朱志豪 譚偉 唐琦 李?lèi)?馮星泰 蔡浩 張鵬 王蕓 胡永力 高凌雁

(北京空間機(jī)電研究所,北京 100094)

2022年8月24日,北京三號(hào)B衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心順利發(fā)射入軌。星上搭載的相機(jī)比北京三號(hào)A衛(wèi)星的相機(jī)鏡頭口徑更大。衛(wèi)星采用三超(超敏捷、超穩(wěn)定、超精度)平臺(tái),相機(jī)同時(shí)搭載了多譜段線(xiàn)陣和面陣焦面,既能實(shí)現(xiàn)推掃成像,也可以完成凝視畫(huà)幅成像和視頻成像。相機(jī)采用豎直裝調(diào)技術(shù),調(diào)焦機(jī)構(gòu)位于次鏡,具備更大的調(diào)焦范圍。相機(jī)在發(fā)射前已裝調(diào)在最佳焦面位置。但在發(fā)射期間,由于力學(xué)環(huán)境、大氣壓力、溫濕度等因素的變化,衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道后焦面位置會(huì)發(fā)生變化,從而造成離焦,影響圖像質(zhì)量[1-2]。通常,相機(jī)采用地面接收?qǐng)D像判讀再執(zhí)行調(diào)焦動(dòng)作的方式恢復(fù)最佳焦面[3]?；诒本┤?hào)B衛(wèi)星的凝視應(yīng)用模式,本文設(shè)計(jì)利用面陣凝視成像實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦的方法,以提高在軌定焦效率。

自動(dòng)調(diào)焦經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,出現(xiàn)了很多自動(dòng)調(diào)焦方法。傳統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦方法主要分為測(cè)距法和像檢測(cè)法兩大類(lèi)[4-5]。測(cè)距法是在成像設(shè)備上安裝發(fā)射元件,通過(guò)接收反射波來(lái)測(cè)量目標(biāo)的位置,進(jìn)而計(jì)算出焦平面的位置,完成調(diào)焦。像檢測(cè)法主要包括相位檢測(cè)和對(duì)比度檢測(cè)兩類(lèi)。其中:對(duì)比度檢測(cè)的原理是基于不同聚焦程度的圖像具有不同的亮度梯度值,一般根據(jù)2個(gè)內(nèi)置檢測(cè)器所成像的對(duì)比度大小進(jìn)行調(diào)焦,這2個(gè)檢測(cè)器位于成像前后等距離的位置。相位檢測(cè)法是通過(guò)檢測(cè)2個(gè)受光元件的相位差,根據(jù)測(cè)量的相位差計(jì)算處理得到焦平面的最佳位置,移動(dòng)電機(jī)完成鏡頭調(diào)焦[6]。傳統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦方法雖然測(cè)量精度高,但需要復(fù)雜的元件配合,且更適用于裝調(diào)階段光學(xué)元件性質(zhì)不變、位置相對(duì)固定的情況,不適用于在軌應(yīng)用。星載相機(jī)的在軌自動(dòng)調(diào)焦主要受制于2個(gè)方面。①運(yùn)算能力受限,無(wú)法對(duì)龐大的數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)緩存、計(jì)算和刷新;②景物特征受限,推掃型相機(jī)地速快,畫(huà)幅內(nèi)景物特征變化較大,很難存在類(lèi)似商業(yè)相機(jī)對(duì)同一場(chǎng)景進(jìn)行評(píng)估的條件。

近年來(lái),隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦方法由于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、智能程度高,在普通數(shù)碼相機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。其關(guān)鍵是要建立圖像清晰度評(píng)價(jià)算法,通過(guò)比較各焦面位置計(jì)算的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)值來(lái)完成自動(dòng)調(diào)焦[7-8]。本文通過(guò)對(duì)比4種常用的圖像清晰度評(píng)價(jià)算法,設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于衛(wèi)星相機(jī)的在軌自動(dòng)調(diào)焦方法。

1 相機(jī)在軌自動(dòng)調(diào)焦方法

相機(jī)在軌自動(dòng)調(diào)焦功能的實(shí)現(xiàn)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)相機(jī)成像期間,對(duì)全畫(huà)幅圖像進(jìn)行開(kāi)窗處理。一般來(lái)說(shuō),光學(xué)系統(tǒng)中心對(duì)應(yīng)的這一部分圖像質(zhì)量會(huì)更好,因此選取每幀圖像中心部分進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果作為該幀圖像清晰度判據(jù)。

(2)結(jié)合FPGA運(yùn)算能力,主要考慮灰度域內(nèi)的圖像清晰度評(píng)價(jià)算法,并設(shè)計(jì)提高魯棒性的相關(guān)算法。

(3)在軌進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦時(shí),衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)主要以俯仰方向?yàn)橹?小范圍側(cè)擺保證對(duì)目標(biāo)地物的凝視成像狀態(tài)。結(jié)合衛(wèi)星俯仰機(jī)動(dòng)能力,在調(diào)焦期間的俯仰角范圍內(nèi),以星下點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖像中心開(kāi)窗區(qū)域地物為參考,計(jì)算每個(gè)俯仰角成像時(shí)該成像狀態(tài)的圖像與星下點(diǎn)圖像的移動(dòng)量(以像素為單位),并將對(duì)應(yīng)俯仰角的圖像中心開(kāi)窗區(qū)域移動(dòng)相應(yīng)像素?cái)?shù),始終保證每個(gè)成像狀態(tài)下的開(kāi)窗區(qū)域地物一致。

1.1 方法實(shí)現(xiàn)流程

北京三號(hào)B衛(wèi)星相機(jī)采用綜合電子中控架構(gòu),通過(guò)總線(xiàn)遙控遙測(cè)焦面電路和調(diào)焦電路。面陣成像電路根據(jù)綜合電子控制單元的算法設(shè)置自動(dòng)計(jì)算每幀圖像的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù),并通過(guò)遙測(cè)返回給綜合電子控制單元。綜合電子控制單元記錄不同焦面位置的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)值,并進(jìn)行比較,通過(guò)控制調(diào)焦電路完成調(diào)焦動(dòng)作。圖1為自動(dòng)調(diào)焦方法實(shí)現(xiàn)流程。

圖1 在軌自動(dòng)調(diào)焦流程

考慮到在軌應(yīng)用的特殊環(huán)境,在設(shè)計(jì)方法時(shí),需要重點(diǎn)關(guān)注自動(dòng)動(dòng)作的可靠性。相機(jī)采用步進(jìn)的爬山法,即獲取當(dāng)前焦面±4倍步長(zhǎng)位置的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)值,對(duì)比選取最佳焦面的位置,由綜合電子控制單元控制最終停在此處。具體流程如下。

(1)動(dòng)作開(kāi)始前設(shè)置自動(dòng)調(diào)焦參數(shù),包括調(diào)焦電機(jī)選擇、調(diào)焦步長(zhǎng)選擇、調(diào)焦穩(wěn)定時(shí)間設(shè)置和自動(dòng)調(diào)焦循環(huán)次數(shù)。其中:自動(dòng)調(diào)焦步長(zhǎng)為帶參數(shù)指令,有多種焦深可選,對(duì)應(yīng)爬山法中的步長(zhǎng),默認(rèn)0.5焦深。調(diào)焦穩(wěn)定時(shí)間和調(diào)焦循環(huán)次數(shù)為參數(shù)數(shù)據(jù)塊,前者用于設(shè)置調(diào)焦電機(jī)到位的穩(wěn)定時(shí)間,在焦面位置到位后等待穩(wěn)定時(shí)間過(guò)后讀取面陣焦面的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)值作為該位置的清晰度記錄;后者可以控制在完成1次自動(dòng)調(diào)焦后步長(zhǎng)減半再執(zhí)行相應(yīng)次數(shù)的自動(dòng)調(diào)焦流程。參數(shù)均斷電保持,可在發(fā)射前設(shè)置好。

(2)執(zhí)行“面陣成像開(kāi)”指令,并對(duì)成像電路進(jìn)行設(shè)置,包括:①“面陣畫(huà)幅設(shè)置”指令,全畫(huà)幅;②“面陣成像幀頻設(shè)置”指令,5Hz;③“面陣算法開(kāi)關(guān)設(shè)置”指令,算法全關(guān)。

(3)執(zhí)行“調(diào)焦成像開(kāi)”指令,面陣成像模塊收到“調(diào)焦成像開(kāi)”后,根據(jù)設(shè)定的幀頻輸出全畫(huà)幅圖像,并將清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)值以遙測(cè)值形式返回,綜合電子控制單元返回遙測(cè)狀態(tài)“自動(dòng)調(diào)焦?fàn)顟B(tài)-開(kāi)始”,延時(shí)“調(diào)焦穩(wěn)定時(shí)間”后(首次取0點(diǎn)值時(shí)電機(jī)無(wú)動(dòng)作,因此只延時(shí)“調(diào)焦穩(wěn)定時(shí)間”),按以下步驟尋找最佳焦面位置。①綜合電子控制單元取得當(dāng)前位置(0點(diǎn))的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)值并保存,根據(jù)調(diào)焦方法進(jìn)行調(diào)焦至其他8個(gè)點(diǎn)(分別對(duì)應(yīng)+1,+2,+3,+4,-1,-2,-3,-4),等待一定時(shí)間后保存讀入的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)值。等待時(shí)間包括根據(jù)調(diào)焦步長(zhǎng)確定的電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)間和調(diào)焦穩(wěn)定時(shí)間(忽略電機(jī)動(dòng)作過(guò)程中無(wú)用的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)值,并保證在電機(jī)動(dòng)作結(jié)束后能至少接收1次清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)值);②綜合電子控制單元根據(jù)保存的9個(gè)點(diǎn)清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)值,按當(dāng)前步長(zhǎng)發(fā)送調(diào)焦指令使焦面到達(dá)清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)值最小的點(diǎn)(即當(dāng)前調(diào)焦步長(zhǎng)的最佳焦面位置),等待動(dòng)作完成(電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)間+調(diào)焦穩(wěn)定時(shí)間);③綜合電子控制單元判斷配置參數(shù)(自動(dòng)調(diào)焦循環(huán)次數(shù)),如果完成循環(huán)次數(shù),則執(zhí)行步驟(4),否則,以步長(zhǎng)/2(步長(zhǎng)到1后維持不變)為步長(zhǎng)再次執(zhí)行步驟(1),進(jìn)入下一個(gè)循環(huán);④返回遙測(cè)狀態(tài)“自動(dòng)調(diào)焦?fàn)顟B(tài)-停止”,等待下一步指令。此時(shí),可按步驟(4)結(jié)束自動(dòng)調(diào)焦流程,也可重復(fù)執(zhí)行步驟(3)再次自動(dòng)調(diào)焦(步長(zhǎng)恢復(fù)初始值)。

(4)結(jié)束自動(dòng)調(diào)焦,對(duì)各設(shè)備斷電。

1.2 圖像清晰度評(píng)價(jià)算法

現(xiàn)有圖像清晰度評(píng)價(jià)算法大多建立在圖像特征(灰度變化特征、紋理特征、頻域特征、灰度分布特征等)統(tǒng)計(jì)信息之上,基于這些特征的圖像清晰度評(píng)價(jià)算法主要分為灰度梯度函數(shù)法、邊緣檢測(cè)函數(shù)法、頻譜函數(shù)法和熵函數(shù)法4類(lèi)?；叶忍荻群瘮?shù)法的原理是根據(jù)圖像灰度梯度值判斷圖像清晰度,灰度梯度值越大,圖像越清晰;邊緣檢測(cè)函數(shù)法是基于檢測(cè)并提取圖像邊緣,邊緣信息越豐富,圖像越清晰;頻譜函數(shù)法的原理是圖像由空域變換到頻域后,高頻部分對(duì)應(yīng)圖像景物邊緣,高頻信息越豐富,意味著圖像中景物邊緣灰度變化越劇烈,灰度梯度越大,圖像越清晰;熵函數(shù)法的原理是熵代表著圖像信息量的大小,清晰圖像的信息量大于模糊圖像,熵越大,圖像越清晰[9-10]。

相機(jī)在軌調(diào)焦過(guò)程中,圖像清晰度評(píng)價(jià)算法的單調(diào)性、魯棒性和實(shí)時(shí)性尤為重要,且星上硬件條件的限制要求圖像清晰度計(jì)算過(guò)程具有較高的效率和較低的資源占用率。邊緣檢測(cè)函數(shù)法、頻譜函數(shù)法和熵函數(shù)法均需要整幅圖像進(jìn)行處理,而且,頻譜函數(shù)法更是需要復(fù)雜的頻域變換,考慮到在軌圖像數(shù)據(jù)較大,且采用FPGA架構(gòu)易于處理加減乘除的單線(xiàn)程順序運(yùn)算,因此選取相機(jī)在軌自動(dòng)調(diào)焦方法中的圖像清晰度評(píng)價(jià)算法時(shí)應(yīng)基于灰度域的幾種算法,如平均灰度梯度法、點(diǎn)銳度法、平均邊緣強(qiáng)度法和平均邊緣寬度法。在這些算法的基礎(chǔ)上,通過(guò)閾值來(lái)對(duì)噪聲和場(chǎng)景像素級(jí)的變化進(jìn)行抑制,提高魯棒性。

1.2.1 平均灰度梯度法

梯度函數(shù)采用圖像上相鄰像素的差分計(jì)算出局部梯度,然后在此基礎(chǔ)上建立圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)。平均灰度梯度法定義見(jiàn)式(1)。該方法具有很好的運(yùn)行效率和全局性。

(1)

式中:F為平均灰度梯度評(píng)價(jià)函數(shù)值;f(x,y)為(x,y)位置像素的灰度值;M·N為像素總數(shù),M和N分別為圖像行、列方向像素?cái)?shù)。

考慮到相機(jī)在軌調(diào)焦時(shí)景物變化、凝視成像期間可能存在的逆光現(xiàn)象及噪聲等,在計(jì)算過(guò)程中添加閾值的方式可以提高算法的魯棒性。相比非邊緣區(qū)域,邊緣區(qū)域具有較大的灰度梯度值,且在整幅圖像中所占比例較小。為提高算法的準(zhǔn)確性和靈敏度,以便快速精準(zhǔn)地提取圖像中的邊緣信息,在計(jì)算圖像清晰度時(shí)引入邊緣閾值Th,見(jiàn)式(2)。

(2)

式中:μ為整幅圖像的灰度均值。

逐像素進(jìn)行閾值判斷,僅當(dāng)f(x,y)大于Th時(shí),把該像素作為邊緣像素保留,其他像素舍棄。

1.2.2 點(diǎn)銳度法

點(diǎn)銳度法是一種灰度梯度函數(shù)法,其思想是通過(guò)統(tǒng)計(jì)圖像某一邊緣法向方向的灰度變化情況評(píng)價(jià)圖像清晰度,即灰度變化越劇烈,邊緣越清晰,圖像就越清晰,其計(jì)算公式見(jiàn)式(3)。

(3)

式中:E為點(diǎn)銳度評(píng)價(jià)函數(shù)值;i為像素?cái)?shù);a=1,2,3,…,8;df為灰度變化幅值,dr為像素間的距離增量,df/dr為邊緣法向的灰度變化率。

1.2.3 平均邊緣強(qiáng)度法

計(jì)算平均邊緣強(qiáng)度一般是先進(jìn)行邊緣提取,利用2個(gè)卷積核形成索伯(Sobel)邊緣檢測(cè)算子(見(jiàn)圖2),圖像中每個(gè)像素都用這2個(gè)核做卷積,它們分別對(duì)水平邊緣和垂直邊緣影響最大。

圖2 Sobel邊緣檢測(cè)算子

Sobel算子見(jiàn)式(4)。它的原理是對(duì)選定的圖像用同樣窗口進(jìn)行卷積,得到圖像的梯度值,并與預(yù)設(shè)的值進(jìn)行比較,得到的結(jié)果大于預(yù)設(shè)值就可作為邊緣點(diǎn)輸出?？紤]星上資源,選用的是中值濾波的方法計(jì)算預(yù)設(shè)值,即取算子使用的9個(gè)像素點(diǎn)計(jì)算結(jié)果的中值。

(4)

整幅圖像清晰度為

(5)

1.2.4 平均邊緣寬度法

在衛(wèi)星遙感圖像中,邊緣一般為具有一定寬度的漸變邊緣,且各邊緣的寬度不一致。發(fā)生離焦模糊后,邊緣的擴(kuò)散程度也不盡相同,弱邊緣的擴(kuò)散程度比強(qiáng)邊緣更大,從而導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估模糊量。從理論上分析,當(dāng)離焦程度相同時(shí),無(wú)論圖像中景物如何變化,圖像中類(lèi)似階躍變化的邊緣擴(kuò)展程度應(yīng)一致,而非階躍邊緣的擴(kuò)展程度則各不相同。

對(duì)圖像f(x,y),利用式(6)可求取其水平邊緣圖像Ex和垂直邊緣圖像Ey。將水平邊緣與垂直邊緣按各自權(quán)值相加,即為圖像平均邊緣寬度。

(6)

2 方法驗(yàn)證

2.1 開(kāi)窗設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)方案

北京三號(hào)B相機(jī)的面陣圖像較大,因此需要采用開(kāi)窗的方式進(jìn)行計(jì)算,以降低計(jì)算量。對(duì)開(kāi)窗區(qū)域的圖像進(jìn)行清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算和仿真分析,開(kāi)窗大小選為256×256。

圖像仿真方案除了離焦模糊仿真,還需要考慮隨機(jī)噪聲、像素移動(dòng)2個(gè)方面,因此設(shè)計(jì)以下幾種仿真方案,并對(duì)每種仿真圖像序列進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

(1)離焦模糊圖像仿真。采用高斯模糊核對(duì)圖像進(jìn)行卷積,模擬不同離焦程度的圖像,序列圖像數(shù)量為9幅。

(2)離焦模糊+像素移動(dòng)圖像仿真。在(1)的基礎(chǔ)上添加相同能量的隨機(jī)噪聲,序列圖像數(shù)量為9幅。

(3)離焦模糊+隨機(jī)噪聲+像素移動(dòng)圖像仿真。在(2)的基礎(chǔ)上進(jìn)行像素移動(dòng)仿真,相鄰圖像之間均沿行方向移動(dòng)2像素,序列圖像數(shù)量為9幅。

仿真采用全色圖像,像素存儲(chǔ)位數(shù)采用8bit,見(jiàn)圖3。

圖3 樣本圖像

2.1.1 離焦模糊仿真試驗(yàn)

表1為離焦模糊仿真結(jié)果。其中,離焦程度表示仿真離焦圖像時(shí)所采用的離焦量,離焦量絕對(duì)值越大,離焦越嚴(yán)重,為了算法間的比較,清晰度評(píng)價(jià)算法結(jié)果經(jīng)歸一化處理后輸出。圖4為采用4種圖像清晰度評(píng)價(jià)算法得到的圖像清晰度與離焦量關(guān)系曲線(xiàn)?？偤臅r(shí)為:平均灰度梯度法1.241s;點(diǎn)銳度法0.901s;平均邊緣強(qiáng)度法0.753s;平均邊緣寬度法2.334s。

表1 離焦模糊圖像的仿真結(jié)果

圖4 離焦模糊圖像的清晰度與離焦量關(guān)系曲線(xiàn)

根據(jù)表1和圖4可知:平均灰度梯度法單峰性最好,其他3種算法都出現(xiàn)了不同程度的次峰。計(jì)算過(guò)程中基本沒(méi)有出現(xiàn)誤判現(xiàn)象,清晰度計(jì)算結(jié)果與離焦量完全一致,其計(jì)算時(shí)間優(yōu)于平均邊緣寬度法,比點(diǎn)銳度法和平均邊緣強(qiáng)度法稍差。

2.1.2 離焦模糊+像素移動(dòng)仿真試驗(yàn)

以離焦量為0的區(qū)域?yàn)橹行膮^(qū)域,沿圖像列方向(飛行方向)以2像素為單位向上和向下分別移動(dòng)5次和11次,仿真結(jié)果見(jiàn)表2。其中,相對(duì)像移量中負(fù)號(hào)表示向上移動(dòng)。圖5為采用4種圖像清晰度評(píng)價(jià)算法得到的圖像清晰度與離焦量關(guān)系曲線(xiàn)。總耗時(shí)為:平均灰度梯度法1.247s;點(diǎn)銳度法0.903s;平均邊緣強(qiáng)度法0.488s;平均邊緣寬度法2.180s。

圖5 離焦模糊+像素移動(dòng)圖像的清晰度與離焦量關(guān)系曲線(xiàn)

根據(jù)表2和圖5可知:只有平均灰度梯度法和平均邊緣強(qiáng)度法對(duì)像移量保持了相對(duì)的穩(wěn)定性,其變化趨勢(shì)主要隨離焦量變化呈現(xiàn)單峰性,平均灰度梯度法對(duì)離焦量的敏感性更好,計(jì)算時(shí)間尚可。點(diǎn)銳度法和平均邊緣寬度法此時(shí)已失去準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)能力。

2.1.3 離焦模糊+像素移動(dòng)+隨機(jī)噪聲仿真試驗(yàn)

在第2.1.2節(jié)圖像基礎(chǔ)上添加均值為0、方差為0.0005的隨機(jī)噪聲,仿真結(jié)果見(jiàn)表3。圖6為采用4種圖像清晰度評(píng)價(jià)算法得到的清晰度與離焦量關(guān)系曲線(xiàn)?？偤臅r(shí)為:平均灰度梯度法1.100s;點(diǎn)銳度法0.519s;平均邊緣強(qiáng)度法0.785s;平均邊緣寬度法2.252s。

表3 離焦模糊+像素移動(dòng)+隨機(jī)噪聲圖像的仿真結(jié)果

圖6 離焦模糊+像素移動(dòng)+隨機(jī)噪聲圖像的清晰度與離焦量關(guān)系曲線(xiàn)

隨著模糊和噪聲的引入,4種算法的單峰性均受到了一定影響。在離焦模糊+像素移動(dòng)+隨機(jī)噪聲的仿真中,除了平均邊緣寬度法出現(xiàn)幾個(gè)峰值,其他3種算法均只出現(xiàn)了1個(gè)次峰,且位置相同。在時(shí)間性能上,平均邊緣寬度法耗時(shí)長(zhǎng),而平均灰度梯度法和平均邊緣強(qiáng)度法時(shí)間性能較好,且平均灰度梯度法對(duì)焦面變化更為敏感?？紤]到清晰度隨離焦量增大時(shí)的變化程度,選擇平均灰度梯度法更為合適,局部極大值的問(wèn)題可考慮后續(xù)根據(jù)調(diào)整調(diào)焦策略進(jìn)行改善。

2.2 閾值設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

以對(duì)天安門(mén)地區(qū)凝視圖像為仿真對(duì)象。根據(jù)相機(jī)參數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行離焦仿真,以焦深為單位,離焦量仿真范圍為-1.50焦深到+1.33焦深。不同離焦量的圖像示意見(jiàn)圖7。

對(duì)不同的閾值方案進(jìn)行仿真和評(píng)價(jià),閾值選擇方案如下。方案①:以前幀圖像的灰度均值作為下幀圖像的閾值;方案②:以前幀圖像的灰度標(biāo)準(zhǔn)差作為下幀圖像的閾值;方案③:以當(dāng)前幀圖像的灰度均值作為當(dāng)前幀圖像的閾值;方案④:以當(dāng)前幀圖像的灰度標(biāo)準(zhǔn)差作為當(dāng)前幀圖像的閾值。按照成像序列和離焦仿真,部分圖像的局部區(qū)域如圖7所示,在凝視成像期間,相機(jī)對(duì)同一目標(biāo)的拍攝面各不相同,可理解為景物發(fā)生了變化,且部分角度的圖像由于逆光現(xiàn)象出現(xiàn)了飽和溢出。

分別計(jì)算當(dāng)前圖像自身均值和前幀圖像均值作為閾值時(shí)的圖像清晰度變化情況,結(jié)果見(jiàn)圖8。分別計(jì)算當(dāng)前圖像自身標(biāo)準(zhǔn)差和前幀圖像標(biāo)準(zhǔn)差作為閾值時(shí)的圖像清晰度變化情況,結(jié)果見(jiàn)圖9。根據(jù)結(jié)果可知:采用前幀圖像計(jì)算閾值對(duì)下幀(連續(xù)成像幀,且焦面只相差1/6焦深)進(jìn)行清晰度計(jì)算時(shí),與采用當(dāng)前幀圖像計(jì)算閾值效果相當(dāng)。采用均值作為閾值時(shí),有一定的誤差,出現(xiàn)了誤判情況;而標(biāo)準(zhǔn)差作為閾值時(shí),單峰性良好。

圖8 以圖像均值作為閾值時(shí)圖像清晰度變化曲線(xiàn)

圖9 以圖像標(biāo)準(zhǔn)差作為閾值時(shí)圖像清晰度變化曲線(xiàn)

本文在軌自動(dòng)調(diào)焦方法應(yīng)用時(shí),會(huì)在粗調(diào)焦至離焦量不超過(guò)2.0焦深時(shí)執(zhí)行自動(dòng)調(diào)焦,由綜合電子控制單元對(duì)初始點(diǎn)±2.0焦深內(nèi)的-2.0焦深、-1.5焦深、-1.0焦深、-0.5焦深、0.0焦深、+0.5焦深、+1.0焦深、+1.5焦深、+2.0焦深9個(gè)位置的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)比對(duì),并停留在清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)最高的點(diǎn)。在下一軌對(duì)前次調(diào)焦點(diǎn)±1.0焦深內(nèi)再執(zhí)行1次,最終確定誤差小于1/8焦深的最佳焦面位置。根據(jù)仿真結(jié)果,清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)具有較好的單峰性,粗調(diào)焦初步剔除了局部極大值的問(wèn)題,具備較強(qiáng)的可行性。在軌調(diào)試期間,自動(dòng)調(diào)焦成功完成了既定的功能預(yù)期,在無(wú)云豐富場(chǎng)景的成像過(guò)程中完成了精調(diào)焦任務(wù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了北京三號(hào)B衛(wèi)星相機(jī)在軌自動(dòng)調(diào)焦方法。結(jié)合星上硬件能力,采用前幀圖像灰度標(biāo)準(zhǔn)差作為閾值的平均灰度梯度法作為圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù),方法具備較好的魯棒性和單峰性。應(yīng)用逐點(diǎn)對(duì)比的爬山法作為調(diào)焦策略,以確保不會(huì)大幅調(diào)焦來(lái)保障可靠性,對(duì)±2.0焦深的9個(gè)點(diǎn)清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行比較,選擇其中最佳的焦面位置作為自動(dòng)調(diào)焦的結(jié)束位置。該方法成功實(shí)現(xiàn)在無(wú)云豐富場(chǎng)景下的±2.0焦深范圍內(nèi)最佳焦面的精細(xì)調(diào)焦功能,有效地提高了在軌搜索最佳焦面的效率。