專利名稱：：一種用于空間光學(xué)相機(jī)在軌自適應(yīng)調(diào)焦的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及空間光學(xué)相機(jī)在軌運(yùn)動過程中自適應(yīng)調(diào)焦的方法。
背景技術(shù)：
：空間遙感相機(jī)在軌飛行期間會因?yàn)槭芸臻g環(huán)境、氣壓的變化以及發(fā)射過程中沖擊、振動等的影響，導(dǎo)致相機(jī)焦面的變化超過允許的范圍，繼而產(chǎn)生離焦。因此采取有效的自動對焦技術(shù)是保證遙感相機(jī)拍攝出高質(zhì)量圖像的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的數(shù)碼相機(jī)對焦都是相機(jī)在相對靜止的環(huán)境下完成的，而空間相機(jī)對焦面臨的最大困難就是在不斷地繞地球旋轉(zhuǎn)?？臻g相機(jī)是在軌運(yùn)動的，因此間隔時(shí)間內(nèi)所拍攝的圖像中的景物是不完全相同的，直接進(jìn)行清晰度評價(jià)計(jì)算就會因每次拍攝的景物不相同而出現(xiàn)誤對焦問題。目前用于空間相機(jī)自適應(yīng)調(diào)焦方法主要有一、重復(fù)拍攝的方法，即衛(wèi)星對某地拍攝一幅圖像后，等待衛(wèi)星再次掠過該地上空時(shí)重復(fù)拍攝圖像，經(jīng)過多次這樣的拍攝過程后可以得到圖像序列，之后通過清晰度評價(jià)算法計(jì)算，找出最佳對焦位置；二、利用基于功率譜的對焦評價(jià)函數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)焦的方法，該方法由王昕、王海霞等人于2007年6月在電子器件期刊上發(fā)表的《基于功率譜的遙感相機(jī)自動調(diào)焦算法研究與實(shí)現(xiàn)》一文中提出。重復(fù)拍攝法能夠精確的對焦但是一次完整的對焦需要的時(shí)間周期長，對于如敏捷衛(wèi)星這種實(shí)時(shí)性要求高的衛(wèi)星系統(tǒng)是不適用的。基于功率譜對焦的方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間完成對焦，但它的理論基礎(chǔ)是任意景物都有相似的功率譜，而事實(shí)上并非完全如此，森林、海洋、城市等的功率譜相差還是比較大的，因此這種方法局限性比較大，且對焦成功率可能比較低?；谝陨厦枋?，發(fā)明一種能夠短時(shí)間內(nèi)完成自動對焦，且成功率比較高的方法意義是非常巨大的。
發(fā)明內(nèi)容針對空間相機(jī)自動對焦的迫切需要，本發(fā)明的目的是提供一種用于空間光學(xué)相機(jī)在軌自適應(yīng)調(diào)焦的方法，以實(shí)現(xiàn)空間相機(jī)在軌運(yùn)動過程中短時(shí)間完成自動對焦。本發(fā)明的用于空間光學(xué)相機(jī)在軌自適應(yīng)調(diào)焦的方法，包括以下步驟1)空間光學(xué)相機(jī)在軌調(diào)焦過程中每調(diào)節(jié)一次相機(jī)離焦量對地拍攝一幅圖像，數(shù)次拍攝得到序列圖像，2)通過配準(zhǔn)算法計(jì)算出序列圖像中每兩幅相鄰圖像間的位移量和重疊部分；3)對重疊部分進(jìn)行圖像清晰度評價(jià)計(jì)算，得到以兩幅相鄰圖像為一組的若干組圖像清晰度評價(jià)值；4)按照每相鄰兩組圖像具有一個(gè)相同的圖像清晰度評價(jià)值，將若干組圖像的清晰度評價(jià)值通過傳遞映射到同一個(gè)評價(jià)體系中，以圖像清晰度最大的評價(jià)值所對應(yīng)的圖像作為準(zhǔn)確對焦位置。上述的配準(zhǔn)算法可選用互相關(guān)法、相位相關(guān)法或灰度投影法等。兩幅相鄰圖像間的位移是指直線位移，如水平方向位移、垂直方向位移或斜方向位移。圖像清晰度評價(jià)計(jì)算方法可選用能量梯度函數(shù)法、拉普拉斯函數(shù)法或方差梯度函數(shù)法等。本發(fā)明能夠在較短的時(shí)間內(nèi)找出對焦最清晰的位置，并且只要所拍攝的照片細(xì)節(jié)足夠多就能保證相對較高的成功率。本發(fā)明可直接應(yīng)用于現(xiàn)有的衛(wèi)星系統(tǒng)、航拍系統(tǒng)上，尤其如敏捷衛(wèi)星這種對于實(shí)時(shí)性要求比較高的衛(wèi)星系統(tǒng)。圖1是移動的空間相機(jī)拍攝示意圖；圖2是移動的相機(jī)自動對焦示意圖；圖3是序列圖像清晰度評價(jià)值傳遞方法的原理圖；圖4是圖像序列的評價(jià)結(jié)果。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的用于空間光學(xué)相機(jī)在軌自適應(yīng)調(diào)焦的方法，包括以下步驟1)空間光學(xué)相機(jī)在軌調(diào)焦過程中每調(diào)節(jié)一次相機(jī)離焦量對地拍攝一幅圖像(見圖l)，數(shù)次拍攝得到序列圖像。例如在本例中通過數(shù)碼相機(jī)對遙感照片進(jìn)行拍攝來模擬空間相機(jī)對地成像過程，實(shí)驗(yàn)中相機(jī)邊移動邊調(diào)焦并經(jīng)過數(shù)次拍攝后共得到10幅圖像aj，每幅圖像大小為2048X3072，每次拍攝圖像之前都會進(jìn)行微量調(diào)焦，所以每幅圖像都存在一定的離焦量，在實(shí)驗(yàn)拍攝過程中序列圖像e是最佳對焦位置；2)通過配準(zhǔn)算法(此例選用互相關(guān)法)計(jì)算出10幅圖像中每兩幅相鄰圖像間的水平位移量(具體見表l第一列)和重疊部分。移動的相機(jī)自動對焦如圖2所示，圖(a)中1、2、3、4表示由數(shù)碼相機(jī)在移動過程中拍攝的序列圖像中的其中四幅圖像，其中，圖(b)的1圖像、2圖像為第一組相鄰圖像，圖(c)的2圖像、3圖像為第二組相鄰的圖像，圖(d)的3圖像、4圖像為第三組相鄰的圖像，它們中的陰影部分就是需要計(jì)算的圖像間的重疊區(qū)域；3)對重疊部分按能量梯度法作為清晰度評價(jià)計(jì)算因子(式(l))進(jìn)行圖像清晰度評價(jià)計(jì)算，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中I(x，y)為圖像在點(diǎn)(x，y)處的灰度值。得到以兩幅相鄰圖像為一組的9組圖像清晰度評價(jià)值(具體數(shù)值見表1第二、第三列)。4)按照每相鄰兩組圖像具有一個(gè)相同的圖像清晰度評價(jià)值，將9組圖像的清晰度評價(jià)值通過傳遞映射到同一個(gè)評價(jià)體系中，以圖像清晰度最大的評價(jià)值所對應(yīng)的圖像作為準(zhǔn)確對焦位置。以三幅圖像為例說明傳遞映射的原理(見圖3):1)利用數(shù)字圖像清晰度評價(jià)算法(能量梯度法)分別計(jì)算相鄰兩幅圖，即圖(a)中的1圖像、2圖像的重疊區(qū)域圖像的清晰度評價(jià)值，得到第一組數(shù)據(jù)并將其在坐標(biāo)平面中表示，即圖(c)中顯示的黑點(diǎn)A與黑點(diǎn)B，黑點(diǎn)A代表1圖像的清晰度評價(jià)值，黑點(diǎn)B代表2圖像的清晰度評價(jià)值，；2)同樣的方法計(jì)算圖(b)中的2圖像與3圖像的重疊區(qū)域圖像，得到第二組清晰度評價(jià)值，將其在坐標(biāo)平面中表示，即圖(c)中顯示的黑點(diǎn)C與黑點(diǎn)D，黑點(diǎn)C代表2圖像的清晰度評價(jià)值，黑點(diǎn)D代表3圖像的清晰度評價(jià)值；3)在兩組相鄰圖像中2圖像是公共的，因此理論上B與C應(yīng)是同一點(diǎn)(造成其不為同一點(diǎn)的原因是兩次計(jì)算中在2圖像上所取的景物區(qū)域是不同的，景物的不同將引起評價(jià)值的變化)，本例中采用清晰度評價(jià)值B代替C點(diǎn)的值(即采用黑點(diǎn)B代替黑點(diǎn)C的值)，表現(xiàn)在坐標(biāo)平面上就是圖(c)中黑點(diǎn)C到黑點(diǎn)B的箭頭部分。利用傳遞公式S二D承B/C，式中B、C分別是相鄰兩組圖像的第一組重疊區(qū)域圖像在公共圖像上的清晰度評價(jià)值和第二組重疊區(qū)域圖像在公共圖像上的清晰度評價(jià)值，此例中B是2圖像和1圖像重疊區(qū)域(陰影部分)在2圖像上的清晰度評價(jià)值，C是2圖像和3圖像重疊區(qū)域(陰影部分)在2圖像上的清晰度評價(jià)值，D是第二組圖像中第二幅圖像的清晰度評價(jià)值，此例中相當(dāng)于是3圖像。通過公式計(jì)算得出D點(diǎn)相對于A點(diǎn)的數(shù)值，在圖(c)中為d點(diǎn)，圖(c)中D點(diǎn)到d點(diǎn)的箭頭表示這一過程。這樣這兩組數(shù)據(jù)映射到同一評價(jià)體系中了。在本例中就是對aj十幅序列圖像經(jīng)過清晰度評價(jià)計(jì)算后得到9組清晰度評價(jià)值，分別為(81.65,89.81)、(101.03，110.65)、(88.04，117.07)、(131.23,175.54)、(173.42，111.09)、(123.99，91.98)、(99.04，83.46)、(81.58，79.67)、(78.76，79.38)(見表1中的第三、二列所示)，映射到同一評價(jià)體系后清晰度評價(jià)數(shù)值S(即規(guī)整化的清晰度評價(jià)值，具體可見表l中的第五列)。在平面上畫出S值所對應(yīng)的點(diǎn)并連接后得出其軌跡圖(見圖4)，從圖4中可直觀的看到映射到同一個(gè)評價(jià)體系中的評價(jià)結(jié)果。通過尋找清晰度評價(jià)值的最大值位置最后得出最佳對焦圖像是圖e。該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)拍攝圖像時(shí)得出的結(jié)論是一致的，說明本方法可以實(shí)現(xiàn)以上所述的功能。作為低軌衛(wèi)星典型計(jì)算，現(xiàn)有主流圖像傳感器的刷新頻率是25Hz，也就是每40ms就可以得到一幅圖像，考慮對焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動一次大概需要20ms，所以對焦過程中獲取一幅圖像總共需要為60ms左右，一般一次對焦過程需要1012幅圖像，考慮計(jì)算運(yùn)行時(shí)間以及其他各種時(shí)間因素后，一分鐘內(nèi)應(yīng)該可以完成對焦工作。對于500km高空的衛(wèi)星，其飛行速度為7627m/s，因此60ms時(shí)間間隔內(nèi)可以飛行458m，換算為地面掃描的距離為424m，按照空間相機(jī)lm的分辨率進(jìn)行計(jì)算可以知道每60ms拍攝的圖像間有424個(gè)像素的位移量。假設(shè)使用的空間相機(jī)CCD像素為2048X2048，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間以及內(nèi)存資源，本方法在后期圖像處理前一般會先對圖像的中心區(qū)域進(jìn)行截取，假設(shè)截取的中心區(qū)域圖像像素為1024X1024，那么兩相鄰圖像間相應(yīng)的有58.6X的重疊區(qū)域。而本例中圖像大小為2048X3072，通過截取圖像中心區(qū)域大小為1024X1536進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，而每兩幅圖像間位移量約為600像素，即兩幅相鄰圖像間重疊區(qū)域約60.9%，與衛(wèi)星典型事例中圖像間重疊區(qū)域的58.6%相比，說明本例的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況相符。表1:序列圖像的各子塊評價(jià)函數(shù)值及傳遞值<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求一種用于空間光學(xué)相機(jī)在軌自適應(yīng)調(diào)焦的方法，其特征在于包括以下步驟1)空間光學(xué)相機(jī)在軌調(diào)焦過程中每調(diào)節(jié)一次相機(jī)離焦量對地拍攝一幅圖像，數(shù)次拍攝得到序列圖像，2)通過配準(zhǔn)算法計(jì)算出序列圖像中每兩幅相鄰圖像間的位移量和重疊部分；3)對重疊部分進(jìn)行圖像清晰度評價(jià)計(jì)算，得到以兩幅相鄰圖像為一組的若干組圖像清晰度評價(jià)值；4)按照每相鄰兩組圖像具有一個(gè)相同的圖像清晰度評價(jià)值，將若干組圖像的清晰度評價(jià)值通過傳遞映射到同一個(gè)評價(jià)體系中，以圖像清晰度最大評價(jià)值所對應(yīng)的圖像作為準(zhǔn)確對焦位置。全文摘要本發(fā)明公開的用于空間光學(xué)相機(jī)在軌自適應(yīng)調(diào)焦的方法，具體步驟包括(1)空間光學(xué)相機(jī)在軌自動調(diào)焦過程中，每調(diào)節(jié)一次相機(jī)離焦量就對地拍攝一幅圖像，經(jīng)過數(shù)次拍攝后得到序列圖像；(2)通過配準(zhǔn)算法計(jì)算出兩幅相鄰圖像間的位移量，繼而找出它們的重疊部分；(3)對重疊部分進(jìn)行圖像清晰度評價(jià)計(jì)算，得到以兩幅相鄰圖像為一組的若干組圖像清晰度評價(jià)值；(4)按照每相鄰兩組圖像具有一個(gè)相同的圖像清晰度評價(jià)值，將一系列圖像的清晰度評價(jià)值通過傳遞映射到同一個(gè)評價(jià)體系中，繼而找出最佳對焦位置。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)空間相機(jī)在軌運(yùn)動過程中短時(shí)間完成自動對焦。適用于對焦時(shí)間較短且調(diào)焦頻率較高的應(yīng)用領(lǐng)域。文檔編號G03B13/36GK101710224SQ20091015529公開日2010年5月19日申請日期2009年12月10日優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日發(fā)明者馮華君,孟希羲,徐之海,李奇申請人:浙江大學(xué)