航天高动态摄像机设计与实现

发布时间：2017-09-27 22:10

  本文关键词：航天高动态摄像机设计与实现

  更多相关文章： FPGA DSP 航天相机 高动态 数字图像处理

【摘要】：相机的动态范围是衡量航天相机技术的一项重要指标。航天摄像机在对空目标进行观测时,光照强度变化范围通常在0.001 lux到109 lux之间。为了使飞行器在不同工作条件下都能够获得高质量的图像,通常的做法是在地面发送遥控指令,调整航天摄像机的曝光参数。受限于操作人员的经验和遥控操作响应时间,地面通常无法获得最佳的拍摄效果。更为重要的是,相机本身的动态范围远小于环境光线的动态范围,采用固定的曝光参数通常无法同时获取目标物体的全部细节。本文在国家重大专项子课题的资助下,分析并设计了合理的航天摄像机的图像处理流程。同时,针对航天高动态背景,提出了一种低复杂度高效的高动态数字图像合成方法。为了达到快速响应的目的,进一步提出了自适应曝光参数选择算法。以本论文的研究成果为基础,我们设计了高动态摄像机的原型,并在该原型上对上述算法进行了验证。本文的主要工作包含以下四个方面。其一,在对各主流相机ISP模块研究的基础上,本文设计了航天相机必需的图像预处理功能模块,并对各模块进行了优化改进。同时,为了让各个子模块的功能相辅相成,深入研究了各功能模块之间关系,合理安排模块的处理顺序,设计出了效果理想的流程框架。其二,针对航天拍摄环境,结合现有高动态实现方法和FPGA硬件实现的特点,本文运用最大熵原则设计了低复杂度高效高动态合成算法。该方法只需通过调节任意相邻两帧图像的曝光参数,获取亮区和暗区的细节纹理,用给定算法合成即可获得高动态效果图像。其三,为了便于快速实现高动态合成,本文使用最优化设计思想,自动计算使图像亮暗区域纹理细节互补最佳的两个曝光时间值,获取合成高动态所需的源图。该自适应配置曝光值的选取方式可以有效弥补人工配置高低曝光值时,由于相机抖动等不确定原因导致高动态图像存在“鬼影”的缺陷。其四,结合理论研究,本文完成了高动态摄像机的整体设计,实现方案基于“FPGA+DSP”架构,由四层硬件板块构成,这四个板块分别实现图像光源获取,数字图像处理,图像视频压缩及电源供给等功能。综上所述,本文将高动态实现运用到了航天摄像机中,有效地解决了航天拍摄中由于有限动态范围导致的过曝光或欠曝光问题。同时,对比当前主流的高动态实现方法,能在低复杂度的前提下,实现更好的高动态效果。对提高航天相机的整体拍摄性能,具有较高的实用价值。
【关键词】：FPGA DSP 航天相机 高动态 数字图像处理
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V445.8;TP391.41
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 符号对照表12-13
• 缩略语对照表13-16
• 第一章 绪论16-22
• 1.1 课题研究背景16-17
• 1.2 国内外研究现状17-18
• 1.3 本文研究的内容以及创新性18-20
• 1.4 本文章节安排20-22
• 第二章 航天高动态摄像机图像处理流程设计22-42
• 2.1 航天相机典型结构设计22-23
• 2.2 航天高动态相机图像传感器设计23-28
• 2.2.1 传感器寄存器配置23-24
• 2.2.2 图像数据接收和转换24-28
• 2.3 航天高动态相机数字图像处理模块设计28-39
• 2.3.1 增益控制29-30
• 2.3.2 坏点校正30-31
• 2.3.3 颜色插值31-34
• 2.3.4 图像去噪34-35
• 2.3.5 自动白平衡35
• 2.3.6 Gamma校正35-36
• 2.3.7 饱和度调整36-38
• 2.3.8 色彩空间转换38
• 2.3.9 边缘增强38-39
• 2.4 航天高动态相机控制模块设计39-42
• 2.4.1 EMIF口交互模块39-41
• 2.4.2 VPIF口传输模块41-42
• 第三章 低复杂度高效高动态数字图像合成方法42-64
• 3.1 高动态原理及意义42-44
• 3.2 高动态实现方法的研究背景44-50
• 3.2.1 Debevec & Malik算法44-48
• 3.2.2 Mitsunaga & Nayar算法48-50
• 3.3 低复杂度高效高动态合成方法50-64
• 3.3.1 低复杂度高效高动态设计分析51
• 3.3.2 本文高动态实现框架51-52
• 3.3.3 高动态实现具体步骤52-60
• 3.3.4 结果对比与优势总结60-64
• 第四章 高动态源图参数自适应估计算法64-74
• 4.1 高动态源图自适应选取原理与背景64
• 4.2 最优选取方法简介64-68
• 4.2.1 成功-失败法66-67
• 4.2.2 成功-失败法的结合推广67-68
• 4.3 高动态源图参数自适应估计方法68-71
• 4.4 自适应估计算法结果与性能分析71-74
• 第五章 航天高动态相机硬件实现与结果分析74-86
• 5.1 航天高动态相机实现框架74-75
• 5.2 航天高动态相机处理流程模型与实现波形75-80
• 5.2.1 传感器配置75-77
• 5.2.2 高动态设计硬件实现77-80
• 5.3 航天高动态相机硬件平台80-83
• 5.4 航天高动态相机实验结果83-86
• 第六章 总结与展望86-88
• 6.1 研究总结86
• 6.2 研究展望86-88
• 参考文献88-92
• 致谢92-94
• 作者简介94-95

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本文编号：932165