一種基于光束函數和圖像特征的相機積分時間調整方法
【專利摘要】一種基于光束函數和圖像特征的相機積分時間調整方法，結合目標圖像在不同測量距離之間的物理特征差異和彌散圓變化，構造對應的相機積分時間調整函數，通過相機積分時間動態調整將目標圖像灰度水平穩定在相機測量系統能夠穩定工作的范圍之內，有效地解決了目標圖像能量隨測量距離變化而影響光學成像敏感器正常測量的問題，增強了月球軌道交會對接光學成像敏感器在大范圍復雜環境下的工作能力。
【專利說明】—種基于光束函數和圖像特征的相機積分時間調整方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于光束函數和圖像特征的相機積分時間調整方法，可以通過相機積分時間調整將目標圖像灰度水平穩定在相機測量系統能夠穩定工作的范圍之內，主要應用于空間交會測量相機的曝光時間調整。
【背景技術】
[0002]月球軌道交會對接是月球探測三期工程的關鍵技術之一。在交會對接近距離的平移靠攏段，即在兩飛行器距離從150米到對接完成(約0.3米)，光學成像敏感器是唯一能夠同時提供位置和姿態六自由度測量信息的設備，是交會對接任務的關鍵設備。
[0003]月球軌道交會對接測量目標為點光源成像，從最遠距離150m至最近距離0.3m由于測量距離跨度較大而導致目標圖像無法穩定在一定的灰度水平范圍。目標亮度過強會導致目標圖像形成差分暗斑；目標亮度過弱會導致目標無法識別，從而影響后續目標標志器特征識別方法的正常工作。
[0004]現在調節曝光時間的主要方法主要有如下三種方式:通過把探測到的目標或場景的信息作為反饋量自適應地調節曝光時間，實現對系統動態范圍的自動調整，從而獲得一個較寬的動態范圍；將傳統的閾值分割和曝光時間自適應技術結合，根據CCD應用現場圖像二值圖評估光照強度浮動，調整相機積分時間；通過分析圖像灰度水平，調整光源發光強度和相機積分時間，獲得穩定的測量圖像。
[0005]以上方法中，第一種曝光時間調整方法需要經過多次相機積分時間調節才能達到比較合適的狀態，而且對于不斷變化的目標，調節相機積分時間的次數不能確定，將導致圖像輸出的幀頻也比較低；第二種調整方式是根據測試圖像的滯后調整，無法對當前處理的圖像進行調整，而且是全局圖像的處理方式，無法保證局部特征圖像的成像質量；第三種調整方式需要進行相機積分時間和照明光源進行多次調整才能獲得理想的目標圖像，最終將降低圖像輸出的幀頻率。
【發明內容】
[0006]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供了一種基于光束函數和圖像特征的相機積分時間調整方法，可以通過相機積分時間調整將目標圖像灰度水平穩定在相機測量系統能夠穩定工作的范圍之內，有效地解決了目標能量過強或過弱的問題，從而為準確的光點提取奠定基礎。
[0007]本發明的技術解決方案是:一種基于光束函數和圖像特征的相機積分時間調整方法，步驟如下:
[0008](I)調整相機的積分時間，采集各試驗點的目標圖像并記錄各目標圖像的最佳相機積分時間Ti ；
[0009]具體為:
[0010]根據待求解擬合方程中擬合參數的個數，試驗試驗點的個數η大于等于6，各試驗點確定條件為:
[0011]Di = Lmin*2+(1-l)*(0.5*Lmax-Lmin*2)/n, i = 1，2，...，η
[0012]其中，Di表示第i個試驗點與相機之間的距離，Lmin為相機的最近工作距離，Lmax為相機的最遠工作距離；
[0013]在各試驗點將測量目標移動至相機視場中央，使得目標圖像質心與圖像中心(U，V)之間的距離小于等于2個像素，利用相機對測量目標成像，成像過程中調整相機積分時間，即相機的曝光時間，獲取最佳相機積分時間，使得目標圖像峰值灰度值處于[150-160]區間內，采集最佳相機積分時間時各試驗點的目標圖像并記錄對應試驗點目標圖像的最佳相機積分時間Ti ；
[0014](2)利用步驟(1)采集的各試驗點的目標圖像計算各試驗點目標圖像的特征函數Ai ;
[0015]具體為:
[0016]對步驟(1)中獲取的各試驗點的目標圖像進行特征提取，確定不同距離條件下的目標圖像的圖像特征，令計算每個試驗點目標圖像的圖像特征函數時，選取的截取窗口 Si均為正方形，且大小均為11X11像元，則圖像特征函數Ai的數學表達式如下:
【權利要求】
1.一種基于光束函數和圖像特征的相機積分時間調整方法，其特征在于步驟如下: (1)調整相機的積分時間，采集各試驗點的目標圖像并記錄各目標圖像的最佳相機積分時間Ti ； 具體為: 根據待求解擬合方程中擬合參數的個數，試驗試驗點的個數η大于等于6，各試驗點確定條件為:
Di = Lmin*2+(1-l)*(0.5*Lmax-Lmin*2)/n, i = 1，2，...，η 其中，Di表示第i個試驗點與相機之間的距離，Lmin為相機的最近工作距離，Lmax為相機的最遠工作距離； 在各試驗點將測量目標移動至相機視場中央，使得目標圖像質心與圖像中心(U，V)之間的距離小于等于2個像素，利用相機對測量目標成像，成像過程中調整相機積分時間，即相機的曝光時間，獲取最佳相機積分時間，使得目標圖像峰值灰度值處于[150-160]區間內，采集最佳相機積分時間時各試驗點的目標圖像并記錄對應試驗點目標圖像的最佳相機積分時間Ti ； (2)利用步驟⑴采集的各試驗點的目標圖像計算各試驗點目標圖像的特征函數Ai； 具體為: 對步驟(1)中獲取的各試驗點的目標圖像進行特征提取，確定不同距離條件下的目標圖像的圖像特征，令計算每個試驗點目標圖像的圖像特征函數時，選取的截取窗口 Si均為正方形，且大小均為11X11像元，則圖像特征函數Ai的數學表達式如下:
其中，
其中，f(x，y)為圖像在點(x，y)處像素的灰度值，(x，y)為像素點坐標，Μ, N為截取窗口的寬度和高度，截取窗口中心與圖像中心重合，SS為截取窗口區域面積； (3)利用步驟⑴中得到的各目標圖像的最佳相機積分時間Ti和步驟⑵中計算的目標圖像特征函數Ai計算光束函數各待定系數，確定光束函數，即可利用光束函數和任意試驗點的目標圖像完成任意試驗點相機積分時間的調整； 各目標圖像的最佳相機積分時間1\、光束函數P(Z)和各目標圖像特征函數Ai之間的關系具體為:
Ti = KMjP (z) 其中光束函數P(z)表示彌散圓大小隨距離的變化關系，P(Z)的數學表達式為:
其中，Z為測量距離，L為理論物距，a1； b1； C1, Cl1為待定系數，K為量綱調整系數；利用求得的各試驗點的的最佳相機積分時間Ti和目標圖像特征函數Ai,建立方程組:
其中，
;當最佳相機積分時間Ti量綱為秒時，K = 1 ;當最佳相機積分時間Ti量綱為暈秒時，K = 1000 ； 依據牛頓-賽德爾迭代完成后對上述方程組計算得到待定系數，即可完成光束函數的確定，利用光束函數和任意試驗點的目標圖像完成任意試驗點相機積分時間的調整。
【文檔編號】H04N5/235GK104135624SQ201410354411
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月23日 優先權日:2014年7月23日
【發明者】郭紹剛, 趙春暉, 劉魯, 龔德鑄, 華寶成, 劉啟海 申請人:北京控制工程研究所