一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法技术

一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法，结合目标图像在不同测量距离之间的物理特征差异和弥散圆变化，构造对应的相机积分时间调整函数，通过相机积分时间动态调整将目标图像灰度水平稳定在相机测量系统能够稳定工作的范围之内，有效地解决了目标图像能量随测量距离变化而影响光学成像敏感器正常测量的问题，增强了月球轨道交会对接光学成像敏感器在大范围复杂环境下的工作能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法
本专利技术涉及一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法，可以通过相机积分时间调整将目标图像灰度水平稳定在相机测量系统能够稳定工作的范围之内，主要应用于空间交会测量相机的曝光时间调整。
技术介绍
月球轨道交会对接是月球探测三期工程的关键技术之一。在交会对接近距离的平移靠拢段，即在两飞行器距离从150米到对接完成(约0.3米)，光学成像敏感器是唯一能够同时提供位置和姿态六自由度测量信息的设备，是交会对接任务的关键设备。月球轨道交会对接测量目标为点光源成像，从最远距离150m至最近距离0.3m由于测量距离跨度较大而导致目标图像无法稳定在一定的灰度水平范围。目标亮度过强会导致目标图像形成差分暗斑；目标亮度过弱会导致目标无法识别，从而影响后续目标标志器特征识别方法的正常工作。现在调节曝光时间的主要方法主要有如下三种方式：通过把探测到的目标或场景的信息作为反馈量自适应地调节曝光时间，实现对系统动态范围的自动调整，从而获得一个较宽的动态范围；将传统的阈值分割和曝光时间自适应技术结合，根据CCD应用现场图像二值图评估光照强度浮动，调整相机积分时间；通过分析图像灰度水平，调整光源发光强度和相机积分时间，获得稳定的测量图像。以上方法中，第一种曝光时间调整方法需要经过多次相机积分时间调节才能达到比较合适的状态，而且对于不断变化的目标，调节相机积分时间的次数不能确定，将导致图像输出的帧频也比较低；第二种调整方式是根据测试图像的滞后调整，无法对当前处理的图像进行调整，而且是全局图像的处理方式，无法保证局部特征图像的成像质量；第三种调整方式需要进行相机积分时间和照明光源进行多次调整才能获得理想的目标图像，最终将降低图像输出的帧频率。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法，可以通过相机积分时间调整将目标图像灰度水平稳定在相机测量系统能够稳定工作的范围之内，有效地解决了目标能量过强或过弱的问题，从而为准确的光点提取奠定基础。本专利技术的技术解决方案是：一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法，步骤如下：(1)调整相机的积分时间，采集各试验点的目标图像并记录各目标图像的最佳相机积分时间Ti；具体为：根据待求解拟合方程中拟合参数的个数，试验试验点的个数n大于等于6，各试验点确定条件为：Di＝Lmin*2+(i-1)*(0.5*Lmax-Lmin*2)/n，i＝1,2,...,n其中，Di表示第i个试验点与相机之间的距离，Lmin为相机的最近工作距离，Lmax为相机的最远工作距离；在各试验点将测量目标移动至相机视场中央，使得目标图像质心与图像中心(u,v)之间的距离小于等于2个像素，利用相机对测量目标成像，成像过程中调整相机积分时间，即相机的曝光时间，获取最佳相机积分时间，使得目标图像峰值灰度值处于[150-160]区间内，采集最佳相机积分时间时各试验点的目标图像并记录对应试验点目标图像的最佳相机积分时间Ti；(2)利用步骤(1)采集的各试验点的目标图像计算各试验点目标图像的特征函数Ai；具体为：对步骤(1)中获取的各试验点的目标图像进行特征提取，确定不同距离条件下的目标图像的图像特征，令计算每个试验点目标图像的图像特征函数时，选取的截取窗口Si均为正方形，且大小均为11×11像元，则图像特征函数Ai的数学表达式如下：其中，P(u,v)＝|F(u.v)|2其中，f(x,y)为图像在点(x,y)处像素的灰度值，(x,y)为像素点坐标，M,N为截取窗口的宽度和高度，截取窗口中心与图像中心重合，SS为截取窗口区域面积；(3)利用步骤(1)中得到的各目标图像的最佳相机积分时间Ti和步骤(2)中计算的目标图像特征函数Ai计算光束函数各待定系数，确定光束函数，即可利用光束函数和任意试验点的目标图像完成任意试验点相机积分时间的调整；各目标图像的最佳相机积分时间Ti、光束函数P(z)和各目标图像特征函数Ai之间的关系具体为：Ti＝K*Ai*P(z)其中光束函数P(z)表示弥散圆大小随距离的变化关系，P(z)的数学表达式为：其中，z为测量距离，L为理论物距，a1，b1，c1，d1为待定系数，K为量纲调整系数；利用求得的各试验点的的最佳相机积分时间Ti和目标图像特征函数Ai，建立方程组：其中，当最佳相机积分时间Ti量纲为秒时，K＝1；当最佳相机积分时间Ti量纲为毫秒时，K＝1000；依据牛顿-赛德尔迭代完成后对上述方程组计算得到待定系数，即可完成光束函数的确定，利用光束函数和任意试验点的目标图像完成任意试验点相机积分时间的调整。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术充分考虑了目标图像在不同测量距离之间的物理特征差异和弥散圆变化，通过相机积分时间动态调整将目标图像灰度水平稳定在相机测量系统能够稳定工作的范围之内，有效地解决了目标图像能量随测量距离变化而影响光学成像敏感器正常测量的问题，从而为准确的光点提取奠定基础，增强了子系统在大范围复杂环境下的工作能力；(2)本专利技术充分考虑光学成像敏感器实际的成像环境和能量条件，并根据实际的成像环境和能量条件构造相机积分时间和测量距离关系，将包含复杂光学函数与图像信息的相机积分时间函数变为距离的单值函数，极大地降低了曝光时间调整周期和硬件系统复杂度；(3)本专利技术避开了对目标图像信息的访问，将目标光照条件和目标图像通过待定系数法获得了敏感器测量范围内最佳的相机积分时间调整结果，不仅大幅提高了图像帧频率而且能够有效降低图像变化对相机积分时间调整方法的干扰，对高鲁棒性、高刷新率月球轨道交会对接敏感器的研制具有重要工程使用价值。附图说明图1为本专利技术流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的详细描述。本专利技术提出的一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法主要是通过相机积分时间系数确定试验完成光束函数建立，配合图像特征进行相机积分时间确定，具体实施过程如上图1所示，步骤如下：(1)完成相机积分时间系数确定试验；采集各试验点的目标图像并记录各目标图像的最佳相机积分时间Ti；因为图像特征函数值和相机积分时间调整方法中的待定系数需要通过成像试验完成计算，根据相关待定系数拟合要求，试验距离D点数n不应小于6，一般试验距离确定条件Di＝Lmin*2+(i-1)*(0.5*Lmax-Lmin*2)/n，i＝1,2,...,n，Lmin为最近工作距离，Lmax为最远工作距离，在对应的工作试验点将测量目标移动至相机视场中央，保证目标图像质心与图像中心(u,v)之间的距离小于等于2个像素，利用相机对测量目标成像，调整相机积分时间，即相机曝光时间使得目标图像峰值灰度水平(8位图)在[150-160]之间，采集各试验点的目标图像并记录对应试验点的目标图像的最佳相机积分时间Ti，完成试验。(2)利用步骤(1)采集的各试验点的目标图像计算各试验点目标图像的特征函数值；对步骤(1)中获取的各试验点的目标图像进行分析，确定不同距离条件下的目标图像的图像特征，并根据对应距离的目标图像计算图像特征函数值Vi，设每个试验点目标图像的图像特征函数时，截取窗口Si均为正方形，且大小均为11×11像本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法，其特征在于步骤如下：(1)调整相机的积分时间，采集各试验点的目标图像并记录各目标图像的最佳相机积分时间Ti；具体为：根据待求解拟合方程中拟合参数的个数，试验试验点的个数n大于等于6，各试验点确定条件为：Di＝Lmin*2+(i‑1)*(0.5*Lmax‑Lmin*2)/n，i＝1,2,...,n其中，Di表示第i个试验点与相机之间的距离，Lmin为相机的最近工作距离，Lmax为相机的最远工作距离；在各试验点将测量目标移动至相机视场中央，使得目标图像质心与图像中心(u,v)之间的距离小于等于2个像素，利用相机对测量目标成像，成像过程中调整相机积分时间，即相机的曝光时间，获取最佳相机积分时间，使得目标图像峰值灰度值处于[150‑160]区间内，采集最佳相机积分时间时各试验点的目标图像并记录对应试验点目标图像的最佳相机积分时间Ti；(2)利用步骤(1)采集的各试验点的目标图像计算各试验点目标图像的特征函数Ai；具体为：对步骤(1)中获取的各试验点的目标图像进行特征提取，确定不同距离条件下的目标图像的图像特征，令计算每个试验点目标图像的图像特征函数时，选取的截取窗口Si均为正方形，且大小均为11×11像元，则图像特征函数Ai的数学表达式如下：A(i)=Σ(u,v)∈SiP(u,v)SS]]>其中，P(u,v)＝|F(u.v)|2F(u,v)=1MNΣx=0M-1Σy=0N-1f(x,y)e-j2π(xM+yN-1)]]>其中，f(x,y)为图像在点(x,y)处像素的灰度值，(x,y)为像素点坐标，M,N为截取窗口的宽度和高度，截取窗口中心与图像中心重合，SS为截取窗口区域面积；(3)利用步骤(1)中得到的各目标图像的最佳相机积分时间Ti和步骤(2)中计算的目标图像特征函数Ai计算光束函数各待定系数，确定光束函数，即可利用光束函数和任意试验点的目标图像完成任意试验点相机积分时间的调整；各目标图像的最佳相机积分时间Ti、光束函数P(z)和各目标图像特征函数Ai之间的关系具体为：Ti＝K*Ai*P(z)其中光束函数P(z)表示弥散圆大小随距离的变化关系，P(z)的数学表达式为：P(z)=z2×(a1+b1×|z-L|(L-c1)×(z+d1))2]]>其中，z为测量距离，L为理论物距，a1，b1，c1，d1为待定系数，K为量纲调整系数；利用求得的各试验点的的最佳相机积分时间Ti和目标图像特征函数Ai，建立方程组：T1=K*A1*P(z1)⇔a1+|z1-L|b1-Q1(c1d1+Ld1+z1c1)=Q1Lz1T2=K*A2*P(z2)⇔a1+|z2+L|b1-Q2(c1d1+Ld1+z2c1)=Q2Lz2...Tn=K*An*P(zn)⇔a1+|zn-L|b1-Qn(c1d1+Ld1+znc1)=QnLzn]]>其中，当最佳相机积分时间Ti量纲为秒时，K＝1；当最佳相机积分时间Ti量纲为毫秒时，K＝1000；依据牛顿‑赛德尔迭代完成后对上述方程组计算得到待定系数，即可完成光束函数的确定，利用光束函数和任意试验点的目标图像完成任意试验点相机积分时间的调整。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光束函数和图像特征的相机积分时间调整方法，其特征在于步骤如下：(1)调整相机的积分时间，采集各试验点的目标图像并记录各目标图像的最佳相机积分时间Ti；具体为：根据待求解拟合方程中拟合参数的个数，试验点的个数n大于等于6，各试验点确定条件为：Di＝Lmin*2+(i-1)*(0.5*Lmax-Lmin*2)/n，i＝1,2,...,n其中，Di表示第i个试验点与相机之间的距离，Lmin为相机的最近工作距离，Lmax为相机的最远工作距离；在各试验点将测量目标移动至相机视场中央，使得目标图像质心与图像中心(u,v)之间的距离小于等于2个像素，利用相机对测量目标成像，成像过程中调整相机积分时间，即相机的曝光时间，获取最佳相机积分时间，使得目标图像峰值灰度值处于[150-160]区间内，采集最佳相机积分时间时各试验点的目标图像并记录对应试验点目标图像的最佳相机积分时间Ti；(2)利用步骤(1)采集的各试验点的目标图像计算各试验点目标图像的特征函数Ai；具体为：对步骤(1)中获取的各试验点的目标图像进行特征提取，确定不同距离条件下的目标图像的图像特征，令计算每个试验点目标图像的图像特征函数时，选取的截取窗口Si均为正方形，且大小均为11×...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭绍刚，赵春晖，刘鲁，龚德铸，华宝成，刘启海，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11