CN111521377B - 动态运动下面阵cmos光学相机快拍成像效果模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态运动下面阵CMOS光学相机快拍成像效果模拟系统，包括：实物模拟装置，用于模拟面阵CMOS光学相机在轨动态运动并测定得到动态运动数据；图像源，用于提供标准图像；与实物模拟装置和图像源分别连接的数据分析装置，用于根据动态运动数据对标准图像进行处理与分析，得到面阵CMOS光学相机在轨状态下的动态快拍模拟图像，并对动态快拍模拟图像进行评估分析，生成动态快拍模拟图像的分析结果。本发明能够实现对在轨面阵CMOS光学相机的动态快拍成像模拟，为面阵CMOS光学相机的动态快拍成像模拟与分析提供丰富的分析素材，与实物成像分析相比，极大地降低了相机的动态快拍成像模拟与分析的成本。

Description

动态运动下面阵CMOS光学相机快拍成像效果模拟系统

技术领域

本发明涉及航天光学相机成像技术领域，特别是涉及一种动态运动下面阵CMOS光学相机快拍成像效果模拟系统。

背景技术

目前，航天面阵CMOS光学相机成像能力正在迅猛发展，相机在轨成像已不仅仅局限在传统的TDI沿轨推扫，信息时代数据处理的飞速发展敦促光学相机在轨成像向更加高级更加复杂的方向发展。在如今的21世纪，军事、气象、勘测等等方面对在轨光学相机的性能和需求提出了新的要求与新的挑战，过去传统的TDI沿轨推扫成像已无法满足于大数据时代下的信息需求，各国也纷纷开始着力研究新时代下能够满足日益增长的信息需求的新型成像方式。现在，随着航天控制技术的瓶颈被一项项打破，高机动高敏捷控制技术得到了空前发展，复杂高效的成像方式不再遥不可及，动态成像也日渐成为现阶段优先研究和发展的目标。

灵活多变的航天控制技术推动航天面阵CMOS光学相机向动态快拍成像方向发展，极大地提高了在轨光学相机的成像效率，减弱了传统TDI相机多次积分引入的硬件误差。相应的，面阵CMOS光学相机动态快拍成像技术也对传统的成像模拟与分析方法带来了全新的挑战。传统的成像模拟与分析方法现已不适用于新模式下的成像分析，如何模拟出新模式下在轨高机动条件下面阵CMOS光学相机的动态快拍成像过程，如何实现对面阵CMOS光学相机在轨高机动下的动态快拍成像效果模拟也成为一个亟待解决的问题。

发明内容

基于此有必要针对现有技术中存在的问题，提供一种动态运动下面阵CMOS光学相机快拍成像效果模拟系统。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种动态运动下面阵CMOS光学相机快拍成像效果模拟系统，包括：

实物模拟装置，用于模拟面阵CMOS光学相机在轨动态运动并测定得到动态运动数据；所述实物模拟装置包括转台、转台控制器和PXI；所述转台控制器和所述PXI分别与所述数据分析装置中的数据处理终端连接，所述转台控制器控制所述转台运动，所述PXI对所述转台进行实时无线的测定，并将测定得到的所述动态运动数据传输至所述数据处理终端；

图像源，用于提供标准图像；

与所述实物模拟装置和所述图像源分别连接的数据分析装置，用于根据所述动态运动数据对所述标准图像进行处理与分析，得到面阵CMOS光学相机在轨状态下的动态快拍模拟图像，并对所述动态快拍模拟图像进行评估分析，生成所述动态快拍模拟图像的分析结果；

所述数据分析装置包括所述数据处理终端和数据分析终端；

所述数据处理终端根据所述动态运动数据进行模拟演算，计算得到面阵CMOS光学相机的三轴姿态角角度和三轴角速度，并根据所述三轴姿态角角度和所述三轴角速度推演出面阵CMOS光学相机的动态运动模型以及地物与相机相对运动产生的动态运动影响数据；

所述数据分析终端根据所述动态运动模型对所述标准图像进行几何取样，提取出成像区域图像，并根据所述动态运动影响数据对所述成像区域图像进行反演变换，得到所述动态快拍模拟图像，所述数据分析终端还对所述动态快拍模拟图像进行评估分析，生成所述动态快拍模拟图像的分析结果；

所述数据分析终端根据所述动态运动模型对所述标准图像进行几何取样，提取出成像区域图像的过程包括以下步骤：

步骤一：根据大姿态角下成像区域图像垂轨方向的宽度计算公式计算成像区域图像在垂轨方向上的宽度数据，宽度计算公式为：

W＝H·(tan(η+θ)-tan(η-θ)) (1)

其中，W为大姿态角下成像区域图像在垂轨方向上的宽度，η为面阵CMOS光学相机侧摆角，H为轨道高度，θ为面阵CMOS光学相机垂轨方向的半视场角；

步骤二：根据大姿态角下成像区域图像沿轨方向的位置计算公式计算成像区域图像中每一点在沿轨方向上拉伸后的位置数据，位置计算公式为：

其中，以(x,y)代表星下点区域内一点，(x_i,y_i)代表大姿态角下成像区域内一点，其坐标原点均为星下点，β为面阵CMOS光学相机沿轨方向的半视场角，x为星下点成像区域中一点到大姿态角下成像区域中心在沿轨方向上的距离，x_i为大姿态角下成像区域中一点到星下点成像区域中心在沿轨方向上的距离，y_i为x_i对应的大姿态角下成像区域中一点到星下点成像区域中心在垂轨方向上的距离，H为轨道高度；

步骤三：根据所述宽度数据和所述位置数据从所述标准图像中提取出成像区域图像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提出的动态运动下面阵CMOS光学相机快拍成像效果模拟系统能够实现对在轨面阵CMOS光学相机的动态快拍成像模拟，可以为面阵CMOS光学相机的动态快拍成像模拟与分析提供丰富的分析素材，与实物成像分析相比，本发明的模拟系统极大地降低了面阵CMOS光学相机的动态快拍成像模拟与分析的成本。

附图说明

图1为本发明动态运动下面阵CMOS光学相机快拍成像效果模拟系统的结构示意图；

图2为面阵CMOS光学相机的大姿态角成像模型的演示图；

图3为标准图像；

图4为几何取样后得到的成像区域图像；

图5为反演变换后生成的图像对比图。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明旨在建立面阵CMOS光学相机在轨高机动下的动态快拍成像效果全链路的模拟系统，借此实现对现阶段在轨面阵CMOS光学相机的动态快拍成像模型和原理分析，以此达到对在轨面阵CMOS光学相机的动态快拍成像模拟，最终完成在轨面阵CMOS光学相机动态快拍成像效果的全链路模拟，解决目前所面临的模拟成像分析素材稀少，实物成像分析成本过高等问题。

在其中一个实施例中，如图1所示，本发明公开一种动态运动下面阵CMOS光学相机快拍成像效果模拟系统，该系统包括实物模拟装置1、图像源2和数据分析装置3，数据分析装置3与实物模拟装置1和图像源2分别连接，其中，实物模拟装置1用于模拟面阵CMOS光学相机在轨动态运动并测定得到动态运动数据，图像源2用于为数据分析装置3提供标准图像，数据分析装置3用于根据动态运动数据对标准图像进行处理与分析，得到面阵CMOS光学相机在轨状态下的动态快拍模拟图像，并对动态快拍模拟图像进行评估分析，生成动态快拍模拟图像的分析结果。

动态运动下面阵CMOS光学相机快拍成像效果模拟系统可实现三个功能：实物模拟功能、图像模拟功能和数据分析功能。

1、实物模拟功能

实物模拟装置1包括转台1-1、转台控制器1-2和PXI(PCI extensions forInstrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)1-3，用以模拟实际面阵CMOS光学相机在轨时的动态运动。转台控制器1-2和PXI 1-3分别与数据分析装置3中的数据处理终端3-1连接，转台控制器1-2控制转台1-1运动，PXI 1-3对转台1-1进行实时无线的测定，并将测定得到的动态运动数据传输至数据处理终端3-1。利用转台控制器1-2控制转台1-1运动，实现对在轨面阵CMOS光学相机动态运动的模拟。由于实物运行过程中总会有一定的运动偏差，故使用PXI 1-3对转台1-1进行实时无线的测定，并将测定得到的动态运动数据传输至数据处理终端3-1，进行下一步的数据分析与处理。

2、数据分析功能

数据分析装置包括数据处理终端3-1和数据分析终端3-2，其中数据处理终端3-1根据动态运动数据进行模拟演算，计算得到面阵CMOS光学相机的三轴姿态角角度和三轴角速度，并根据三轴姿态角角度和三轴角速度推演出面阵CMOS光学相机的动态运动模型以及地物与相机相对运动产生的动态运动影响数据。

数据分析装置用于实现数据的处理与分析功能，数据的处理与分析功能与实物模拟功能和图像模拟功能紧密相连，是整个动态运动下面阵CMOS光学相机快拍成像效果模拟系统中最重要的部分，起着连接实物模拟与图像模拟的关键作用，也是整个系统实现模拟与结果分析的核心。

实物模拟装置1中的PXI 1-3将测定得到的转台相关数据即转台1-1的动态运动数据传入到数据处理终端3-1，数据处理终端3-1依据接收到的动态运动数据进行模拟演算，计算出在轨面阵CMOS光学相机的三轴姿态角角度与三轴角速度。数据处理终端3-1根据计算得到的三轴姿态角角度与三轴角速度推演出在轨面阵CMOS光学相机的动态运动模型，该动态模型用于为数据分析终端3-2实现在图像源上的几何采样提供依据，本实施例中推演出的动态运动模型可以表示为O_m×n＝I_m×k×P_k×n，其中O_m×n表示最终输出图像，I_m×k表示图像源输入图像，P_k×n表示模型中总动态影响，m为输出图像的高度，n为输出图像的宽度，k为输入图像的宽度；同样，数据处理终端3-1根据计算得到的三轴姿态角角度与三轴角速度也可以推演出面阵CMOS光学相机拍摄地面时的地物与相机相对运动产生的动态运动影响数据等，该动态影响数据用于为数据分析终端3-2提供进一步反演变换的依据。

3、图像模拟功能

图像模拟功能主要是由数据分析终端3-2实现，该功能的目的是实现面阵CMOS光学相机动态快拍成像过程中的图像模拟仿真。数据分析终端3-2根据动态运动模型对标准图像进行几何取样，提取出成像区域图像，并根据动态运动影响数据对成像区域图像进行反演变换，得到动态快拍模拟图像，数据分析终端3-2还对动态快拍模拟图像进行评估分析，生成动态快拍模拟图像的分析结果。

当数据处理终端3-1推演出面阵CMOS光学相机的动态运动模型和动态影响数据并输出至数据分析终端3-2时，数据分析终端3-2依据动态运动模型和动态影响数据对图像源3提供的标准图像进行相应的处理，包括但不限于几何取样与反演变换等处理操作，具体的，数据分析终端3-2根据动态运动模型对标准图像进行几何取样，提取出成像区域图像，然后根据动态运动影响数据对提取出的成像区域图像进行反演变换，得到动态快拍模拟图像；同时，数据分析终端3-2还对动态快拍模拟图像进行相关参数的评估分析，生成动态快拍模拟图像的分析结果，分析结果包括但不限于动态快拍模拟图像的调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)、分辨率和信噪比。

数据分析终端3-2还可以将分析结果反馈至数据处理终端3-1，数据处理终端3-1根据分析结果调整转台控制器1-2的控制参数，从而调节转台1-1的运动。动态快拍模拟图像的分析结果也可以作为面阵CMOS光学相机在轨动态运动下快拍成像的评价依据和检测手段，反馈到数据处理终端3-1，协助改善实物模拟功能部分的控制和调整，实现整个模拟系统模拟过程的良性循环。

当面阵CMOS光学相机位于大姿态角成像时，像面实际拍摄的区域并非一个标准的矩形区域，而是一个近似于梯形的成像区域，面阵CMOS光学相机的大姿态角成像模型的演示图如图2所示。数据分析终端3-2根据动态运动模型对标准图像进行几何取样，提取出成像区域图像的过程包括以下步骤：

步骤一：根据大姿态角下成像区域图像垂轨方向的宽度计算公式计算成像区域图像在垂轨方向上的宽度数据。依据图2所示的模型演示，面阵CMOS光学相机大姿态角成像过程可以视为传统TDI CCD摆扫成像过程中某一时刻的瞬时状态，由此，可以得到大姿态角下成像区域图像垂轨方向的宽度计算公式为：

W＝H·(tan(η+θ)-tan(η-θ)) (1)

其中，W为大姿态角下成像区域图像在垂轨方向上的宽度，η为面阵CMOS光学相机侧摆角，H为轨道高度，θ为面阵CMOS光学相机垂轨方向的半视场角；根据计算公式(1)，便可计算出成像区域图像的在垂轨方向上的长度。

步骤二：根据大姿态角下成像区域图像沿轨方向的位置计算公式计算成像区域图像中每一点在沿轨方向上拉伸后的位置数据。根据面阵CMOS光学相机在侧摆推扫过程中沿轨方向视场角大小不变的特点，有位置计算公式为：

其中，以(x,y)代表星下点区域内一点，(x_i,y_i)代表大姿态角下成像区域内一点，其坐标原点均为星下点，β为面阵CMOS光学相机沿轨方向的半视场角，x为星下点成像区域中一点到大姿态角下成像区域中心在沿轨方向上的距离，x_i为大姿态角下成像区域中一点到星下点成像区域中心在沿轨方向上的距离，y_i为x_i对应的大姿态角下成像区域中一点到星下点成像区域中心在垂轨方向上的距离，H为轨道高度；

步骤三：根据步骤二获得的位置数据可计算出大姿态角下成像区域图像中每一点在沿轨方向上拉伸后的位置，从而根据步骤一获得的宽度数据和步骤二获得的位置数据可以从标准图像中提取出成像区域图像。

下面结合一个具体的实例对本发明的方案进行说明。

现阶段，面阵CMOS光学相机大姿态角下在轨成像凭借其成像距离远、范围大的优势日趋成为优先发展的对象，故此处实例分析模拟的便是一种大姿态角下的面阵COMS光学相机动态快拍成像过程。

相关模拟参数如下：

(1)面阵相机的侧摆角角度为35°；

(2)面阵相机的轨道高度为500km；

(3)面阵相机的焦距为0.5m；

(4)面阵相机的像元尺寸为4μm；

(5)面阵相机的像面大小为900×1200个。

根据以上参数进行面阵CMOS光学相机在轨动态快拍成像模拟，可以分步得到图3、图4和图5的模拟结果，其中，图3是输入的原始图像即标准图像，图4是根据面阵CMOS光学相机的动态运动模型进行几何取样后的成像区域图像，图5是最后经过反演变换后得到的最终动态快拍模拟图像对比图。

如图3所示，输入的图像为3529×1250像素大小的图像，用于模拟整个成像环境，方框框出区域为实际在轨面阵CMOS光学相机动态快拍成像的成像区域图像。相机在轨动态快拍过程中会引入大量的动态模糊，故原始图像源图像需要大于成像区域图像以提供足够的模糊缓冲空间。

依据面阵相机在轨运动时的动态运动模型，可以从标准图像中取样得到如图4所示的一个类梯形成像区域图像。

反演变换后生成的图像如图5所示，其中图5a)为星下点的正常成像图像，图5b)为大姿态角下无动态影响的成像图像；图5c)为大姿态角下有动态影响的成像图像。对比图5a)和图5b)可以看出：在成像像面大小相同时，大姿态角下可成像的范围比传统星下点成像的范围要大一些，但也在成像过程中引入了像面上的压缩畸变。图5a)和图5b)都是不考虑在轨相机动态运动下的理想成像结果，在实际相机成像过程中，由于相机机动、元件颤振和地球自转等因素的影响，图像中往往会引入动态影响，产生动态模糊，由图5c)可知，引入的动态影响会严重影响成像效果和成像质量。

图5中每一张图像的规格均为900×1200像素，一一对应于面阵CMOS光学相机像面上的每个像元，实现了相机上像面的图像模拟，即完全实现了面阵CMOS光学相机在轨动态快拍成像的图像模拟，证明本发明所提出的动态运动下面阵CMOS光学相机快拍成像效果模拟系统具有较好的图像模拟效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种动态运动下面阵CMOS光学相机快拍成像效果模拟系统，其特征在于，包括：

实物模拟装置(1)，用于模拟面阵CMOS光学相机在轨动态运动并测定得到动态运动数据；所述实物模拟装置(1)包括转台(1-1)、转台控制器(1-2)和PXI(1-3)；所述转台控制器(1-2)和所述PXI(1-3)分别与数据分析装置(3)中的数据处理终端(3-1)连接，所述转台控制器(1-2)控制所述转台(1-1)运动，所述PXI(1-3)对所述转台(1-1)进行实时无线的测定，并将测定得到的所述动态运动数据传输至所述数据处理终端(3-1)；

图像源(2)，用于提供标准图像；

与所述实物模拟装置(1)和所述图像源(2)分别连接的数据分析装置(3)，用于根据所述动态运动数据对所述标准图像进行处理与分析，得到面阵CMOS光学相机在轨状态下的动态快拍模拟图像，并对所述动态快拍模拟图像进行评估分析，生成所述动态快拍模拟图像的分析结果；

所述数据分析装置包括所述数据处理终端(3-1)和数据分析终端(3-2)；

所述数据处理终端(3-1)根据所述动态运动数据进行模拟演算，计算得到面阵CMOS光学相机的三轴姿态角角度和三轴角速度，并根据所述三轴姿态角角度和所述三轴角速度推演出面阵CMOS光学相机的动态运动模型以及地物与相机相对运动产生的动态运动影响数据；

所述数据分析终端(3-2)根据所述动态运动模型对所述标准图像进行几何取样，提取出成像区域图像，并根据所述动态运动影响数据对所述成像区域图像进行反演变换，得到所述动态快拍模拟图像，所述数据分析终端(3-2)还对所述动态快拍模拟图像进行评估分析，生成所述动态快拍模拟图像的分析结果；

所述数据分析终端(3-2)根据所述动态运动模型对所述标准图像进行几何取样，提取出成像区域图像的过程包括以下步骤：

步骤一：根据大姿态角下成像区域图像垂轨方向的宽度计算公式计算成像区域图像在垂轨方向上的宽度数据，宽度计算公式为：

W＝H·(tan(η+θ)-tan(η-θ)) (1)

其中，W为大姿态角下成像区域图像在垂轨方向上的宽度，η为面阵CMOS光学相机侧摆角，H为轨道高度，θ为面阵CMOS光学相机垂轨方向的半视场角；

步骤二：根据大姿态角下成像区域图像沿轨方向的位置计算公式计算成像区域图像中每一点在沿轨方向上拉伸后的位置数据，位置计算公式为：

其中，以(x,y)代表星下点区域内一点，(x_i,y_i)代表大姿态角下成像区域内一点，其坐标原点均为星下点，β为面阵CMOS光学相机沿轨方向的半视场角，x为星下点成像区域中一点到大姿态角下成像区域中心在沿轨方向上的距离，x_i为大姿态角下成像区域中一点到星下点成像区域中心在沿轨方向上的距离，y_i为x_i对应的大姿态角下成像区域中一点到星下点成像区域中心在垂轨方向上的距离，H为轨道高度；

步骤三：根据所述宽度数据和所述位置数据从所述标准图像中提取出成像区域图像。

2.根据权利要求1所述的动态运动下面阵CMOS光学相机快拍成像效果模拟系统，其特征在于，

所述数据分析终端(3-2)将所述分析结果反馈至所述数据处理终端(3-1)，所述数据处理终端(3-1)根据所述分析结果调整所述转台控制器(1-2)的控制参数。

3.根据权利要求1所述的动态运动下面阵CMOS光学相机快拍成像效果模拟系统，其特征在于，

所述分析结果包括所述动态快拍模拟图像的调制传递函数、分辨率和信噪比。

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