CN114268723A - 航空相机图像检焦装置及其方法 - Google Patents

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陈志超
刘重阳
丁亚林
张洪文
匡海鹏
苏东风
王雪
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Abstract

本发明提供一种航空相机图像检焦装置，包括：电控箱、CCD传感器、镜筒、扫描镜、调焦镜和光学系统；电控箱包括：相机控制器、数据处理系统、调焦镜控制器、扫描镜控制器和镜筒控制器；地面景物折射的光束进入镜筒后，经过扫描镜的反射进入光学系统中，光束经过光学系统的折射后再次经过调焦镜的反射进入CCD传感器，且在CCD传感器中进行成像；数据处理系统控制CCD传感器对地面景物进行拍摄；数据处理系统根据CCD传感器拍摄的图像通过对焦评价算子计算Sobel算子数值，确定最佳焦面位置。本发明能够针对摆扫航空相机进行图像检焦，通过直接检焦的方式，具有结构简单，易于实现等特点。

Description

航空相机图像检焦装置及其方法
技术领域
本发明涉及航空相机测量与成像技术领域，特别涉及一种航空相机图像检焦装置及其方法。
背景技术
航空相机在空中成像时，由于温度、大气压力和照相距离的变化会造成离焦的现象，严重影响图像的清晰度和分辨率，长焦距相机尤其如此。所以要获得高清晰度的图像，就需要相机在拍照前，进行自动检调焦。目前，航空相机上常用的检调焦方法为光电自准直式，采用在像面上放置一个光栅作为目标，通过光学系统成像后，再通过一个反射镜将其反射回到像面上，使用光敏元件接收，通过接收到的能量来判断焦面。但是，该方法是利用光敏元件进行检焦，属于间接检焦，光敏元件的安装位置、性能等都会影响CCD成像的效果。
目前航空相机常采用自准直检焦方法，其利用光敏元件进行检焦，光敏元件的安装位置、性能等都会影响CCD成像的效果。而且该方法属于间接检焦，在光敏元件检焦方法调试完成后，还需要标定光敏元件检焦位置与CCD探测器成像位置的差值，也存在误差。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种航空相机图像检焦装置及其方法。能够针对摆扫航空相机进行图像检焦，通过直接检焦的方式，具有结构简单，易于实现等特点。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种航空相机图像检焦装置，包括：电控箱、CCD传感器、镜筒、扫描镜、调焦镜和光学系统；
电控箱包括：相机控制器、数据处理系统、调焦镜控制器、扫描镜控制器和镜筒控制器；
地面景物折射的光束进入镜筒后，经过扫描镜的反射进入光学系统中，光束经过光学系统的折射后经过调焦镜的反射进入CCD传感器，且在CCD传感器中进行成像；
相机控制器对数据处理系统、调焦镜控制器、扫描镜控制器和镜筒控制器发出检焦指令；
镜筒控制器控制镜筒进行转动，并将镜筒的频率信号发送给CCD传感器；
扫描镜控制器控制扫描镜进行转动，用于补偿航空相机在飞行方向上的像移；
调焦镜控制器控制调焦镜进行移动，并将调焦镜的位置发送给相机控制器；
数据处理系统控制CCD传感器对不同的检焦位置下的地面景物进行拍摄；
数据处理系统根据CCD传感器拍摄的图像通过对焦评价算子计算Sobel算子数值，确定最佳焦面位置。
优选地，镜筒沿飞行方向进行转动，扫瞄镜垂直飞行方向进行转动。
优选地，调焦镜沿光学系统的光轴方向进行移动。
本发明还提供一种航空相机图像检焦方法，包括以下步骤：
S1、相机控制器对数据处理系统、调焦镜控制器、扫描镜控制器和镜筒控制器同时发出检焦指令；
S2、镜筒控制器和扫描镜控制器分别控制镜筒和扫瞄镜进行转动；
S3、在镜筒和扫瞄镜转动的同时，调焦镜控制器控制调焦镜移动到不同的检焦位置，并将检焦位置发送给相机控制器；
S4、数据处理系统控制CCD传感器对不同的检焦位置下的地面景物进行成像；
S5、数据处理系统根据CCD传感器拍摄的图像计算Sobel算子数值；
S6、重复步骤S3-S5，将Sobel算子数值最大时对应的焦面位置作为最佳像面位置。
优选地，调焦镜以第一步进距离进行移动，逐个对不同的检焦位置进行拍摄并计算Sobel算子数值，将Sobel算子数值最大时对应的焦面位置作为第一焦面；
以第一焦面为中心，在第一焦面前后的第一步进距离范围内，调焦镜以第二步进距离进行移动，逐个对不同的检焦位置进行拍摄并计算Sobel算子数值，将Sobel算子数值最大时对应的焦面位置作为第二焦面；
以第二焦面为中心，在第二焦面前后的第二步进距离范围内，调焦镜以第三步进距离进行移动，逐个对不同的检焦位置进行拍摄并计算Sobel算子数值，将Sobel算子数值最大时对应的焦面位置作为最佳像面位置。
优选地，第一步进距离大于第二步进距离，第二步进距离大于第三步进距离。
优选地，步骤S5包括以下子步骤：
S501、通过图像配准算法，找到相邻两张图像中相同的区域；
S502、针对相邻两张图像中相同的区域，通过对焦评价算子进行计算Sobel算子数值。
与现有的技术相比，能够针对摆扫航空相机进行图像检焦，通过直接检焦的方式，具有结构简单，易于实现等特点。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的航空相机图像检焦装置的检焦原理示意图。
图2是根据本发明实施例提供的航空相机图像检焦装置的电控结构原理图。
图3是根据本发明实施例提供的航空相机图像检焦装置的焦面位置与对焦评价算子的关系示意图。
图4是根据本发明实施例提供的航空相机图像检焦装置的图像重叠区域示意图。
图5是根据本发明实施例提供的航空相机图像检焦方法的流程图。
其中的附图标记包括：电控箱1、相机控制器1-1、数据处理系统1-2、调焦镜控制器1-3、扫描镜控制器1-4、镜筒控制器1-5、光轴2、CCD传感器3、地面景物4、镜筒5、扫描镜6、调焦镜7和光学系统8。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的航空相机图像检焦装置的检焦原理。
如图1所示，本发明实施例提供的航空相机图像检焦装置包括：电控箱1、光轴2、CCD传感器3、镜筒5、扫描镜6、调焦镜7和光学系统8。
扫描镜6和调焦镜7与光轴2有45度的夹角，调焦镜7可以沿光轴2方向进行前后移动。
地面景物4折射出的光束进入镜筒5后，经过扫描镜6的反射后进入光学系统8中，经过光学系统8的折射后再次经过调焦镜7的反射进入CCD传感器3中，且在CCD传感器3中进行成像。
CCD传感器3为线阵CCD传感器。线阵CCD传感器的型号为：线阵TDICCD传感器，像元为8192，200级级数，像元尺寸为8微米，光学系统焦距为900mm，光圈为5.6，在可见光波段成像。
检焦时，扫描镜6用于补偿相机像移的状态，使地面景物4能狗在CCD传感器3中稳定成像，驱动调焦镜7进行移动，可以得到各个焦面位置所对应的图像，通过图像配准后，对相同图像区域采用对焦评价算子进行计算和统计分析，找到最佳焦面位置。
图2示出了根据本发明实施例提供的航空相机图像检焦装置的电控结构原理。
如图2所示，电控箱1包括：相机控制器1-1、数据处理系统1-2、调焦镜控制器1-3、扫描镜控制器1-4、镜筒控制器1-5。
电控箱1中的相机控制器1-1通过串口对数据处理系统1-2、调焦镜控制器1-3、扫描镜控制器1-4和镜筒控制器1-5发出检焦指令。相机控制器1-1、数据处理系统1-2、调焦镜控制器1-3、扫描镜控制器1-4和镜筒控制器1-5均选用美国德州仪器公司(TI)的TMS320F2812作为主控制器。它具有高速运算能力和面向电机的高效控制能力，其特点为：50MHz工作频率、32位数据线、18kRAM、128kFLASH、16通道PWM、3个定时器、2个全双工SCI串口。选用DS26C31和DS26C32作为RS-422串行通讯接口芯片，相机控制器1-1、数据采集系统1-2、调焦镜控制器1-3、扫描镜控制器1-4和镜筒控制器1-5之间分别进行串口通讯。
镜筒控制器1-5接收到相机控制器1-1发送的检焦指令后，控制镜筒5进行匀速转动，镜筒控制器1-5将频率信号传输给CCD传感器3，CCD传感器3输出图像给数据处理系统1-2。
扫描镜控制器1-4接收到相机控制器1-1发送的检焦指令后，控制扫描镜6进行前向转动，补偿相机在飞行方向上的像移，使地面景物4能够在CCD传感器3中进行稳定成像。
调焦镜控制器1-3接收到相机控制器1-1发送的检焦指令后，驱动调焦镜7移动到第一个指定的检焦位置，并将此时调焦镜7的焦面位置发送给相机控制器1-1。
数据处理系统1-2接收到相机控制器1-1发送的检焦成像指令后，控制CCD传感器3对地面景物4进行第一次成像，并将拍摄的图像输出到数据处理系统1-2。
CCD传感器3对地面景物4进行第一次成像后，调焦镜控制器1-3根据再次接收到的检焦指令，再次驱动调焦镜7移动到第二个指定的检焦位置；数据处理系统1-2根据再次接收到的检焦成像指令，再次控制CCD传感器3对地面景物4进行第二次成像，并将拍摄的图像输出到数据处理系统1-2。重复以上工作，直到找到计算结果最大的焦面位置，最终得到最佳的检焦位置。调焦镜控制器1-3发送检焦完成的信息给相机控制器1-1，相机控制器1-1结束检焦。
图3示出了根据本发明实施例提供的航空相机图像检焦装置的焦面位置与对焦评价算子的关系。
如图3所示，图像越模糊，图像中灰度变化率越小。Sobel算子作为对焦评价算子，可以用来表示图像灰度的变化率。
对于图像序列的第k幅图像，在某图像窗口W内的Sobel为Sk，Sk的值反映了图像序列中第k幅图像在图像窗口W内的依据Sobel算子计算的图像清晰度大小。
Sk的表达式为：
Figure BDA0003437593190000061
V1＝max{Sk} (k＝1,2,3,……n)
其中：Sk为Sobel算子，f(i.j)为对焦区域中第i行第j列像素的灰度值，M和N分别为所取图像窗口W的宽度和高度。
Sk取最大值时图像最清晰，V1为最佳焦面位置时的Sobel算子。
合焦时，地面景物4成像在CCD传感器3的像面上，CCD传感器3接收的图像最清晰，采用对焦评价算子根据CCD传感器3图像所计算得到的输出值最大。
离焦时，地面景物4的像和CCD传感器3的像面不完全重合，CCD传感器3接收的图像较模糊，采用对焦评价算子根据CCD传感器3图像所计算得到的输出值较小。
图4示出了根据本发明实施例提供的航空相机图像检焦装置的图像重叠区域。
如图4所示，航空成像时，为了避免拼接后图像拉缝，两张相邻图像需要具有重叠部分，因此可以采用线阵CCD图像的重叠部分进行图像检焦处理。
图5示出了根据本发明实施例提供的航空相机图像检焦方法的流程图。
如图5所示，发明实施例提供的航空相机图像检焦方法包括以下步骤：
S1、相机控制器对数据处理系统、调焦镜控制器、扫描镜控制器和镜筒控制器同时发出检焦指令。
S2、镜筒控制器和扫描镜控制器接收到检焦指令后，分别控制镜筒和扫瞄镜进行转动。
镜筒控制器接收到检焦指令后控制镜筒进行匀速转动，并将频率信号传输给CCD传感器。
扫描镜控制器接收到检焦指令后控制扫描镜进行前向转动，使地面景物能够在CCD传感器中进行稳定成像。
S3、调焦镜控制器接收到检焦指令后，在镜筒和扫瞄镜转动的同时，调焦镜控制器控制调焦镜依次移动到不同的检焦位置，并将检焦位置发送给相机控制器。
S4、数据处理系统接收到检焦成像指令后，控制CCD传感器依次对不同的检焦位置下的地面景物进行成像，CCD传感器将拍摄的图像输出到数据处理系统。
S5、数据处理系统根据CCD传感器所成的图像计算Sobel算子。
步骤S5包括以下子步骤：
S501、通过图像配准算法，找到相邻拍摄的两张图像中相同的区域；
S502、针对相同的区域，通过对焦评价算子进行计算，得到Sobel算子的计算结果。
S6、重复步骤S3-S5，当得到的Sobel算子数值最大时，结束检焦。
在整个检焦范围内，首先选定第一步进距离，第一步进距离的取值较大，逐个对待测焦面位置进行拍照检焦，针对不同待测焦面位置的图像，通过图像配准算法，首先找到相邻拍摄的两张图像中相同的多个区域，然后针对多个区域，通过对焦评价算子进行计算，获得Sobel算子的计算结果，比较两张图像中多个区域的计算结果，进行统计分析，Sobel算子计算结果值大的图像相对更加清晰，更靠近焦面。通过多个待测焦面位置的互相比较，找到其中Sobel算子数值最大的焦面位置，命名为第一焦面；
找到第一焦面后，以第一焦面的位置为中心，在第一焦面前后的第一步进距离范围内，选定第二步进距离，第二步进距离的取值要小于第一步进距离，逐个对待测焦面位置进行拍照检焦，找到其中Sobel算子数值最大的焦面位置，命名为第二焦面；
找到第二焦面后，以第二焦面的位置为中心，在第二焦面前后的第二步进距离范围内，选定第三步进距离，第三步进距离的取值要小于第二步进距离，逐个对待测焦面位置进行拍照检焦，找到其中Sobel算子数值最大的焦面位置，作为最佳像面位置。
首先选择的步进距离为0.4mm，在整个调焦范围内±2.5mm内进行检焦，找到调焦评价函数最大值点所对应的焦面位置。然后再采用0.1mm的步进距离，向一个方向移动，在判断调焦评价函数的较大值后，向数值大的方向移动，直到数值大于一定数值。然后再采用0.03mm的步进距离，找到最大值所对应的，作为最佳焦面位置。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种航空相机图像检焦装置，其特征在于，包括：电控箱、CCD传感器、镜筒、扫描镜、调焦镜和光学系统；
所述电控箱包括：相机控制器、数据处理系统、调焦镜控制器、扫描镜控制器和镜筒控制器；
地面景物折射的光束进入所述镜筒后，经过所述扫描镜的反射进入所述光学系统中，所述光束经过所述光学系统的折射后经过所述调焦镜的反射进入所述CCD传感器，且在所述CCD传感器中进行成像；
所述相机控制器对所述数据处理系统、所述调焦镜控制器、所述扫描镜控制器和所述镜筒控制器发出检焦指令；
所述镜筒控制器控制所述镜筒进行转动，并将所述镜筒的频率信号发送给所述CCD传感器；
所述扫描镜控制器控制所述扫描镜进行转动，用于补偿所述航空相机在飞行方向上的像移；
所述调焦镜控制器控制所述调焦镜进行移动，并将所述调焦镜的位置发送给所述相机控制器；
所述数据处理系统控制所述CCD传感器对不同的检焦位置下的地面景物进行拍摄；
所述数据处理系统根据所述CCD传感器拍摄的图像通过对焦评价算子计算Sobel算子数值，确定最佳焦面位置。
2.根据权利要求1所述的航空相机图像检焦装置，其特征在于，所述镜筒沿飞行方向进行转动，所述扫瞄镜垂直飞行方向进行转动。
3.根据权利要求1所述的航空相机图像检焦装置，其特征在于，所述调焦镜沿所述光学系统的光轴方向进行移动。
4.一种航空相机图像检焦方法，应用于权利要求1-3任一项所述的航空相机图像检焦装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1、所述相机控制器对所述数据处理系统、所述调焦镜控制器、所述扫描镜控制器和所述镜筒控制器同时发出检焦指令；
S2、所述镜筒控制器和所述扫描镜控制器分别控制所述镜筒和所述扫瞄镜进行转动；
S3、在镜筒和扫瞄镜转动的同时，所述调焦镜控制器控制所述调焦镜移动到不同的检焦位置，并将检焦位置发送给所述相机控制器；
S4、所述数据处理系统控制所述CCD传感器对不同的检焦位置下的地面景物进行成像；
S5、数据处理系统根据CCD传感器拍摄的图像计算Sobel算子数值；
S6、重复步骤S3-S5，将Sobel算子数值最大时对应的焦面位置作为最佳像面位置。
5.根据权利要求4所述的航空相机图像检焦方法，其特征在于，所述调焦镜以第一步进距离进行移动，逐个对不同的检焦位置进行拍摄并计算Sobel算子数值，将Sobel算子数值最大时对应的焦面位置作为第一焦面；
以所述第一焦面为中心，在所述第一焦面前后的所述第一步进距离范围内，所述调焦镜以第二步进距离进行移动，逐个对不同的检焦位置进行拍摄并计算Sobel算子数值，将Sobel算子数值最大时对应的焦面位置作为第二焦面；
以所述第二焦面为中心，在所述第二焦面前后的所述第二步进距离范围内，所述调焦镜以第三步进距离进行移动，逐个对不同的检焦位置进行拍摄并计算Sobel算子数值，将Sobel算子数值最大时对应的焦面位置作为最佳像面位置。
6.根据权利要求5所述的航空相机图像检焦方法，其特征在于，所述第一步进距离大于所述第二步进距离，所述第二步进距离大于所述第三步进距离。
7.根据权利要求6所述的航空相机图像检焦方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下子步骤：
S501、通过图像配准算法，找到相邻两张图像中相同的区域；
S502、针对相邻两张图像中相同的区域，通过所述对焦评价算子进行计算Sobel算子数值。
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