CN105450933B - 一种气动光学效应中模糊图像的复原装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气动光学效应中模糊图像的复原装置，包括：波前传感器，用于获取探测目标的反射光波经过气动光学效应之后产生的畸变波前，提取畸变波前中的光学特征参数；其中，光学特征参数至少包括：空间信息和/或时间信息；图像采集装置，用于采集探测目标的图像数据，对其成像处理得到探测目标的原始图像；处理器，用于根据光学特征参数和探测目标的原始图像进行反卷积处理，得到探测目标的复原图像，其通过处理器进行波前传感器提取的光学特征参数和图像采集装置处理得到的探测目标的原始图像的反卷积运算，能够实时高效地对气动光学效应所导致的图像模糊现象校正复原，提高航拍成像系统的分辨力且上述装置小型化、成本较低而适用性较强。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种气动光学效应中模糊图像的复原装置。
背景技术
在我国各领域信息化建设均飞速发展的形势下，数字城市、数字国土、数字林业、数字环保、数字公安、数字能源等数字化建设进程明显加快，并已经取得一定的成果。根据需要，及时的修编和更新地图，建立定期更新的地理数据库，动态监测土地利用变化情况，以及衍生最新时相的各类专题图都是需要迫切解决的问题。目前制约这类动态监测的首要因素是能否具备实用化的，高分辨率，连续稳定并能快速接收使用的监测数据源。
航拍影像具有高清晰、大比例尺、小面积、高现势性的优点，特别适合对陈旧的地理资料进行更新，从而能够满足人们对监测数据源的需要。该航拍影像是指在空中飞行的飞行器以不同的高度、角度、方位对实景实物进行摄影，摄像所得到的图像。然而，由于飞行器的飞行速度快，在经历长时间的高速飞行后其头罩温度会升高，因此，在长时间的航拍过程中会随有强烈的气动光学效应，降低了航拍成像系统的分辨力。
气动光学效应则是指飞行器在稠密大气层内高速飞行时，气流对飞行器产生的气动加热在飞行器头部周围产生高温，飞行器头部激波与表面、气流与外部气流之间形成强湍流边界层，当目标的光束通过湍流流场时，由于混合层气体密度梯度的变化，光学系统将接收到模糊和抖动的目标图像，如图1所示。气动光学效应的存在无疑将大大影响航拍成像系统的分辨力。因此定量地高速测量计算气动光学效应的影响，并采取有效的方法补偿、校正这种影响，成为航拍技术研制的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气动光学效应中模糊图像的复原装置，以减小或去除在航拍图像获取过程中发生的图像质量下降，通过提高图像的清晰度使得图像细节信息更加突出，以恢复退化模糊图像的本来面目，提高航拍成像系统的分辨力。
本发明采用的技术方案为：
第一方面，本发明实施例提供了一种气动光学效应中模糊图像的复原装置，该装置具体包括：波前传感器、图像采集装置和处理器；
所述波前传感器，用于获取所述探测目标的反射光波经过气动光学效应之后产生的畸变波前，提取所述畸变波前中的光学特征参数；其中，所述光学特征参数至少包括：空间信息和/或时间信息；
所述图像采集装置，用于采集所述探测目标的图像数据，对所述图像数据进行成像处理，得到所述探测目标的原始图像；
所述处理器，用于根据所述光学特征参数和所述探测目标的原始图像进行反卷积处理，得到所述探测目标的复原图像。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述装置还包括分光镜；
所述分光镜，用于接收所述探测目标的反射光波经过气动光学效应之后产生的畸变波前，根据光谱特性将所述畸变波前分离为第一光波和第二光波；其中，所述第一光波和所述第二光波的光谱特性不同，且均携带有所述探测目标的图像数据。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述波前传感器，还用于接收所述分光镜分离出的所述第一光波，提取所述第一光波中的光学特征参数。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述图像采集装置，还用于接收所述分光镜分离出的所述第二光波，提取所述第二光波中携带的所述探测目标的图像数据，对所述图像数据进行成像处理，得到所述探测目标的原始图像。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述图像采集装置包括镜头、图像传感器和显示屏；
所述镜头，用于接收所述分光镜分离出的所述第二光波，将所述第二光波折射成对应的折射光波；所述折射光波携带有探测目标的原始图像；
所述图像传感器，用于采集所述折射光波，将所述折射光波转换为对应的电信号，根据模数转换将所述电信号转换成对应的数字信号，对所述数字信号进行分析处理，得到所述折射光波携带的探测目标的原始图像；
所述显示屏，用于显示所述探测目标的原始图像。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述图像采集装置还包括光源；
所述光源，用于向所述探测目标发送光波，以便于所述探测目标接收所述光波后发射携带所述探测目标的图像数据的反射光波。
结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述图像采集装置为红外热像仪；
所述红外热像仪，用于接收所述探测目标的反射光波经过气动光学效应之后产生的红外辐射，根据所述探测目标的红外辐射强度与预设的标准红外辐射强度的差值运算处理，得到与所述探测目标的红外辐射强度相对应的所述探测目标的原始图像。
结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述处理器包括第一运算模块和第二运算模块；
所述第一运算模块，用于接收所述波前传感器发送的所述第一光波中的光学特征参数，对所述光学特征参数进行处理，得到远场光斑数据；其中，所述远场光斑数据至少包括点扩散函数；
所述第二运算模块，用于根据所述远场光斑数据中的点扩散函数，对所述探测目标的原始图像进行反卷积运算，得到所述探测目标的复原图像。
结合第一方面的第七种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述波前传感器为哈特曼波前传感器。
结合第一方面、第一方面的第一种可能的实施方式至第一方面的第八种可能的实施方式中任一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述图像采集装置为照相机。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明实施例提供的气动光学效应中模糊图像的复原装置，包括：波前传感器，用于获取探测目标的反射光波经过气动光学效应之后产生的畸变波前，提取畸变波前中的光学特征参数；其中，光学特征参数至少包括：空间信息和/或时间信息；图像采集装置，用于采集探测目标的图像数据，对其成像处理得到探测目标的原始图像；处理器，用于根据光学特征参数和探测目标的原始图像进行反卷积处理，得到探测目标的复原图像，其通过处理器进行波前传感器提取的光学特征参数与图像采集装置处理得到的探测目标的原始图像之间的反卷积运算，能够实时高效地对气动光学效应所导致的图像模糊现象进行校正复原，极大的提高航拍成像系统的分辨力且上述复原装置小型化、成本较低而适用性较强。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明所提供的气动光学效应导致图像畸变的示意图；
图2为本发明实施例所提供的一种气动光学效应中模糊图像的复原装置的结构示意图；
图3为本发明实施例所提供的另一种气动光学效应中模糊图像的复原装置的结构示意图；
图4为本发明实施例所提供的一种气动光学效应中模糊图像的复原装置中图像采集装置的结构示意图；
图5为本发明实施例所提供的一种气动光学效应中模糊图像的复原装置中处理器的结构示意图；
图6为本发明实施例所提供的一种气动光学效应中模糊图像的复原装置的应用场景示意图，其中，6(a)为探测目标的图像数据；图6(b)为恢复出导致畸变的点扩散函数；图6(c)探测目标的原始图像；6(d)为利用反卷积技术实现对目标的高分辨力的探测目标的复原图像。
主要元件符号说明：
11、波前传感器；22、图像采集装置；33、处理器；44、分光镜；221、镜头；222、图像传感器；223、显示屏；331、第一运算模块；332、第二运算模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了定量地高速测量气动光学效应对航拍成像系统分辨力的影响，并能够有效的补偿、校正上述影响，本发明实施例提供了一种气动光学效应中模糊图像的复原装置，该装置能够实时高效地对气动光学效应所导致的图像模糊现象进行校正复原，极大的提高航拍成像系统的分辨力且上述复原装置小型化、成本较低而适用性较强。
参见图2，本发明提供了一种气动光学效应中模糊图像的复原装置。该装置具体包括：波前传感器11、图像采集装置22和处理器33；
波前传感器11，用于获取探测目标的反射光波经过气动光学效应之后产生的畸变波前，提取畸变波前中的光学特征参数；其中，光学特征参数至少包括：空间信息和/或时间信息；
图像采集装置22，用于采集探测目标的图像数据，对图像数据进行成像处理，得到探测目标的原始图像；
处理器33，用于根据光学特征参数和探测目标的原始图像进行反卷积处理，得到探测目标的复原图像。
本发明实施例提供的气动光学效应中模糊图像的复原装置，通过处理器33进行波前传感器11提取的光学特征参数与图像采集装置22处理得到的探测目标的原始图像之间的反卷积运算，能够实时高效地对气动光学效应所导致的图像模糊现象进行校正复原，极大的提高航拍成像系统的分辨力且上述复原装置小型化、成本较低而适用性较强。
具体的，考虑到气动光学效应影响航拍成像系统的分辨力的本质在于成像系统获取的实际图像是真实目标图与波前畸变的点扩散函数的卷积，本发明实施例中所提供的气动光学效应中模糊图像的复原装置包括有波前传感器11，该波前传感器11对于携带有探测目标的图像数据的波前畸变直接进行测量，为波前畸变的点扩散函数提供计算依据，同时，也能够提高整个复原装置的校正速度和效果。考虑到机载的航拍成像系统需要将飞机下面的地面图像实时地传输到地面，实时显示、实时记录，用于导航和取景，所以，对气动光学效应对成像系统所带来的图像模糊现象也需要实时性的进行复原以满足航拍的需求，则本发明实施例中优选的将哈特曼波前传感器作为波前传感器11，该哈特曼波前传感器可以用很高的采样频率同时测量出光场的相位分布和强度分布，能够满足航拍时由于较快的大气变化所导致的波前畸变的实时测量，其中，哈曼特波前传感器是一种以波前斜率测量为基础的波前测试仪器，通过获取的波前畸变的相关光学特征参数——空间信息和/或时间信息进行上述波前斜率的测量，该哈曼特波前传感器结构简单、灵活性好、高光效效率且对环境条件要求低，适应能力较强，更能满足航拍用户的需求。
考虑到航拍成像系统中图像的摄取是以无人驾驶飞机为空中平台，以专用照相机、摄像机以及视频无线传输技术获取信息，用计算机对图像信息进行处理，并按照一定精度要求得到的图像，本发明实施例所提供的复原装置还包括有图像采集装置22，该图像采集装置22是用于摄影的光学器件，利用光的直线传播性质和光的折射规律，以光子为载体，把某一瞬间的被测目标的图像数据的光信息量，以能量方式经过图像采集装置22的镜头221传递给感光材料，最终成为可视的探测目标的原始图像。
为了便于上述畸变波前中的光学特征参数与探测目标的原始图像的进一步分析处理，本发明实施例还包括有处理器33，该处理器33用于接收波前传感器11检测到的精确的波前畸变信息，并将波前畸变信息复原为远场光斑数据，同时还接收图像采集装置22成像处理后的探测目标的原始图像，通过远场光斑数据、探测目标的图像数据与探测目标的原始图像之间的卷积关系，利用反卷积技术实现对探测目标的高分辨力重建，得到探测目标的复原退昂，实现了目标的精确探测。
进一步的，为了保证波前传感器11有足够的光能实现波前畸变的测量的同时又能够确保图像采集装置22有足够的光能进行成像，上述模糊图像的复原装置还包括分光镜44，参见图3，该分光镜44是将波前畸变分成两束，由光学玻璃镀膜制成，通过光谱空间色散原理根据不同的光谱特性分布将畸变波前分离为第一光波和第二光波，两束不同频谱的光波各自保持完整的待测畸变波前，且均携带有所述探测目标的原始数据，采用双波长的工作方式，更方便的满足了不同器件的工作方式。其中，第一光波和第二光波的性质与畸变波前的性质完全相同，即各自保持完整的待测畸变波前，且两份光波的光强度总和等于畸变波前光强度。
其中，上述波前传感器11还用于接收分光镜44分离出的第一光波，利用波前传感器11自身的工作原理提取出分离波——第一光波中的光学特征参数，同样的，上述光学特征参数至少包括：空间信息和/或时间信息。
另外，上述图像采集装置22则还用于接收分光镜44分离出的第二光波，通过对提取的该第二光波中携带的探测目标的图像数据进行成像处理，得到探测目标的原始图像，其中，图像采集装置22采集第二光波中的探测目标的图像数据进行成像的原理与上文所述的图像采集装置22本身的成像原理相似，在此不再赘述。
进一步的，参见图4，本发明实施例所提供的气动光学效应中模糊图像的复原装置中的图像采集装置22包括镜头221、图像传感器222和显示屏223。
其中，在拍摄时，上述镜头221由一系列光学镜片和镜筒组成，具有焦距和相对口径两个特征数据，用于接收分光镜44分离出的第二光波，经过镜头221的光线的折射生成对应的折射光波，为拍摄成像提供支撑，即在拍摄时，通过镜头221的光线便投影到感光部件上使其感光成像。
图像传感器222是用来感光成像的部件，相当于光学传统相机中的胶卷，在图像传感器222上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列，当其表面感受到上述折射光波时，会将电荷反应在组件上，把光子转化成电子，然后存进感光组件的记忆体内，这样，整个感光组件所产生的信号再通过信号放大就构成了一个完成的探测目标的原始图像的画面，其中，上述感光组件捕获的光子随着其面积的增大而增多，则感光性能提高，信噪比降低。最后则通过显示屏223显示上述探测目标的原始图像。
进一步的，考虑到探测目标本身反射的光线可以传播到镜头221，也吸收周围其他的物质的反射光线发光而传播到镜头221中，本发明实施例还提供有一个额外的补充电源，特别是在光线不足时作为光线替补器件，用于向探测目标发送光波，以便于探测目标接收光波后能够有足够的光照发射携带探测目标的图像数据的反射光波。
进一步的，本发明实施例所提供的图像采集装置22可以为照相机，摄像机也可以是红外热像仪等具有成像功能的仪器。
其中，上述照相机和摄像机的工作原理相似，在此以照相机为例，具体的工作原理如下，探测目标反射光线，经镜头221聚焦到CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)或是CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)等芯片上，上述芯片根据光电弱强积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，经过放大电路放大、自动增益控制等运算，经过模数转换至图像数字信号的处理，得到一个标准的图像信号。
另外，本发明实施例所提供的图像采集装置22还可以是红外热像仪，该红外热像仪是把物体发出的不可见红外能量转变为可见热图像的仪器，它利用的是红外探测器以及光学成像物镜接受探测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，得到与所述探测目标的红外辐射强度相对应的所述探测目标的原始图像，可以快速的成像，而且除了可以拍摄到物体的红外图像，还可以拍摄到一副可见光照片，并将其融合在一起，能够让航拍用户在第一时间识别和定位故障。另外，考虑到上述分光镜44分离波前畸变所成的两个性质相同的光波——第一光波和第二光波是基于可见光和不可见红外线光的不同频谱进行的分离，此时，该红外热像仪摄取的是红外光波携带的第二光波所成的像，可见的第一光波则用于进行相应的波前畸变的测量。
进一步的，参见图5，本发明实施例所提供的处理器33包括第一运算模块331和第二运算模块332。
具体的，上述第一运算模块331，用于接收波前传感器11发送的第一光波的光学特征参数，通过对光束质量空间—时间信息，包括高达65阶的各阶像差模式数据的分析，可以计算出包括PSF(Point Spread Function，点扩散函数)、OTF(Optical TransferFunction，光学传递函数)、MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)等在内的远场光斑数据。
另外，上述第二运算模块332则用于提取第一运算模块331运算得到的PSF，又根据该PSF与探测目标的复原图像及探测目标的原始图像之间的卷积关系，已知探测目标的原始图像、PSF，通过反卷积运算，即可得到探测目标的复原图像。参见图6，为本发明实施例所提供的一个具体的应用场景示意图，表征了基于哈特曼波前传感器的实时波前检测的图像清晰化的过程。其中，对于探测目标的图像数据6(a)受到大气湍流、窗口热效应等因素影响，产生畸变，得到探测目标的原始图像如图6(c)。利用哈特曼波前传感器可以得到扰动波前，从而恢复出导致畸变的点扩散函数图6(b)，最后利用反卷积技术实现对目标的高分辨力的探测目标的复原图像6(d)。
本发明实施例提供的气动光学效应中模糊图像的复原装置，通过处理器33进行波前传感器11提取的光学特征参数与图像采集装置22处理得到的探测目标的原始图像之间的反卷积运算，能够实时高效地对气动光学效应所导致的图像模糊现象进行校正复原，极大的提高航拍成像系统的分辨力且上述复原装置小型化、成本较低而适用性较强。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种气动光学效应中模糊图像的复原装置，其特征在于：包括波前传感器、图像采集装置和处理器；
所述波前传感器，用于获取探测目标的反射光波经过气动光学效应之后产生的畸变波前，提取所述畸变波前中的光学特征参数；其中，所述光学特征参数至少包括：空间信息和/或时间信息；
所述图像采集装置，用于采集所述探测目标的图像数据，对所述图像数据进行成像处理，得到所述探测目标的原始图像；
所述处理器，用于根据所述光学特征参数和所述探测目标的原始图像进行反卷积处理，得到所述探测目标的复原图像；
还包括分光镜；
所述分光镜，用于接收所述探测目标的反射光波经过气动光学效应之后产生的畸变波前，根据光谱特性将所述畸变波前分离为第一光波和第二光波；其中，所述第一光波和所述第二光波的光谱特性不同，且均携带有所述探测目标的图像数据；
所述波前传感器，还用于接收所述分光镜分离出的所述第一光波，提取所述第一光波中的光学特征参数；
所述图像采集装置，还用于接收所述分光镜分离出的所述第二光波，提取所述第二光波中携带的所述探测目标的图像数据，对所述图像数据进行成像处理，得到所述探测目标的原始图像；
所述图像采集装置包括镜头、图像传感器和显示屏；
所述镜头，用于接收所述分光镜分离出的所述第二光波，将所述第二光波折射成对应的折射光波；所述折射光波携带有探测目标的原始图像；
所述图像传感器，用于采集所述折射光波，将所述折射光波转换为对应的电信号，根据模数转换将所述电信号转换成对应的数字信号，对所述数字信号进行分析处理，得到所述折射光波携带的探测目标的原始图像；
所述显示屏，用于显示所述探测目标的原始图像；
所述图像采集装置还包括光源；
所述光源，用于向所述探测目标发送光波，以便于所述探测目标接收所述光波后发射携带所述探测目标的图像数据的反射光波；
所述图像采集装置为红外热像仪；
所述红外热像仪，用于接收所述探测目标的反射光波经过气动光学效应之后产生的红外辐射，利用红外探测器以及光学成像物镜将探测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，得到与所述探测目标的红外辐射强度相对应的所述探测目标的原始图像；
所述处理器包括第一运算模块和第二运算模块；
所述第一运算模块，用于接收所述波前传感器发送的所述第一光波中的光学特征参数，对所述光学特征参数进行处理，得到远场光斑数据；其中，所述远场光斑数据至少包括点扩散函数；
所述第二运算模块，用于根据所述远场光斑数据中的点扩散函数，对所述探测目标的原始图像进行反卷积运算，得到所述探测目标的复原图像。
2.根据权利要求1所述的气动光学效应中模糊图像的复原装置，其特征在于，所述波前传感器为哈特曼波前传感器。
3.根据权利要求1或2所述的气动光学效应中模糊图像的复原装置，其特征在于，所述图像采集装置为照相机。
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