CN105872398A - 一种空间相机自适应曝光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间相机自适应曝光方法，包括成像的空间相机和预先获得场景信息的测光相机，包括如下步骤：测光相机采用根据饱和辐射亮度和相机响应度设定的曝光时间和增益，拍摄目标成像区域的图像，获得测光图像；根据所述测光相机拍摄测光图像时的曝光时间、增益和焦距，确定所述的测光图像像素的灰度值与测光相机的相对辐亮度的关系，遍历测光图像，得到测光图像的相对辐亮度图和测光图像中的最高相对辐亮度；将所述的测光图像中的最高相对辐射亮度，转换成空间相机的相对辐射亮度；将实测得到的场景最高相对辐亮度设为空间相机的饱和辐亮度，在入瞳辐亮度小于饱和辐亮度时，能充分利用了相机的动态范围，解决了部分图像整体偏暗、图像层次不丰富等问题。

Description

一种空间相机自适应曝光方法

技术领域

本发明涉及一种以遥感卫星或空间站为平台对地球进行观测的空间相机的曝光方法。涉及专利分类号G03摄影术；电影术；利用了光波以外其他波的类似技术；电记录术；全息摄影术G03B摄影、放映或观看用的装置或设备；利用了光波以外其他波的类似技术的装置或设备；以及有关的附件G03B7/00通过分别或联合调节快门、光圈、滤光器控制曝光G03B7/08完全靠装在机内的光敏器件对其接受的光强度的响应进行控制。

背景技术

在空间相机绕地球拍摄时，场景可能由海洋变为陆地，由城镇变为沙漠，地面景物反射率可能从0.05左右变为0.8左右，变化非常大，天气情况也可能由晴天变为阴天，再随着太阳高度角等条件的变化，导致入瞳辐亮度变化范围很大，而空间相机为避免图像饱和，其曝光控制主要是依靠先验知识，采用较小的固定增益和积分级数，这就使有些图像曝光合适，而有的图像信息集中在相机低端，存在整体偏暗、细节损伤严重等问题。

目前普通数码相机在自动曝光技术上比较成熟,可以根据夜景、白天、人像等设定所需要的不同曝光模式,效果很好，其自动曝光控制主要是通过增加感兴趣区域权重，将图像的加权亮度均值与预先设定的参考值比较来进行的。而空间相机单次推扫所得图像不可重复，不能预先获得场景信息；成像目标丰富，很难区分感兴趣区域。所以普通数码相机的调光算法不适用于空间相机。

近年来，许多学者针对空间相机的曝光控制问题进行了研究。例如，北京空间机电研究所的彭妮娜等人提出了一种基于线阵TDI CCD相机的实时自动增益控制算法，该方法设定图像灰度均值的上限值、图像灰度均值的下限值、图像灰度范围的下限值和图像中饱和点的数量四个阈值，通过统计图像中相关参数与设定值比较来调整曝光参数(主要是曝光时间和增益)。该方法中阈值的选择对算法有很大的影响，而且该方法是对前一时刻的图像做的统计，但是由于下一时刻要拍摄的地物目标的类型和反射率是未知的,得到的曝光参数未必适用于下一时刻的地物目标，或达不到调整目的。长春光机所的薛旭成等人指出SNR会随着积分级数的增加而增加，但MTF会随着积分级数的增加而降低，所以将SNR*MTF作为图像质量的评价指标，对积分级数和增益设置进行了优化，该方法未考虑场景的灰度分布。长春光机所的武星星等人提出了一种基于光照条件的空间相机增益在轨自动调整方法，该方法入瞳辐射亮度是基于晴朗天气计算的，未考虑大气成分的变化，并且假设场景中一直存在最大反射率点。长春光机所的李宪圣等人提出了提出空间相机在轨成像模式的概念，研究了建立空间相机成像模式的方法，但也未能根据场景内容充分利用相机动态范围。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种空间相机自适应曝光方法，包括成像的空间相机和预先获得场景信息的测光相机，包括如下步骤：

—测光相机采用根据饱和辐射亮度设定的曝光时间和增益，拍摄目标成像区域的图像，获得测光图像；

—根据所述测光相机拍摄测光图像是的曝光时间、增益和焦距，确定所述的测光图像像素的灰度值与测光相机的相对辐亮度的关系，遍历测光图像，得到测光图像的相对辐亮度图和测光图像中的最高相对辐亮度；

—将所述的测光图像中的最高相对辐射亮度，根据如下公式转换成空间相机的相对辐射亮度；

$L_{r2}=\frac{g_{t2}}{g_{t1}}\·L_{r1}$

式中，L_r2为空间相机的相对辐亮度值，g_t2为空间相机的特征增益，L_r1为测光相机的相对辐亮度值，g_t1为测光相机的特征增益；

—将所述空间相机的相对辐射亮度的最高值，即最高相对辐亮度L_rmax设为空间相机的饱和辐亮度，解算出空间相机的曝光时间与增益的乘积为：

$t\·g=\frac{V_{sat}}{L_{rmax}}\×f^2$

其中，t为曝光时间，g为模拟前端(AFE)中可变增益放大器(VGA)的增益，V_sat为相机饱和DN值，如果采用10bit量化，饱和DN值为1023；L_rmax为所述空间相机的目标成像区域中所述的最高相对辐照度；

—在所述的空间相机推扫所述的目标成像区域，采用上述步骤中的曝光时间和增益，完成空间相机的自适应曝光。

作为优选的实施方式，所述测光相机采用根据用户要求的饱和辐射亮度和相机响应度设置的曝光时间和增益。

作为优选的实施方式，图像灰度V与入瞳处辐射亮度L的关系式为：

$V=L\×\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{\left(\frac{D}{f}\right)}^2\×{\mathrm{\τ}}_0\×R_{ccd}\×g\×t+o_v$

其中，D/f为光学系统的相对孔径,τ₀为系统的总透过率,R_ccd为CCD焦平面探测器的响应度,g为模拟前端(AFE)中可变增益放大器(VGA)的增益,t为积分时间，o_v是根据g变化的直流偏置，属于噪声项，相对于第一项来说值很小，舍去之后，设

$g_t=\frac{\mathrm{\π}}{4}\×D^2\×{\mathrm{\τ}}_0\×R_{ccd}$

则：

$V=g_t\×L\×{\left(\frac{1}{f}\right)}^2\×g\×t$

当成像系统确定后，g_t为定值，定义传感器相对辐亮度L_r为:

$L_r=g_t\×L=\frac{V}{t\×g}\×f^2$

根据上式可知，传感器相对辐亮度L_r与图像像素灰度值V的关系与曝光时间、增益和焦距有关。

作为优选的实施方式，所述的空间相机的特征增益g_t2与测光相机的特征增益g_t1的比值通过测光相机和空间相机采用相同的积分时间、增益和焦距在同一位置对同一亮度物体进行成像获得，标定系数公式为：

$\frac{g_{t1}}{g_{t2}}=\frac{V_1}{V_2}$

式中，g_t1为测光相机的特征增益，g_t2为空间相机的特征增益，V₁为测光相机的灰度值，V₂为空间相机的灰度值。

作为优选的实施方式，所述的测光相机固定于所述的空间相机推扫方向的前方。

作为优选的实施方式，测光相机和空间相机镜头之间预置角度。

由于采用了上述技术方案，本发明公开的一种空间相机自适应曝光方法中的相对辐亮度等信息时通过实测得到的，综合了拍摄时的天气情况、太阳高度角等条件变化，具有较高的准确性。将实测得到的场景最高相对辐亮度设为空间相机的饱和辐亮度，在入瞳辐亮度小于饱和辐亮度时，能充分利用了相机的动态范围，解决了部分图像整体偏暗、图像层次不丰富等问题。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明相机响应曲线；

图2为本发明空间成像系统原理图；

图3为本发明自适应调整曝光参数的流程图；

图4为本发明中标定系统示意图

图5为本发明实施例固定曝光参数欠曝光图像；

图6为本发明实施例固定曝光参数正常曝光图像；

图7为本发明实施例曝光参数调节后图像；

图8为本发明实施例曝光参数调节后图像。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1-3所示：一种空间相机自适应曝光方法，主要包括以下步骤：

步骤一：空间相机推扫某一成像区域前，测光相机采用预先根据饱和辐射亮度设定初始的曝光时间和增益拍摄该成像区域图像，首先获得场景信息，获得测光图像。

本发明中提到的预先设定的初始的曝光时间和增益是根据用户要求的饱和辐射亮度和相机响应度来设置的。

饱和辐射亮度由用户要求的目标最大反射率和可能的最佳光照条件通过MODTRAN软件计算得到。

如某相机输出的图像灰度值与输入辐射亮度之间的辐射响应关系如图1所示，如果用户要求的饱和辐亮度为70W·m^-2·sr^-1,根据图1可确定该相机曝光时间和增益应该设置为4级1db。当场景中的最高辐亮度为40W·m^-2·sr^-1，图像的灰度最高为600，将有40％左右的相机动态范围不能利用，导致图像整体偏暗，细节丢失严重的问题。

步骤二：统计步骤一中采集到的测光图像数据的最高相对辐亮度。

图像灰度V与入瞳处辐射亮度L的关系式为：

$V=L\×\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{\left(\frac{D}{f}\right)}^2\×{\mathrm{\τ}}_0\×R_{ccd}\×g\×t+o_v$

其中,D/f为光学系统的相对孔径,τ₀为系统的总透过率,R_ccd为CCD焦平面探测器的响应度,g为模拟前端(AFE)中可变增益放大器(VGA)的增益,t为积分时间，o_v是根据g变化的直流偏置，属于噪声项，相对于第一项来说值很小，舍去之后，设则：

$V=g_t\×L\×{\left(\frac{1}{f}\right)}^2\×g\×t$

由于g_t的计算相对复杂，而且当成像系统确定后，g_t为定值，因此在应用中不需要计算出g_t的值，所以定义传感器相对辐亮度L_r为:

$L_r=g_t\×L=\frac{V}{t\×g}\×f^2$

根据上述公式可知，传感器相对辐亮度L_r与图像像素灰度值V的关系与曝光时间、增益和焦距有关。

根据上式统计步骤一中采集到的测光图像数据求取相对辐亮度图。由于测光相机满足饱和辐亮度的要求，所以可确定场景的最高相对辐亮度。为了避免噪声点的干扰，采用下面的方法排除噪声点的干扰：规定在行方向上连续3点以上的灰度值相差小于5的像素点才确定有效，而将那些3个像素以下的可疑最值点认定为噪声，这样就可以有效地抑制噪声，从而更好地利用有效灰度空间。

步骤三：对于同一个场景，入瞳辐亮度是一致的。设L_r2为空间相机的相对辐亮度值，g_t2为空间相机的特征增益，L_r1为测光相机的相对辐亮度值，g_t1为测光相机的特征增益，则相对辐亮度的换算方法如公式为：

$L_{r2}=\frac{g_{t2}}{g_{t1}}\·L_{r1}$

将上述公式将步骤二实测的测光相机的相对辐照度转为空间相机相对辐照度。

上述公式中的特征增益比值可通过测光相机和空间相机采用相同的积分时间、增益和焦距在同一位置对同一亮度物体进行成像获得，标定系数公式为：

$\frac{g_{t1}}{g_{t2}}=\frac{V_1}{V_2}$

式中，g_t1为测光相机的特征增益，g_t2为空间相机的特征增益，V₁为测光相机的灰度值，V₂为空间相机的灰度值。

标定系统由积分球和光学直线导轨组成，在积分球发出均匀光亮度不变的情况下，分别使用测光相机和空间相机在相同焦距、相同距离下成像。由此便可计算出成像系统间特征增益系数的比值。

步骤四：目前空间相机满足饱和辐射亮度的要求，即当相机入瞳辐射亮度小于饱和辐射亮度时，输出的图像不能饱和，导致获取的部分图像存在整体偏暗，细节丢失严重的问题。

本发明提出将实测得到的场景最高相对辐照度设为空间相机的饱和辐照度，在入瞳辐亮度较小时，也能充分利用了相机的动态范围。

将实测的高相对辐亮度设为饱和辐亮度时，解算出成像系统的曝光时间与增益的乘积为：

$t\·g=\frac{V_{sat}}{L_{rmax}}\×f^2$

式中，t为曝光时间，g为模拟前端(AFE)中可变增益放大器(VGA)的增益，V_sat为空间相机饱和DN值，如采用10bit量化，饱和DN值为1023，L_rmax为场景中最高相对辐照度。

对于TDI CCD来说，增加TDI级数就等效于增加积分时间。在卫星姿态精度和稳定度一定的情况下，信噪比和MTF不会随着增益的改变而变化，而MTF随着TDI级数的增加而下降，信噪比随着TDI级数的增加而增加。根据需求的MTF最小值可确定出TDI最大级数，将此级数作为TDI级数的上限，以保证系统需求。在调整时，由于TDI级数增加会提高信噪比，因此优先调整TDI级数，当TDI级数在大于上限的情况下，再调整增益。

实施例，为了验证本文方法的有效性，进行了地面验证实验。

地面验证系统采用两种工作模式：一种是按照预先设定的曝光时间和增益对目标场景成像；二种是采用测光、解算、成像的工作模式。采用测光、解算、成像的工作模式时，地面验证系统要先设定云台预置位，使测光相机对准目标场景，测光相机获取目标场景图像，统计目标场景最高相对辐亮度并解算曝光时间和增益，空间相机采用该曝光时间和增益成像。

分别采用固定的曝光时间和增益和本文的调整方法获得实验图像，从中选取图像进行分析。图5是采用固定曝光时间和增益获得的欠曝光图像，图像的最大灰度值为39，灰度均值为10.223，灰度级为37，图像熵为3.8260；图6是采用固定曝光时间和增益获得的正常曝光图像，图像的最大灰度值为251，灰度均值为28.27，灰度级为249，图像熵为5.1737；图7为欠曝光图像调整曝光时间和增益后图像，图像的最大灰度值为255，灰度均值为54.851，灰度级为253，图像熵为6.1362；图8为正常曝光图像调节曝光时间和增益后图像，图像的最大灰度值为255，灰度均值为39.595，灰度级为253，图像熵为5.6739。

从实验结果可以看出，采用固定曝光时间和增益时，有的图像正常曝光，而有的图像信息集中在低灰度区，细节丢失严重。而采用本文方法调整曝光时间和增益后，图像灰度层次更加丰富，相机动态范围得到有效利用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种空间相机自适应曝光方法，其特征在于包括成像的空间相机和预先获得场景信息的测光相机，包括如下步骤：

—测光相机采用根据饱和辐射亮度设定的曝光时间和增益，拍摄目标成像区域的图像，获得测光图像；

—根据所述测光相机拍摄测光图像时的曝光时间、增益和焦距，确定所述的测光图像像素的灰度值与测光相机的相对辐亮度的关系，遍历测光图像，得到测光图像的相对辐亮度图和测光图像中的最高相对辐亮度；

—将所述的测光图像中的最高相对辐射亮度，根据如下公式转换成空间相机的相对辐射亮度；

$L_{r2}=\frac{g_{t2}}{g_{t1}}\·L_{r1}$

式中，L_r2为空间相机的相对辐亮度值，g_t2为空间相机的特征增益，L_r1为测光相机的相对辐亮度值，g_t1为测光相机的特征增益；

—将所述空间相机的相对辐射亮度的最高值，即最高相对辐亮度L_rmax设为空间相机的饱和辐亮度，解算出空间相机的曝光时间与增益的乘积为：

$t\·g=\frac{V_{sat}}{L_{rmax}}\×f^2$

其中，t为曝光时间，g为模拟前端(AFE)中可变增益放大器(VGA)的增益，V_sat为相机饱和DN值，如果采用10bit量化，饱和DN值为1023；L_rmax为所述空间相机的目标成像区域中所述的最高相对辐照度；

—在所述的空间相机推扫所述的目标成像区域，采用上述步骤中的曝光时间和增益，完成空间相机的自适应曝光。

2.根据权利要求1所述的一种空间相机自适应曝光方法，其特征还在于：所述测光相机采用根据用户要求的饱和辐射亮度和相机响应度设置的曝光时间和增益。

3.根据权利要求1所述的一种空间相机自适应曝光方法，其特征还在于图像灰度V与入瞳处辐射亮度L的关系式为：

$V=L\×\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{\left(\frac{D}{f}\right)}^2\×{\mathrm{\τ}}_0\×R_{ccd}\×g\×t+o_v$

其中，D/f为光学系统的相对孔径,τ₀为系统的总透过率,R_ccd为CCD焦平面探测器的响应度,g为模拟前端(AFE)中可变增益放大器(VGA)的增益,t为积分时间，o_v是根据g变化的直流偏置，属于噪声项，相对于第一项来说值很小，舍去之后，设

$g_t=\frac{\mathrm{\π}}{4}\×D^2\×{\mathrm{\τ}}_0\×R_{ccd}$

则：

$V=g_t\×L\×{\left(\frac{1}{f}\right)}^2\×g\×t$

当成像系统确定后，g_t为定值，定义传感器相对辐亮度L_r为:

$L_r=g_t\×L=\frac{V}{t\×g}\×f^2$

根据上式可知，传感器相对辐亮度L_r与图像像素灰度值V的关系与曝光时间、增益和焦距有关。

4.根据权利要求1所述的一种空间相机自适应曝光方法，其特征还在于所述的空间相机的特征增益g_t2与测光相机的特征增益g_t1的比值通过测光相机和空间相机采用相同的积分时间、增益在同一位置对同一亮度物体进行成像获得，标定系数公式为：

$\frac{g_{t1}}{g_{t2}}=\frac{V_1}{V_2}$

式中，g_t1为测光相机的特征增益，g_t2为空间相机的特征增益，V₁为测光相机的灰度值，V₂为空间相机的灰度值。

5.根据权利要求1所述的一种空间相机自适应曝光方法，其特征还在于：所述的测光相机固定于所述的空间相机推扫方向的前方。

6.根据权利要求1所述的一种空间相机自适应曝光方法，其特征还在于：测光相机和空间相机镜头之间预置角度。