文摘

为了实现航空相机的自动对焦,自动对焦系统的建立及其特性(如工作原理和光学机械结构和聚焦评价函数。散焦的原因分析了航空相机和一些自动对焦方法连同适当的聚焦评价函数的基础上,介绍了图像处理技术。提出的自动对焦系统设计和实现使用两个CMOS探测器。实验结果表明,该方法满足了航空相机聚焦精度要求和最大聚焦误差不到一半的焦点深度。本文所设计的系统可实时发现光学成像焦平面;因此,这部小说设计在实际工程也有巨大的潜力,特别是航空航天应用。

1。介绍

图像质量直接相关的光学测量和侦察设备测量结果。然而,该设备的性能可以在很大程度上受周围环境的影响1]。例如,由于当地气温的变化,大气压力,从目标和焦距,航空摄影机将很容易成为焦点的1];因此,一个健壮的系统可以解决这个问题在航空相机应用程序是至关重要的。自动对焦是一个关键的散焦效应来消除航空摄影机,以确保高质量的图像。自动对焦的精度有直接影响航空相机的成像质量。航空相机的分辨率的提高,自动对焦技术已经大大想提高整体形象的空中成像质量(2]。

航空相机的自动对焦是通过以下三种方法实现3- - - - - -6]。地面标定方法(7],它也被称为程序控制方法:根据实际测量的干扰,如温度、大气压力、和距离,这将改变焦平面的位置,该方法使用预装程序是预先校准调整实际焦平面的位置。地面标定方法的优点是简单,准备实施。然而,实际情况有一定的偏离理想情况,和地面标定方法仅考虑有限数量的可能的干扰,这将带来一个大错误。光电自准直仪法(7]:长焦距航空相机胶卷记录媒体,光电自准直仪是首选的方法。光电自准直仪的方法可以满足高精度聚焦航空成像的要求。该方法可以准确反映实际的光学系统成像的位置无穷远目标。但该方法需要大量的使用,高质量的平面反射镜的直径通常是大于相机的光圈。虽然光电自准直仪法是一种建立技术,这个应用程序太复杂去实现。此外,它只能调整无穷远目标的位置,并且不能校准实际目标的位置,这进一步限制了应用程序的技术(8- - - - - -10]。图像处理方法(6),焦平面的位置将估计与实际图片:重点是一个“聪明”的方法,也就是说聚焦判据是灵活的,和不同的聚焦评价函数可以自动根据需求选择。此外,它采用实际的图像作为评价对象,因此,图像处理方法更实用、可靠。在本文中,使用图像处理的自动对焦方法进一步研究。

当航空摄影机聚焦准确,航拍图像的边缘和细节应该定义在空间域,和航拍图像的高频分量应该足够在频域(11]。为了实现这一目标,获得所需的微分的图像图像边缘和细节信息,而对于后者图像光谱信息可以通过快速傅里叶变换(FFT)将图像转换为频域信号。图像微分算法可以准确地得到图像边缘和必要的信息,但它不能滤除图像的噪声。通过FFT图像,图像的高频信息可以被保留下来,同时高频噪声取消了。然而,FFT算法是复杂和耗时。天线系统进行实时观测的目标,因此,这需要大量的计算方法是不可取的。的基本原则,基于图像处理的自动对焦系统的方法是计算相应的图像聚焦评价函数(FEF)值为每个焦平面的位置,和相应的最大FEF值的位置是最好的成像焦平面位置(4]。

一个基于图像处理的自动对焦方法适用于处理一个图像序列,如带着目标的图像多焦平面的位置。根据图像序列的聚焦评价函数值数据,找到最优成本函数值,和相应的焦平面位置是最好的成像焦平面位置。然而,由于快速和连续运动的飞机,它是困难的对于一个航空摄影机的多个图像相同的目标。因此有必要设计一个自动对焦方法可以获得相同的地面目标图像序列数据有不同的实时焦平面的位置。在这篇文章中,一个自动对焦方法与两个CMOS探测器位于两侧的对称平面的成像CCD探测器光路。该方法适用于航空摄影机线扫描CCD探测器或一个区域扫描CCD探测器。

剩下的纸是组织如下。航空相机的原因散焦和自动对焦的理论分析部分2。部分3- - - - - -7介绍自动对焦的方法,包括自动对焦系统的工作原理,软流程图、光学机械结构,聚焦评价函数的选择,和图像进行预处理。部分9给出了实验结果和分析。结论给出了部分10。

2。分析航空相机散焦

影响航空摄影机的焦点的干扰如温度、大气压力,距离地面本节研究[12]。

(一)散焦由温度变化引起的。单镜头,例如,温度变化引起的散焦可以近似计算如下: 在哪里是焦距的散焦导致的温度变化;是镜头的焦距;温度变化;是玻璃的折射率;是每摄氏度下的变化;空气折射率的变化在每个摄氏度。

(b)大气压力变化引起的散焦。单镜头,如果温度随高度变化在同一时间被忽略,大气压力变化引起的散焦现象是由以下方程: 在哪里是焦距的散焦现象引起的大气压力变化;大气压力在一定高度;相机是在地面上组装时大气压力;是空气的折射率;是玻璃的折射率。

(c)散焦摄影距离的变化引起的。引起的散焦摄影距离由以下方程,给出如图1: 在哪里是散焦摄影距离造成的焦距变化;是透镜的焦距;航空摄影机和地面场景之间是相对的高度;是相机光轴和水平面之间的角度:

所示(4),总散焦散焦导致之和是由于单个组件。散焦由于三个组件可以根据相机的光学分析和仿真结果,但实际使用的航空摄影机是相当复杂的。例如,航空摄影机的实际光学系统不是一个单一的镜头,但多个透镜或镜子,和透镜的折射率、曲率半径、厚度、和镜头之间的差距,压力在透镜材料和金属框架的扩张由于环境的变化将会改变。所以很难理解的重点航空摄影机基于光学分析的结果。

光学分析的结果应用于发现大约镜头的焦点,它可以帮助缩小的范围聚焦并保存过期时间。

3所示。分析航空相机的自动对焦

根据光学原理(13),看到一个清晰的图像通过薄透镜的任何对象,必须满足高斯光学公式: 在哪里是物体的距离镜头,是图像距离镜头,是透镜的焦距。

重点调整机制是调整对象距离和焦距的高斯光学公式是满意。

光学成像系统的薄透镜模型图所示2,在那里是在主题和一个点吗的形象是。当聚焦是准确的,和将满足(5)。当内容准确,光斑大小是最小的形象。

如果相机没有集中准确,换句话说,如果反应检测器不在表面的形象是一个亮点在哪里,这是一个模糊的形象,其形状类似于相机镜头光圈。因为相机的光圈(特别是航空相机)是圆形,对象不能聚焦准确和形象将形成一个模糊圆的半径在传感器上。

根据相似三角形的性质,模糊的图像点之间的比例关系和主题如下:

所以模糊圆的半径是由以下表达式:

传感器位于明确屏””,也就是说,距离””前的位置,如图3。根据相似三角形的性质,模糊的图像点之间的关系和像点如下:

因此,模糊圆半径给出如下:

根据以上分析,当图像探测器清晰图像在同一距离”“之前和之后,相应的模糊圆半径是相同的。这表明两个图像的模糊程度是相同的,因此,相应的聚焦评价函数值保持不变。

从结果,如果一个人能找到两幅图像的不同位置和他们的聚焦评价函数值是相同的,那么清晰的图像的位置将在两个位置之间。

因此,提出了一种自动对焦方法有两个探测器。两个相同的CMOS探测器用于探测图像地面场景的自动对焦,和一个成像探测器位于中间的两个CMOS探测器。

当两个CMOS探测器的聚焦评价函数值在同一个地面风景是相同的,也就是说,这两个值之间的差别小于某个阈值,成像探测器将捕获一个清晰的图像,因为它位于清晰图像的位置。因此,将实现自动对焦。

4所示。工作原理

自动对焦系统包括大气压力传感器、温度传感器、功率放大器、步进电机、位置编码器,聚焦镜,prefocal CMOS探测器,postfocal CMOS探测器,等等,如图4。大气压力传感器和温度传感器位于航空相机的光学透镜,这些传感器返回航空摄影机的大气压力和温度。根据温度数据之间的关系和焦平面位置提供的光学分析(1),估计焦平面的位置。对镜头和大气压力也有类似的影响可以在同样的方法进行分析。因此,控制器提供了一个全面的估计位置的自动对焦的焦平面与大气压力和温度输入。自动对焦控制器驱动步进电机的功率放大器将聚焦镜一个适当的位置。

镜子向前运动补偿工作,相机控制器将重点检查指令发送到控制器自动对焦。自动对焦控制器开始控制和接收结果的图像prefocal CMOS探测器和postfocal CMOS探测器。自动对焦控制器捕获和平均图像的灰度值相同的探测器。预处理后,自动对焦控制器计算聚焦评价函数(FEF)值的图像和驱动步进电机移动聚焦镜到所需的位置根据自动对焦算法,如图5,直到FEF图像导出的价值由两个CMOS探测器是相同的;也就是说,两个值之间的差别小于阈值。

作为显示在图6,因为成像CCD探测器位于中间prefocal CMOS探测器和postfocal CMOS探测器,根据FEF的特点,成像CCD探测器的位置的位置FEF是最大的价值。因此,成像CCD探测器位于最佳焦平面的位置。

因此,通过收购聚焦镜的聚焦图像和控制,实现实时自动聚焦过程。自动对焦系统的流程图图如图5。

这种自动对焦方法结合了相位差值房颤和对比房颤。与典型的佳能相位差值AF方法相比,这种AF方法具有自动对焦精度高和对焦速度相对较慢,和适用于弱光的情况。

5。的自动对焦算法

如图5,自动对焦算法初步关注根据周围的环境,缩小范围的自动对焦。

首先,相机收集实际的温度、大气压力、和航空摄影机和目标成像距离和数量计算散焦的焦平面根据焦平面位置在不同温度和压力条件下提供的光学分析。然后散焦量添加到焦平面位置的校准实验室。最后,一个粗略的焦平面位置。相机驱动聚焦镜近似焦平面位置(10,14]。

通用航空相机2毫米范围聚焦(15]。根据相机的光学分析和仿真的结果,可能的聚焦范围将缩小至(1/4)最初的范围。它缩短了图像检测方法所需时间和聚焦评价函数的有效工作时间(15]。

然后,当扫描镜工作,即正向的相机工作模式图像运动补偿(FIMC),地面景色相对静止的镜头。现在控制器开始关注基于图像的自动对焦,指挥postfocal CMOS探测器和prefocal CMOS探测器图像同时在地面上的风景。控制器进行预处理图像的自动对焦,然后计算聚焦评价函数的值的两个图片,数值和。控制器的自动对焦比较和,如果,,说明FEF prefocal CMOS探测器获得的图像的价值大于postfocal CMOS探测器,和最好的焦平面附近prefocal CMOS探测器。所以控制器驱动聚焦镜头的自动对焦一种倒退。

重复前面的步骤和的大小和比较,直到。之间的区别和小于1%;也就是说,和主要是相同的。正如上面分析中描述航空相机的自动对焦的,最好的焦平面的两个CMOS探测器。

由于成像探测器放置在中间的两个CMOS探测器光路,最好的焦平面成像探测器的实际位置。

上述工作进行航空摄影机前拍照。航空相机拍照的过程中,当摄像机在IMC的状态,还集中控制器控制两个CMOS探测器和执行所需的数值计算。因为焦点的照片已经检查工作,所以在这一点上相机的散焦量不大。一般两到五倍能给最好的近似函数的比较实际的焦平面;这将确保成像探测器位于最好的焦平面,实现实时关注的目标。

因为该方法不依赖于成像探测器,线阵列和阵列可以用作成像探测器。因此,这种方法可以普遍采用。

6。光学机械结构的自动对焦系统

自动对焦系统的光学机械结构如图6;postfocal CMOS探测器安装后的光学系统成像CCD探测器。postfocal CMOS探测器光敏面之间的距离和成像CCD探测器。在postfocal CMOS探测器之前,半透反射式的镜子被放置和prefocal CMOS探测器位于左侧半透反射式的镜子。prefocal CMOS探测器光敏面之间的距离和成像CCD探测器也消球差的焦平面。所不同的是,双方的两个CMOS探测器定位成像CCD探测器。

因此,地面风景图像通过反射前进运动补偿镜,光学透镜的折射,反射聚焦镜到达半透反射式的镜子。半透反射式的镜子反映了一半的光prefocal CMOS探测器,和一半的光传输到postfocal CMOS探测器。同样的地面景色最后图像两个CMOS探测器在同一时间。

当AF CMOS探测器系统的光轴,随着角度的增加,领域的透镜曲率将减少最优图像平面的位置精度。所以有必要根据光学设计提供的象散磁场曲线将房颤CMOS探测器领域的角场曲率最小。

7所示。聚焦评价函数的选择

本文聚焦评价函数(FEF)指的是数学表达式,用于获取信息的图像分辨率(6]。FEF可以大致归结为灰度梯度函数,频域功能、信息功能、统计功能,等等。灰度梯度函数更实用的评价关注的复杂性和稳定性比其他类别功能(3]。

以下是四个常用的灰色梯度函数。

(1)梯度平方求和函数

(2)拉普拉斯算子求和函数

(3)罗伯茨梯度平方和函数

(4)二次多项式函数 在哪里,的列和行数据像素在空间域和像素的灰度值。

自动对焦系统,是非常重要的选择适当的聚焦评价函数。理想的聚焦评价函数应该有以下特点:它应该是公正的,最大值只有当对象平面和焦平面重叠;它应该有一个单峰:聚焦评价函数在整个范围内只有一个极值;它应该有很高的信噪比;在特定的噪声干扰,自动对焦系统能够准确地检测散焦信号;应该尽可能最低的计算负担;这是一个先决条件快速自动聚焦;它应该有灵敏度高;自动对焦系统,应区分聚焦和散焦;这是一个重要的要求精确聚焦(4]。

实验表明,二次多项式函数是一个近似的线性曲率适用于大的聚焦范围。但由于其低灵敏度,适用于粗集中在一个大范围。罗伯茨平方和函数梯度,梯度平方求和函数和拉普拉斯算子求和函数适合准确聚焦,因为他们的高灵敏度和高稳定在一个小范围(16]。

比较几个小范围聚焦功能,罗伯茨梯度平方和函数具有最小的计算负担和稳定性。同时,之前提出的应用image-focusing算法,近似为重点进行了考虑环境条件,这可能焦范围缩小至原来的四分之一。然后,高灵敏度的聚焦评价函数可以使用但适合小焦范围。因此,罗伯茨梯度平方和函数选为聚焦评价函数。不同的聚焦评价函数的变化趋势呈现在图7。

8。图像预处理

在自动聚焦成像系统中,随着不断变化的摄像机的位置和视图轴或波动的摇晃的照明,获得图像的平均亮度变化。因为大多数的成像系统具有自动照明功能,即使在相同的位置,双座图像的亮度可能是不同的。的差异会影响聚焦评价函数的输出,因为图像的灰度值计算基础。一个清晰的图像的聚焦评价函数值较低的亮度小于不清楚图像具有更高的亮度。在这种情况下,聚焦评价函数曲线可以有多个峰值。因此,必须归一化的灰度图像。

图8(一个)显示20帧的图像相同的观点,不断收集。图8 (b)显示相应的聚焦评价函数值。从实验结果,一个可以观察到的波动图像;与此同时,汇率的波动将聚焦评价函数的稳定性。所以图像预处理是指10帧相同的地面景观和需要的平均灰度值10帧逐点,以减少上述干扰。

9。实验结果和分析

为了验证的自动对焦系统的性能,一些航空图像在实验室。自动对焦系统的硬件设计和误差分析进行了讨论在本节16]。

为了验证该方法的可行性,实验进行了一个焦点。测试原理如图9,实物如图10和11。试验装置包括模拟空气图像、光学镜头、电动线性翻译阶段,一个聚焦成像CCD探测器和两个CMOS探测器,半透反射式的镜子,控制器的自动对焦和监控计算机(6,16]。

成像CCD探测器是一个天线扫描CCD探测器,羚羊GZL-CL-41C6M分辨率为2048×2048像素大小的8μm×8μ米,30帧的帧速率。光学透镜焦距的SMC宾得67 200毫米,相对孔径的1:6,一个操作的波长0.4 ~ 0.9μm。聚焦探测器是一个区域扫描CMOS探测器,OV9650,分辨率为1280×1024像素大小为3.18μ米×3.18μ米,15 fps的帧速率。也要多些ARM11系列控制器使用的自动对焦S3C6410,处理器。KSA300-11/12-X作为高精度电子线性闭环解决1翻译阶段μm。

目标图像和镜头是固定在桌面上。成像CCD探测器,两个聚焦CMOS探测器,和半透反射式的镜子是固定电子线性翻译阶段。半透反射式的镜子放置如图11,以确保前面的两个CMOS探测器焦成像探测器焦平面,分别在相同的距离””的实验中,自动对焦控制器管理电子线性翻译阶段和控制两个聚焦CMOS探测器。当电子线性翻译阶段移动到一定位置,两个聚焦CMOS探测器测试天线的图片拍照。自动对焦控制器预处理这些图像,计算图像的聚焦评价函数值。根据图中给出的算法5翻译阶段,控制电子线性移动到下一位置,直到结束。

(1)实验验证参数” ”起初,控制器的自动对焦控制电子线性翻译阶段移动到一定位置,直到图像CCD探测器捕获图像清晰。被标记为位置。

来验证这个参数”附近。”精度为±0.5毫米,电子线翻译阶段是搬到一个随机位置和成像探测器是故意散焦。根据拟议中的聚焦算法,自动对焦控制器调整电子线翻译阶段和控制两个聚焦CMOS探测器捕捉图像,直到结束。是记录的位置。

计算参数”“准确地说,选择一个不同的数值如表所示1。一个城市被选中作为测试航拍图像如图12 (b)。在表1”,”是指成像CCD探测器捕获图像的位置很明显,这是一个地点发现的算法。“错误”,这是由绝对的值”之间的差异”和““计算每种情况和结果展示在表1。从实验结果可以看出,当参数””等于0.10毫米,自动对焦误差最小。

(2)实验的自动对焦。后发现参数””三个空中图像作为目标图像,如图12;重复上述实验方法。获得的实验结果如表所示2。

航空相机工作时,散焦允许误差小于一个光学系统的震源深度的一半。

这是定义如下: 是散焦允许的误差;是光学透镜相对孔径的倒数;中心波长的光学透镜。

根据(14),测试设备的散焦误差允许可以计算。对于一个6,光学系统的中心波长550 nm,获得散焦允许误差是0.0396毫米。

从表2,可以得出结论,该方法满足航空相机对焦精度的要求;集中的最大误差是0.029毫米,小于允许的散焦误差,即0.0396毫米。聚焦的平均误差是0.017毫米,这是不到一半的散焦误差允许的,0.0198毫米。尽管三个示例图像不同内容和丰富,我们的聚焦方法能够准确地找到最佳焦平面。

10。结论

本文提出了一种新的航空相机的自动对焦方法。提出的自动对焦方法是基于实际的形象,所以它是直接和准确。因为地面目标成像在两个CMOS探测器同时,自动对焦方法可以减少飞机姿态稳定精度要求。它可以应用到一个航空摄影机基于行扫描线阵探测器或区域扫描CCD探测器。当航空摄影机捕捉地上的风景的图片,自动对焦系统可以同时工作。所以它是一个实时的自动对焦方法。

验证的性能提出的自动对焦方法,一些航空图像在实验室。结果表明,聚焦的平均误差是0.017毫米,这是不到一半的散焦误差允许的,也就是说,0.0198毫米。所以该方法可以满足航空相机的需求;散焦的误差是在允许散焦深度的一半。在未来,基于微分CMOS探测器2的自动对焦方法将追究更好更精确的空中成像。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。