面向遥感相机自动对焦系统的方法研究
发布时间：2021-06-27 19:16
对地光学遥感成像相机,是卫星的主要应用方向之一,对焦技术是相机成像系统中的核心技术之一。遥感相机在成像过程中易受到外界环境中温度、大气压力、成相距离变化等因素的影响产生离焦现象,因此需要在成像过程中设定对焦功能,确保系统成像质量。目前普遍应用的方式为根据地面成像效果通过计算的方式获取离焦量,进而通过人工设定对焦功能,因此需要发展自动对焦技术,简化对焦过程。迄今为止已有许多国内外学者,针对现有的自动对焦技术进行了深入的研究,但是在遥感相机的成像过程中同时提高对焦的精度和速度仍是一项十分艰巨的任务。数字图像处理技术是以图像的形式灵活地获取成像目标重要信息的一种手段,本文对数字图像处理技术中常用的4种图像清晰度评价函数和对焦搜索算法进行了深入的研究,并通过Matlab仿真对其在遥感相机应用中存在的不足进行对比分析,提出了Sobel-Canny两种算子相结合的二次对焦方法,对成像目标进行二次对焦判断,确保遥感相机对焦功能的准确度,为了进一步提高系统对焦的速度,对爬山搜索法存在的问题提出了改进。最后在遥感相机对焦试验平台上对5种对焦方法的实验结果进行对比分析,实验结果表明,Sobel-Canny...
【文章来源】：北华航天工业学院河北省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图像归一化清晰度评价曲线
，均在n=9处取得图像的最大值，因此相机在第9幅图像处得到最佳成像位置，与主观判断的结果一致。在这种情况下，可以得出结论，四种边缘检测算子均可以准确的计算出图像最佳成像位置，满足清晰度评价函数单峰性和无偏性的基本要求。图中Sobel算子和Canny算子越靠近峰值处曲线两侧变化明显，均表现出很好的单调性，其中Canny算子在峰值两侧最陡峭，高灵敏度最高，最佳成像位置附近的判断最准确。Robert算子和Prewitt算子峰值处曲线变化相对较平缓，峰值两侧大体呈现单调性，这两种算子在最佳成像位置附近的灵敏度相对较差。图3.8图像归一化清晰度评价曲线图3.8是四种算子对边缘特征复杂的远景图像计算清晰度的仿真结果。Robert算子和Prewitt算子在计算图像清晰度时曲线发生了不同强度的变化，因此图像边缘处的信息含量对评价函数的影响很大。对于边缘特征复杂的图像计算清晰度时，两种算子曲线的变化比较平缓几乎没有呈现出明显峰值，这种情况下，会对对焦的结果产生较大的影响，不利于对峰值位置做出判断，因此不做考虑。Sobel算子和Canny算子曲线峰值横坐标都在n=9处，在峰值两侧具有较好的单调性，两个算子对于边缘特征复杂的图像可以准确的计算出最佳成像位置。其中Sobel算子的曲线出现了小幅度的上浮现象，在这种场景下Sobel算子的灵敏度和稳定性均有所下降。Canny算子首先对图像进行平滑计算，可以有效地抑制噪声等虚假边缘对计算结果造成的干扰，准确的定位出图像的边缘。在计算图像的清晰度时Canny算子的曲线几乎没有发生明显的变化，对于信息分布复杂的远景图像，仍能保证很好的灵敏度和稳定性。通过对比上述两组边缘信息含量不同的图像得出结论，Robert和Prewitt两种算子会因成像目标边缘信息的变化而对评价结果产生明显的影响。Sobel算子
面向遥感相机自动对焦系统的方法研究405.1.1CMOS成像器件CMOS图像传感器中每个像元内部，可实现光电转换。目前CMOS传感器以体积孝成本低、功耗小的特点被广泛应用于商业领域。综合考虑视频相机分辨率、帧频、幅宽、量化位数等方面的需求，该系统选择CMOSIS公司的12M像素CMOS传感器为成像器件，传感器为像元尺寸为5.5um，像元数4096×3072，CMOS成像器件如图5.2所示。图5.2CMOS成像器件CMOS传感器技术指标如表5.1所示，支持CameralinkBase，Medium，Full，Full80-bit输出模式；全画幅输出帧频可达124fps(8-bit),99fps(10-bit)；全局曝光配备双采样处理、曝光可控制、自动增益控制、支持高动态范围模式、固定噪声与底电平抑制等、相当于在光子探测的同时增加了读出集成电路（ROIC）。可以输出鲁棒性好、抗干扰强的数字信号。由其特性参数可知，该型号传感器适用于本系统应用。表5.1传感器技术指标列表序号参数指标1有效像元数4096(H)×3072(V)=12.58Mpixel2量子效率FF×QE=55%@550nm3响应度4.64V/lux·s4动态范围60dB5转换效率0.075LSB/e-6随机噪声13e-7固定模式噪声<1LSB8数据速率50～600Mbps9帧频0~350fps@8-bit10功耗7W
【参考文献】：
期刊论文
[1]自动对焦过程中图像清晰度评价算法研究[J]. 项魁,高健. 组合机床与自动化加工技术. 2019(01)
[2]改进Canny算子在工业影像清晰度评价中的应用研究[J]. 刘书炘,程仁贵,黎明. 重庆师范大学学报(自然科学版). 2017(02)
[3]图像清晰度评价算法研究[J]. 孙红利,冯旗,董峰. 传感器与微系统. 2017(02)
[4]基于饱和像素剔除的自动对焦评价函数[J]. 王烨茹,冯华君,徐之海,李奇,陈跃庭. 光学学报. 2016(12)
[5]一种新的遥感影像清晰度评价方法[J]. 谭伟,杨秉新,何红艳. 中国空间科学技术. 2016(02)
[6]电测法测量透镜焦距[J]. 王芳芳,张景红,张轶炳,王超. 物理通报. 2015(02)
[7]遗传算法的爬山法改进[J]. 柴岩,周艳钊. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2014(07)
[8]基于图像处理的自动对焦技术综述[J]. 尤玉虎,刘通,刘佳文. 激光与红外. 2013(02)
[9]改进的Brenner图像清晰度评价算法[J]. 王健,陈洪斌,周国忠,安涛. 光子学报. 2012(07)
[10]基于图像处理的航空成像设备自动调焦设计[J]. 赵志彬,刘晶红. 液晶与显示. 2010(06)
博士论文
[1]基于数字图像处理的自动对焦方法研究[D]. 王烨茹.浙江大学 2018
[2]基于图像处理技术的自动调焦方法研究[D]. 路朋罗.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
[3]头盔显示器光学系统关键技术研究[D]. 李华.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[4]基于图像技术的自动调焦方法研究[D]. 黄德天.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
[5]推扫式遥感相机基于图像的实时自动调焦研究[D]. 卢振华.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2012
硕士论文
[1]基于ARM平台的便携式自动对焦数字全息显微系统设计[D]. 李杰.浙江工业大学 2019
[2]基于图像处理的航空红外相机自动调焦技术研究[D]. 杨艳艳.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2016
[3]基于图像处理的自动调焦技术[D]. 张晶.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[4]基于图像信息熵的无参考图像质量评估算法的研究[D]. 郑加苏.北京交通大学 2015
[5]基于图像处理的自动调焦算法研究及系统实现[D]. 陶金有.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
[6]高灵敏度自动对焦系统的研究与实现[D]. 余炎.武汉理工大学 2014
[7]基于图像处理的自动调焦技术研究[D]. 莫春红.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2013
[8]自动聚焦系统中评价函数性能与动态区域选取的研究[D]. 王彦芳.山东大学 2011
[9]基于图像的光测成像系统自动调焦方法研究[D]. 耿道鹏.国防科学技术大学 2008
[10]被动式自动对焦算法的研究[D]. 黄娟.太原理工大学 2008
本文编号：3253445
【文章来源】：北华航天工业学院河北省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图像归一化清晰度评价曲线
，均在n=9处取得图像的最大值，因此相机在第9幅图像处得到最佳成像位置，与主观判断的结果一致。在这种情况下，可以得出结论，四种边缘检测算子均可以准确的计算出图像最佳成像位置，满足清晰度评价函数单峰性和无偏性的基本要求。图中Sobel算子和Canny算子越靠近峰值处曲线两侧变化明显，均表现出很好的单调性，其中Canny算子在峰值两侧最陡峭，高灵敏度最高，最佳成像位置附近的判断最准确。Robert算子和Prewitt算子峰值处曲线变化相对较平缓，峰值两侧大体呈现单调性，这两种算子在最佳成像位置附近的灵敏度相对较差。图3.8图像归一化清晰度评价曲线图3.8是四种算子对边缘特征复杂的远景图像计算清晰度的仿真结果。Robert算子和Prewitt算子在计算图像清晰度时曲线发生了不同强度的变化，因此图像边缘处的信息含量对评价函数的影响很大。对于边缘特征复杂的图像计算清晰度时，两种算子曲线的变化比较平缓几乎没有呈现出明显峰值，这种情况下，会对对焦的结果产生较大的影响，不利于对峰值位置做出判断，因此不做考虑。Sobel算子和Canny算子曲线峰值横坐标都在n=9处，在峰值两侧具有较好的单调性，两个算子对于边缘特征复杂的图像可以准确的计算出最佳成像位置。其中Sobel算子的曲线出现了小幅度的上浮现象，在这种场景下Sobel算子的灵敏度和稳定性均有所下降。Canny算子首先对图像进行平滑计算，可以有效地抑制噪声等虚假边缘对计算结果造成的干扰，准确的定位出图像的边缘。在计算图像的清晰度时Canny算子的曲线几乎没有发生明显的变化，对于信息分布复杂的远景图像，仍能保证很好的灵敏度和稳定性。通过对比上述两组边缘信息含量不同的图像得出结论，Robert和Prewitt两种算子会因成像目标边缘信息的变化而对评价结果产生明显的影响。Sobel算子
面向遥感相机自动对焦系统的方法研究405.1.1CMOS成像器件CMOS图像传感器中每个像元内部，可实现光电转换。目前CMOS传感器以体积孝成本低、功耗小的特点被广泛应用于商业领域。综合考虑视频相机分辨率、帧频、幅宽、量化位数等方面的需求，该系统选择CMOSIS公司的12M像素CMOS传感器为成像器件，传感器为像元尺寸为5.5um，像元数4096×3072，CMOS成像器件如图5.2所示。图5.2CMOS成像器件CMOS传感器技术指标如表5.1所示，支持CameralinkBase，Medium，Full，Full80-bit输出模式；全画幅输出帧频可达124fps(8-bit),99fps(10-bit)；全局曝光配备双采样处理、曝光可控制、自动增益控制、支持高动态范围模式、固定噪声与底电平抑制等、相当于在光子探测的同时增加了读出集成电路（ROIC）。可以输出鲁棒性好、抗干扰强的数字信号。由其特性参数可知，该型号传感器适用于本系统应用。表5.1传感器技术指标列表序号参数指标1有效像元数4096(H)×3072(V)=12.58Mpixel2量子效率FF×QE=55%@550nm3响应度4.64V/lux·s4动态范围60dB5转换效率0.075LSB/e-6随机噪声13e-7固定模式噪声<1LSB8数据速率50～600Mbps9帧频0~350fps@8-bit10功耗7W
【参考文献】：
期刊论文
[1]自动对焦过程中图像清晰度评价算法研究[J]. 项魁,高健. 组合机床与自动化加工技术. 2019(01)
[2]改进Canny算子在工业影像清晰度评价中的应用研究[J]. 刘书炘,程仁贵,黎明. 重庆师范大学学报(自然科学版). 2017(02)
[3]图像清晰度评价算法研究[J]. 孙红利,冯旗,董峰. 传感器与微系统. 2017(02)
[4]基于饱和像素剔除的自动对焦评价函数[J]. 王烨茹,冯华君,徐之海,李奇,陈跃庭. 光学学报. 2016(12)
[5]一种新的遥感影像清晰度评价方法[J]. 谭伟,杨秉新,何红艳. 中国空间科学技术. 2016(02)
[6]电测法测量透镜焦距[J]. 王芳芳,张景红,张轶炳,王超. 物理通报. 2015(02)
[7]遗传算法的爬山法改进[J]. 柴岩,周艳钊. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2014(07)
[8]基于图像处理的自动对焦技术综述[J]. 尤玉虎,刘通,刘佳文. 激光与红外. 2013(02)
[9]改进的Brenner图像清晰度评价算法[J]. 王健,陈洪斌,周国忠,安涛. 光子学报. 2012(07)
[10]基于图像处理的航空成像设备自动调焦设计[J]. 赵志彬,刘晶红. 液晶与显示. 2010(06)
博士论文
[1]基于数字图像处理的自动对焦方法研究[D]. 王烨茹.浙江大学 2018
[2]基于图像处理技术的自动调焦方法研究[D]. 路朋罗.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
[3]头盔显示器光学系统关键技术研究[D]. 李华.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[4]基于图像技术的自动调焦方法研究[D]. 黄德天.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
[5]推扫式遥感相机基于图像的实时自动调焦研究[D]. 卢振华.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2012
硕士论文
[1]基于ARM平台的便携式自动对焦数字全息显微系统设计[D]. 李杰.浙江工业大学 2019
[2]基于图像处理的航空红外相机自动调焦技术研究[D]. 杨艳艳.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2016
[3]基于图像处理的自动调焦技术[D]. 张晶.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[4]基于图像信息熵的无参考图像质量评估算法的研究[D]. 郑加苏.北京交通大学 2015
[5]基于图像处理的自动调焦算法研究及系统实现[D]. 陶金有.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2014
[6]高灵敏度自动对焦系统的研究与实现[D]. 余炎.武汉理工大学 2014
[7]基于图像处理的自动调焦技术研究[D]. 莫春红.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2013
[8]自动聚焦系统中评价函数性能与动态区域选取的研究[D]. 王彦芳.山东大学 2011
[9]基于图像的光测成像系统自动调焦方法研究[D]. 耿道鹏.国防科学技术大学 2008
[10]被动式自动对焦算法的研究[D]. 黄娟.太原理工大学 2008
本文编号：3253445
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