。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法，可以通过相机积分时间调整将目标图像灰度水平稳定在相机测量系统能够稳定工作的范围之内，有效地解决了目标能量过强或过弱的问题，从而为准确的光点提取奠定基础。

本发明的技术解决方案是：一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法，步骤如下：

(1)调整相机的积分时间，采集各试验点的目标图像并记录各目标图像的最佳相机积分时间T_i；

具体为：

根据待求解拟合方程中拟合参数的个数，试验试验点的个数n大于等于6，各试验点确定条件为：

D_i＝L_min*2+(i-1)*(0.5*L_max-L_min*2)/n，i＝1,2,...,n

其中，D_i表示第i个试验点与相机之间的距离，L_min为相机的最近工作距离，L_max为相机的最远工作距离；

在各试验点将测量目标移动至相机视场中央，使得目标图像质心与图像中心(u,v)之间的距离小于等于2个像素，利用相机对测量目标成像，成像过程中调整相机积分时间，即相机的曝光时间，获取最佳相机积分时间，使得目标图像峰值灰度值处于[150-160]区间内，采集最佳相机积分时间时各试验点的目标图像并记录对应试验点目标图像的最佳相机积分时间T_i；

(2)利用步骤(1)采集的各试验点的目标图像计算各试验点目标图像的特征函数A_i；

具体为：

对步骤(1)中获取的各试验点的目标图像进行特征提取，确定不同距离条件下的目标图像的图像特征，令计算每个试验点目标图像的图像特征函数时，选取的截取窗口S_i均为正方形，且大小均为11×11像元，则图像特征函数A_i的数学表达式如下：

其中，

P(u,v)＝|F(u.v)|²

其中，f(x,y)为图像在点(x,y)处像素的灰度值，(x,y)为像素点坐标，M,N为截取窗口的宽度和高度，截取窗口中心与图像中心重合，SS为截取窗口区域面积；

(3)利用步骤(1)中得到的各目标图像的最佳相机积分时间T_i和步骤(2)中计算的目标图像特征函数A_i计算光束函数各待定系数，确定光束函数，即可利用光束函数和任意试验点的目标图像完成任意试验点相机积分时间的调整；

各目标图像的最佳相机积分时间T_i、光束函数P(z)和各目标图像特征函数A_i之间的关系具体为：

T_i＝K*A_i*P(z)

其中光束函数P(z)表示弥散圆大小随距离的变化关系，P(z)的数学表达式为：

其中，z为测量距离，L为理论物距，a₁，b₁，c₁，d₁为待定系数，K为量纲调整系数；

利用求得的各试验点的的最佳相机积分时间T_i和目标图像特征函数A_i，建立方程组：

其中，当最佳相机积分时间T_i量纲为秒时，K＝1；当最佳相机积分时间T_i量纲为毫秒时，K＝1000；

依据牛顿-赛德尔迭代完成后对上述方程组计算得到待定系数，即可完成光束函数的确定，利用光束函数和任意试验点的目标图像完成任意试验点相机积分时间的调整。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明充分考虑了目标图像在不同测量距离之间的物理特征差异和弥散圆变化，通过相机积分时间动态调整将目标图像灰度水平稳定在相机测量系统能够稳定工作的范围之内，有效地解决了目标图像能量随测量距离变化而影响光学成像敏感器正常测量的问题，从而为准确的光点提取奠定基础，增强了子系统在大范围复杂环境下的工作能力；

(2)本发明充分考虑光学成像敏感器实际的成像环境和能量条件，并根据实际的成像环境和能量条件构造相机积分时间和测量距离关系，将包含复杂光学函数与图像信息的相机积分时间函数变为距离的单值函数，极大地降低了曝光时间调整周期和硬件系统复杂度；

(3)本发明避开了对目标图像信息的访问，将目标光照条件和目标图像通过待定系数法获得了敏感器测量范围内最佳的相机积分时间调整结果，不仅大幅提高了图像帧频率而且能够有效降低图像变化对相机积分时间调整方法的干扰，对高鲁棒性、高刷新率月球轨道交会对接敏感器的研制具有重要工程使用价值。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明提出的一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法主要是通过相机积分时间系数确定试验完成光束函数建立，配合图像特征进行相机积分时间确定，具体实施过程如上图1所示，步骤如下：

(1)完成相机积分时间系数确定试验；采集各试验点的目标图像并记录各目标图像的最佳相机积分时间T_i；

因为图像特征函数值和相机积分时间调整方法中的待定系数需要通过成像试验完成计算，根据相关待定系数拟合要求，试验距离D点数n不应小于6，一般试验距离确定条件D_i＝L_min*2+(i-1)*(0.5*L_max-L_min*2)/n，i＝1,2,...,n，L_min为最近工作距离，L_max为最远工作距离，在对应的工作试验点将测量目标移动至相机视场中央，保证目标图像质心与图像中心(u,v)之间的距离小于等于2个像素，利用相机对测量目标成像，调整相机积分时间，即相机曝光时间使得目标图像峰值灰度水平(8位图)在[150-160]之间，采集各试验点的目标图像并记录对应试验点的目标图像的最佳相机积分时间T_i，完成试验。

(2)利用步骤(1)采集的各试验点的目标图像计算各试验点目标图像的特征函数值；

对步骤(1)中获取的各试验点的目标图像进行分析，确定不同距离条件下的目标图像的图像特征，并根据对应距离的目标图像计算图像特征函数值V_i，设每个试验点目标图像的图像特征函数时，截取窗口S_i均为正方形，且大小均为11×11像元则图像特征函数，即截取窗口图像的灰度水平函数A_i，数学表达式如下：

其中，

P(u,v)＝|F(u.v)|²；

上式中，f(x,y)为图像(x,y)像元灰度水平，(x,y)为像素点坐标，M,N为窗口的宽度和高度，窗口中心在图像中心(u,v)(由相机特性参数即光轴与探测器感光面交点坐标)，SS即为窗口区域面积。

(3)利用步骤(1)中得到的各目标图像的最佳相机积分时间T_i和步骤(2)中计算的图像特征函数值计算光束函数各待定系数，确定光束函数，即可利用光束函数和任意试验点的目标图像完成任意试验点相机相机积分时间确定。

完成特征函数值计算后，确定相机积分时间调整函数，主要是完成光束函数中各项待定系数的计算。

相机积分时间调整方法，即根据光束函数和图像特征函数确定相机积分时间，关系如下所示：

T_i＝K*A(i)*P(z)；

P(z)为光束函数即弥散圆大小随距离的变化关系，描述如下：

z为测量距离，L理论物距，a₁，b₁，c₁，d₁为待定系数，由相机积分时间系数确定试验完成后最小二乘拟合获得，其中K为量纲调整系数，依据相机积分时间系数确定试验进行光束函数相关系数的最小二乘拟合，即可完成相机积分时间确定。

依据相机积分时间系数确定试验，计算对应n个距离的最佳相机积分时间T_i和A_i，建立系数求解方程组：

其中，K＝1。

依据牛顿-赛德尔迭代完成后上述方程组相关系数计算，即可完成相机积分时间确定，当最佳相机积分时间T_i量纲为秒时，K＝1；当最佳相机积分时间T_i量纲为毫秒时，K＝1000。

本发明充分考虑了目标图像在不同测量距离之间的物理特征差异和弥散圆变化，通过相机积分时间动态调整将目标图像灰度水平稳定在相机测量系统能够稳定工作的范围之内，有效地解决了目标图像能量随测量距离变化而影响光学成像敏感器正常测量的问题，相对通过把探测到的目标或场景的信息作为反馈量调节积分时间或将传统的阈值分割和曝光时间自适应技术结合的积分时间调节技术相比，在相同满阱条件下，现有技术没有考虑弥散圆尺寸变化及点目标光源像斑大小的变化，无法保证探测图像帧间灰度水平范围在[150，160]变化的控制要求。同时本发明算法将包含复杂光学函数与图像信息的相机积分时间函数变为距离的单值函数实现积分时间调整，相对传统以目标图像和场景等复杂信息作为参量的复合函数，极大地降低了曝光时间调整周期和硬件系统复杂度，对高鲁棒性、高刷新率月球轨道交会对接敏感器的研制具有重要工程使用价值。

具体实施例

以某相机试验结果为例，与积分时间设置相关的参数主要包括：焦距26mm，入瞳直径7mm，理论物距2m，测量范围为1m-8m，图像8位输出，满阱灰度水平为255，积分时间调节当量为0.1ms，具体实施过程如下：

(1)完成相机积分时间系数确定试验；采集各试验点的目标图像并记录各目标图像的最佳相机积分时间T_i；

试验距离点选取6个点，包括：2.0m，2.33m，2.67m，3m，3.33m，3.67m，各点测量最佳积分时间为：0.5ms，0.7ms，1ms，1.4ms，1.8ms，2.3ms，各积分时间对应灰度水平为：152，154，157，152，156，151。

(2)利用步骤(1)采集的各试验点2.0m，2.33m，2.67m，3m，3.33m，3.67m的目标图像计算各试验点目标图像的特征函数值为17.25，15.36，13.13，18.23，19.07，21.11；

(3)利用各试验点2.0m，2.33m，2.67m，3m，3.33m，3.67m最佳相机积分时间0.5ms，0.7ms，1ms，1.4ms，1.8ms，2.3ms和图像特征函数值17.25，15.36，13.13，18.23，19.07，21.11，完成积分时间系数确定如下：a₁＝7.091e-6，b₁＝0.00184，c₁＝0.026，d₁＝3e-4。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法，其特征在于步骤如下：

(1)调整相机的积分时间，采集各试验点的目标图像并记录各目标图像的最佳相机积分时间T_i；

具体为：

根据待求解拟合方程中拟合参数的个数，试验点的个数n大于等于6，各试验点确定条件为：

D_i＝L_min*2+(i-1)*(0.5*L_max-L_min*2)/n，i＝1,2,...,n

其中，D_i表示第i个试验点与相机之间的距离，L_min为相机的最近工作距离，L_max为相机的最远工作距离；

在各试验点将测量目标移动至相机视场中央，使得目标图像质心与图像中心(u,v)之间的距离小于等于2个像素，利用相机对测量目标成像，成像过程中调整相机积分时间，即相机的曝光时间，获取最佳相机积分时间，使得目标图像峰值灰度值处于[150-160]区间内，采集最佳相机积分时间时各试验点的目标图像并记录对应试验点目标图像的最佳相机积分时间T_i；

(2)利用步骤(1)采集的各试验点的目标图像计算各试验点目标图像的特征函数A_i；

具体为：

对步骤(1)中获取的各试验点的目标图像进行特征提取，确定不同距离条件下的目标图像的图像特征，令计算每个试验点目标图像的图像特征函数时，选取的截取窗口S_i均为正方形，且大小均为11×11像元，则图像特征函数A_i的数学表达式如下：

其中，

P(u,v)＝|F(u,v)|²

上式中，f(x,y)为图像(x,y)像元灰度水平，(x,y)为像素点坐标，M,N为窗口的宽度和高度，截取窗口中心与图像中心重合，SS为截取窗口区域面积；

(3)利用步骤(1)中得到的各目标图像的最佳相机积分时间T_i和步骤(2)中计算的目标图像特征函数A_i计算光束函数各待定系数，确定光束函数，即可利用光束函数和任意试验点的目标图像完成任意试验点相机积分时间的调整；

各目标图像的最佳相机积分时间T_i、光束函数P(z_i)和各目标图像特征函数A_i之间的关系具体为：

T_i＝K*A_i*P(z_i)

其中光束函数P(z_i)表示弥散圆大小随距离的变化关系，P(z_i)的数学表达式为：

其中，z_i为测量距离，L为理论物距，a₁，b₁，c₁，d₁为待定系数，K为量纲调整系数；

利用求得的各试验点的最佳相机积分时间T_i和目标图像特征函数A_i，建立方程组：

其中，当最佳相机积分时间T_i量纲为秒时，K＝1；当最佳相机积分时间T_i量纲为毫秒时，K＝1000；

依据牛顿-赛德尔迭代完成后对上述方程组计算得到待定系数，即可完成光束函数的确定，利用光束函数和任意试验点的目标图像完成任意试验点相机积分时间的调整。