CN113079323A - 一种基于二维熵的航天遥感载荷自动曝光方法 - Google Patents

Abstract

一种基于二维熵的航天遥感载荷自动曝光方法，涉及航天遥感载荷成像技术领域，解决现有技术采用先验模型的方法在实际成像中无法实现理想的成像效果问题，本发明基于最大加权方差的二维熵矩阵分割阈值，能够自适应区分图像的饱和(过曝光与欠曝光)区域与非饱和(曝光合适)区域；引入了三次样条插值的方法进行最优曝光时间的选取，在保证图像亮度、边缘、信息量、信噪比等特征的前提下精确的选取最佳曝光时间，最大化利用遥感载荷的动态范围，获取高质量的原始图像。本发明对提高航天遥感载荷的在轨自主工作能力，提升遥感载荷系统的在轨应用效能具有一定工程实践意义。

Description

一种基于二维熵的航天遥感载荷自动曝光方法

技术领域

本发明涉及航天遥感载荷成像技术领域，具体涉及一种基于二维熵的航天遥感载荷自动曝光方法。

背景技术

航天光学遥感技术指利用光学遥感载荷从近地轨道对地面目标进行观测。随着空间遥感技术的快速发展，人们对卫星的响应能力以及成像质量要求也越来越高。

目前常规的航天遥感载荷系统在执行拍摄任务时，通常由地面系统根据目标拍摄地点的太阳高度角α、地物反射率ρ、天气等因素确定一组成像参数，在卫星过境时通过可用的地面基站上注至卫星系统，当卫星达到目标拍摄地点时，则以该组成像参数设置航天遥感载荷的工作状态，实现对地物目标的探测与采集。这种先验模型建立在理想的条件下，在实际成像过程中往往达不到理想的成像效果。并且不同于常规相机，航天遥感载荷拍摄场景动态范围大、拍摄区域广，所拍摄的遥感图像数据量更大、细节更为丰富，这也对航天遥感载荷的曝光质量提出了更高的要求。

发明内容

本发明为解决现有技术采用先验模型的方法在实际成像中无法实现理想的成像效果问题，提供一种基于二维熵的航天遥感载荷自动曝光方法。

一种基于二维熵的航天遥感载荷自动曝光方法，其步骤如下：

步骤一、在载荷可调的曝光时间范围内以λ为曝光时间步长进行连续曝光，获取多幅图像；

步骤二、基于图像曝光质量评价标准计算各图像的曝光质量；具体为：

对于获取的图像，采用了香农熵定义，图像中像素I_ij的二维熵为:

式中，GS_i,j表示像素点(i,j)对应的灰度级，

表示像素点(i,j)对应灰度级在9×9领域内的概率；

选取二维熵矩阵分割阈值：

设定所述阈值为th_k，当H_i,j<th_k时定义为饱和区域(ROS)熵矩阵元素H_ROSi,j；反之当H_i,j>th_k时定义为非饱和区域(RONS)熵矩阵元素

分别求取饱和区域与非饱和区域的二维熵矩阵方差：

式中，

与

分别表示饱和区域与非饱和区域的熵矩阵方差，

与

分别表示饱和区域与非饱和区域的熵矩阵元素均值。

基于公式(2)、(3)，定义二维熵矩阵H的总方差为：

式中，p_ROS与p_RONS分别表示当阈值为th_k时饱和区域元素比例与非饱和区域元素占整幅图像的比例；将公式(2)和公式(3)代入到公式(4)中可得：

其中，minH_i,j和maxH_i,j分别表述二维熵矩阵元素的最大值与最小值；对于公式(5)有

th_k＝[minH_i,j,minH_i,j+0.0001,minH_i,j+0.0002,…maxH_i,j]_1×k (6)

遍历th_k中每一个元素，求取所有对应的

当

取得最大值时，对应的th_k即为所求取的阈值th：

式中

对应

的最大值；

基于求取的阈值，定义一个区分饱和区域与非饱和区域的二进制掩模：

根据所求得的掩模矩阵M_i,j可知，图像饱和区域对应元素值为1，非饱和区域对应元素值为0；获得图像饱和区域所占比例为：

式中，m、n代表图像尺寸；当公式(9)中S值越小时，图像饱和区域比例越低，图像曝光质量越好；S值越大时，图像饱和区域比例越高，图像曝光质量越差；采用S值作为图像的曝光质量评价标准，以此作为遥感载荷曝光时间调整的判据。

步骤三、采用三次样条插值的方法对曝光质量曲线进行拟合，求取场景下的最佳曝光时间；

步骤四、以最佳曝光时间设置载荷工作状态，获取场景下的最佳曝光图像。

本发明的有益效果：

本发明所述的自动曝光方法，以合理地评价图像的曝光质量、精确地选取最佳曝光时间。该理论模型和算法在保证图像的亮度、边缘、信息量、信噪比等特征上的前提下，将图像中的过曝光、欠曝光区域最小化，对于不同的拍摄场景具有较强的鲁棒性，比现有方法更适合于航天遥感载荷遥感成像，能有效提升航天器载荷智能化水平与综合应用能力。此自动曝光模型适用于面阵航天遥感载荷，也可以推广到其他类型的相机，应用到其他工程领域，解决相机动态范围利用不当等问题，实现高质量原始图像的获取。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于二维熵的航天遥感载荷自动曝光方法的原理框图。

具体实施方式

结合图1说明本实施方式，一种基于二维熵的航天遥感载荷自动曝光方法，其具体步骤包括图像获取1、二维熵矩阵求取2、最大加权方差求取3、矩阵分割4、曝光质量评价5、曝光曲线拟合6、最佳曝光图像获取7等。本实施方式的自动曝光方法的具体过程为：

首先在载荷的曝光时间范围内以λ为曝光时间步长进行连续曝光获取多幅图像。对于获取的图像，采用了香农熵定义，图像中像素I_i,j的二维熵为:

式中GS_i,j表示像素点(i,j)对应的灰度级，

表示像素点(i,j)对应灰度级在9×9领域内的概率。

由公式(1)获得了图像的二维熵矩阵，由于二维熵矩阵表征了原始图像的亮度、边缘与信息量等特征，通过选取一个合适的阈值对二维熵矩阵进行分割，即可对原始图像进行饱和区域(ROS)和非饱和区域(RONS)的划分。本发明采用了如下的办法以求取二维熵矩阵分割阈值。

假设阈值为th_k，当H_i,j<th_k时定义为饱和区域(ROS)熵矩阵元素

反之当H_i,j>th_k时定义为非饱和区域(RONS)熵矩阵元素

此时，分别求取饱和区域与非饱和区域的二维熵矩阵方差：

式中

与

分别表示饱和区域与非饱和区域的熵矩阵方差，

与

分别表示饱和区域与非饱和区域的熵矩阵元素均值。

基于公式(2)、(3)，定义二维熵矩阵H的总方差为：

式中，p_ROS与p_RONS分别表示当阈值为th_k时饱和区域元素比例与非饱和区域元素占整幅图像的比例。将公式(2)和公式(3)代入到公式(4)中可得：

其中，minH_i,j和maxH_i,j分别表述二维熵矩阵元素的最大值与最小值。对于公式(5)有

th_k＝[minH_i,j,minH_i,j+0.0001,minH_i,j+0.0002,…maxH_i,j]_1×k (6)

遍历th_k中每一个元素，求取所有对应的

当

取得最大值时，对应的th_k即为所求取的阈值：

式中

对应

的最大值。

基于求取的结果，定义一个区分饱和区域与非饱和区域的二进制掩模：

根据所求得的掩模矩阵M_i,j可知，图像饱和区域对应元素值为1，非饱和区域对应元素值为0。此时，可求得图像饱和区域所占比例为：

式中，m、n代表图像尺寸。显而易见，当公式(9)中S值越小时，图像饱和区域比例越低，图像曝光质量越好；S值越大时，图像饱和区域比例越高，图像曝光质量越差。本发明中采用S值作为图像的曝光质量评价标准，以此作为遥感载荷曝光时间调整的判据。

本实施方式中采用三次样条插值进行曝光质量曲线的拟合，相比牛顿插值等算法，计算量小，易于实现。关于曝光时间和图像曝光质量的三次样条曲线可表示为：

S_i(t)＝a_i(t-t_i)³+b_i(t-t_i)²+c_i(t-t_i)+d_i,i＝1,2,3,…n-1,n (10)

式中，t为曝光时间，a_i、b_i、c_i、d_i为待定系数，S_i(t)表示曝光时间t对应的曝光质量。与常规三次样条插值方式不同，本发明中样条曲线对应的边界条件为非扭结边界条件，即：

式中，S″′_n(t_n)表示曲线在t_n点的三阶导数。

以拟合出的曝光质量曲线的最低点对应的横坐标作为遥感载荷在场景下的最佳曝光时间进行工作状态设置，获取该场景下的最佳曝光图像。

本实施方式相对于当前存在的自动曝光算法，引入了图像二维熵作为系统的参考，提出了一种新的图像曝光质量评价指标，该指标对图像亮度、边缘、信息量与信噪比具有良好的敏感性；对求取获取图像的曝光质量进行曲线拟合，根据曲线精确地求解出最佳曝光时间，从而实现最佳曝光图像的获取。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于二维熵的航天遥感载荷自动曝光方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：

步骤一、在载荷可调的曝光时间范围内以λ为曝光时间步长进行连续曝光，获取多幅图像；

步骤二、基于图像曝光质量评价标准计算各图像的曝光质量；具体为：

对于获取的图像，采用了香农熵定义，图像中像素I_i,j的二维熵为:

式中，GS_i,j表示像素点(i,j)对应的灰度级，

表示像素点(i,j)对应灰度级在9×9领域内的概率；

选取二维熵矩阵分割阈值：

设定所述阈值为th_k，当H_i,j<th_k时定义为饱和区域(ROS)熵矩阵元素

反之当H_i,j>th_k时定义为非饱和区域(RONS)熵矩阵元素

分别求取饱和区域与非饱和区域的二维熵矩阵方差：

式中，

与

分别表示饱和区域与非饱和区域的熵矩阵方差，

与

分别表示饱和区域与非饱和区域的熵矩阵元素均值；

基于公式(2)、(3)，定义二维熵矩阵H的总方差为：

式中，p_ROS与p_RONS分别表示当阈值为th_k时饱和区域元素比例与非饱和区域元素占整幅图像的比例；将公式(2)和公式(3)代入到公式(4)中可得：

其中，minH_i,j和maxH_i,j分别表述二维熵矩阵元素的最大值与最小值；对于公式(5)有

th_k＝[minH_i,j,minH_i,j+0.0001,minH_i,j+0.0002,…maxH_i,j]_1×k (6)

遍历th_k中每一个元素，求取所有对应的

当

取得最大值时，对应的th_k即为所求取的阈值th：

式中

对应

的最大值；

基于求取的阈值，定义一个区分饱和区域与非饱和区域的二进制掩模：

根据所求得的掩模矩阵M_i,j可知，图像饱和区域对应元素值为1，非饱和区域对应元素值为0；获得图像饱和区域所占比例为：

式中，m、n代表图像尺寸；当公式(9)中S值越小时，图像饱和区域比例越低，图像曝光质量越好；S值越大时，图像饱和区域比例越高，图像曝光质量越差；采用S值作为图像的曝光质量评价标准，以此作为遥感载荷曝光时间调整的判据；

步骤三、采用三次样条插值的方法对曝光质量曲线进行拟合，求取场景下的最佳曝光时间；

步骤四、以最佳曝光时间设置载荷工作状态，获取场景下的最佳曝光图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维熵的航天遥感载荷自动曝光方法，其特征在于：步骤三中，采用三次样条插值进行曝光质量曲线的拟合，曝光时间和图像曝光质量的三次样条曲线表示为：

S_i(t)＝a_i(t-t_i)³+b_i(t-t_i)²+c_i(t-t_i)+d_i,i＝1,2,3,…n-1,n (10)

式中，t为曝光时间，a_i、b_i、c_i、d_i为待定系数，S_i(t)表示曝光时间t对应的曝光质量，样条曲线对应的边界条件为非扭结边界条件，即：

式中，S″′_n(t_n)表示曲线在t_n点的三阶导数；

以拟合出的曝光质量曲线的最低点对应的横坐标作为遥感载荷在场景下的最佳曝光时间进行工作状态设置，获取该场景下的最佳曝光图像。

Images