圖像清晰度評價函數(shù)在航空相機(jī)中的應(yīng)用

許兆林， 王尚強(qiáng)

(海軍航空工程學(xué)院青島分院，山東青島 266041)

0 引言

航空攝影時，相機(jī)工作環(huán)境的大氣壓力和溫度的變化使空氣的折射率、透鏡的曲率半徑、透鏡之間的間隔和鏡頭筒等產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而使鏡頭成像面位置發(fā)生變化，造成影像模糊、分辨率降低。過去為獲得高質(zhì)量圖像將航空相機(jī)安裝在恒溫恒壓的密封艙以消除大氣壓力和溫度的影響，由于密封艙對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有要求，所以體積大，只能在特定飛機(jī)上安裝使用，通用性差。目前航空相機(jī)消除大氣壓力和溫度影響的方法:一是采用溫度、壓力傳感器提供的溫度、壓力值，通過對成像位置影響的計算公式和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整［1］，由于需要對各型號相機(jī)進(jìn)行大量的實驗研究，以獲得此型號相機(jī)溫度和壓力變化的調(diào)整數(shù)據(jù)，所以通用性差;二是采用光電自準(zhǔn)直檢焦方法［2］，具有通用性好、控制精度高的特點，應(yīng)用較為廣泛。但由于需要控制掃描反射鏡反復(fù)擺動通過光電探測器來獲得光強(qiáng)的數(shù)據(jù)，存在控制環(huán)節(jié)多而復(fù)雜的不足。近年來，隨著面陣CCD器件和數(shù)字圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，許多學(xué)者在基于圖像清晰度評價函數(shù)的影像聚焦技術(shù)領(lǐng)域做了大量的工作，并在攝像機(jī)、地面數(shù)碼相機(jī)、經(jīng)緯儀等精密儀器得到應(yīng)用［3］。對于航空CCD相機(jī)，如果直接用地物在CCD面上成像通過圖像清晰度評價函數(shù)進(jìn)行聚焦，從原理上說更為簡單，但由于地物反差低甚至沒有反差，經(jīng)過試驗，聚焦精度無法滿足要求［4］。故提出了采用光柵成像通過圖像清晰度評價函數(shù)聚焦的自準(zhǔn)直檢焦方法，該設(shè)計與光電自準(zhǔn)直檢焦方法相比，無需控制掃描反射鏡反復(fù)擺動和配置光電探測器件等，檢焦精度滿足技術(shù)要求。

1 自準(zhǔn)直檢焦原理

自準(zhǔn)直檢焦系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 自準(zhǔn)直檢焦原理Fig.1 Principle of autocollimating

自準(zhǔn)直檢焦系統(tǒng)由反射鏡(垂直)、鏡頭、調(diào)焦鏡、光源、光柵和CCD組成光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)，光柵和CCD位在同一面上。在空中某一高度攝影前，相機(jī)處于自準(zhǔn)直檢焦工作狀態(tài)，反射鏡垂直豎起，相當(dāng)于光學(xué)自準(zhǔn)直系統(tǒng)中的平面反射鏡;由于航空攝影物距大，成像CCD面位于鏡頭焦面(零位)附近;光源照亮位于CCD面上的光柵，通過相機(jī)鏡頭后，經(jīng)過反射鏡反射回來，再次經(jīng)過相機(jī)鏡頭，光柵成像在CCD面上;若CCD面位于鏡頭焦面上，光柵發(fā)出的光通過相機(jī)鏡頭后為平行光，經(jīng)過反射鏡反射回來，相當(dāng)于無限遠(yuǎn)物距光柵經(jīng)過相機(jī)鏡頭成像，光柵的像聚焦最清楚。反之，若CCD面不位于鏡頭焦面上，光柵的像存在一定的模糊，通過圖像處理技術(shù)獲取離焦信號，然后控制調(diào)焦鏡移動使光柵的像聚焦最清楚。光柵的像最清楚位置為此時刻大氣壓力和溫度數(shù)據(jù)下的鏡頭焦面(零位)位置，此位置消除了從地面到空中大氣壓力和溫度的變化對鏡頭焦面(零位)位置的影響［5］。檢焦結(jié)束后，反射鏡與光軸成45°狀態(tài)，再根據(jù)攝影斜距調(diào)整像距后拍攝。

自動檢焦硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Diagram of the hardware structure

根據(jù)檢焦指令，檢焦是基于VHDL語言和FPGA處理芯片來完成的，采用Kodak公司像元尺寸為9 μm×9 μm的面陣CCD，其輸出電信號經(jīng)過A/D變換后，輸出給圖像處理部分的FPGA芯片(EP3SL50)。FPGA通過設(shè)置的圖像清晰度評價函數(shù)，計算得到評價函數(shù)值后傳遞給89C51單片機(jī)，單片機(jī)按照程序流程，分粗檢和細(xì)檢兩個過程控制步進(jìn)電機(jī)(36BF005)，通過三級齒輪組成的減速器帶動調(diào)焦鏡移動和電位計旋轉(zhuǎn)，完成檢焦過程。另外，裝有限位開關(guān)，防止調(diào)焦鏡走出行程范圍。

2 圖像清晰度評價函數(shù)的選取

圖像清晰度評價函數(shù)的選取是自動檢焦系統(tǒng)中的核心部分。它通過圖像清晰度評價函數(shù)對不同聚焦位置所成像的清晰度進(jìn)行評價，利用正確聚焦時圖像最清晰這個特征找到最佳的聚焦位置［6］。自動檢焦的過程就是求取圖像清晰度評價函數(shù)最大值的過程，為實現(xiàn)快速和精度的要求，采用粗檢焦與細(xì)檢焦相結(jié)合的方式。

2.1 粗檢焦圖像清晰度評價函數(shù)

在粗檢焦過程中，進(jìn)行大步距采集圖像，以較快的速度使調(diào)焦鏡接近最佳檢焦位置，縮短檢焦時間，滿足速度上的要求。

因為清晰聚焦的圖像應(yīng)有比模糊的圖像更大的灰級差異，所以灰度差分法函數(shù)是一個應(yīng)用較多的圖像清晰度評價函數(shù)［7］。

灰度差分法函數(shù)定義為在選定圖像區(qū)域內(nèi)計算每個像元與其周圍附近像元的對比度，函數(shù)表達(dá)式為

式中:I(x，y)是坐標(biāo)為(x，y)的像元的灰度值;I(x-1，y)，I(x+1，y)，I(x，y-1)，I(x，y+1)分別為像元(x，y)的鄰近像元的灰度值;D為選定圖像區(qū)域。

2.2 細(xì)檢焦圖像清晰度評價函數(shù)

作為細(xì)檢焦圖像清晰度評價函數(shù)要尋找最佳聚焦面位置，使檢焦的精度符合要求。由于在聚焦愈接近最佳值，兩信號的差值就愈小，因此，需選擇進(jìn)一步加強(qiáng)灰度對比的函數(shù)。

Brenner函數(shù)是對相鄰近的像元灰度進(jìn)行平方求和，其表達(dá)式為

式中:I(x，y)是坐標(biāo)為(x，y)的像元的灰度值;I(x+1，y)為鄰近像元的灰度值;D為選定圖像區(qū)域。

檢焦系統(tǒng)調(diào)焦鏡的總行程為4 mm，粗檢焦選擇步長0.4 mm，用灰度差分法函數(shù)在CCD面上選定32×32像元的D區(qū)域進(jìn)行計算，測試所得歸一化曲線如圖3所示，它的縱坐標(biāo)表示采集光柵圖像歸一化的圖像清晰度評價值，橫坐標(biāo)表示采集各幅圖像的間距(步長)。用灰度差分法所得聚焦曲線有明顯的單峰性，但是波峰較緩。雖然計算量小，能快速找到焦面附近，但是不能找到焦面準(zhǔn)確位置。

細(xì)檢焦選擇步長0.02 mm采集光柵圖像，用Brenner函數(shù)在選定32×32像元的D區(qū)域進(jìn)行計算，測試所得歸一化曲線如圖3所示，橫坐標(biāo)表示各幅圖像按步長0.02 mm采集。聚焦曲線具有陡峭的單峰性，在焦面附近變化率大，靈敏度高，能在小范圍內(nèi)判別離焦情況，保證了精度要求。

圖3 歸一化曲線Fig.3 The normalized curve

3 檢焦流程

尋找圖像清晰度評價函數(shù)值最大的位置采用的是爬山搜索法［8］。軟件控制流程如圖4所示。

圖4 軟件流程框圖Fig.4 Flow chart of the program

首先，粗檢焦采用灰度差分法函數(shù)和大的步長。調(diào)焦系統(tǒng)的總行程為4 mm，選擇步長0.4 mm，先將調(diào)焦鏡移向一端起始位置，每走一步，采集一次位置電位器的輸出和灰度差分法函數(shù)f(I)的輸出并與前一次的數(shù)據(jù)相比較。若函數(shù)值逐漸增大，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，調(diào)焦鏡為正向移動;當(dāng)函數(shù)值第一次出現(xiàn)減小時，說明已經(jīng)越過焦面位置，此時，電機(jī)反轉(zhuǎn)，調(diào)焦鏡反向移動，轉(zhuǎn)入細(xì)檢焦過程。

細(xì)調(diào)焦采用Brenner函數(shù)和小的步長。步長定為0.02 mm，調(diào)焦鏡反向移動，當(dāng)函數(shù)值再次出現(xiàn)減小時，前一次的最大值位置即為最佳聚焦面。由于前一次的最大值位置與理想焦面(零位)之間的距離不大于半個步長，故其檢焦誤差不大于0.01 mm。

4 精度測試

采用密封艙在實驗室模擬空中攝影時大氣壓力和溫度的變化對系統(tǒng)檢焦精度的影響。

4.1 測試裝置

由于檢焦精度要求高，直接測試調(diào)焦鏡的位置精度非常困難，所以需采用光學(xué)測試方法，選用長焦距準(zhǔn)直儀，其焦距是相機(jī)焦距3倍以上，通過調(diào)節(jié)準(zhǔn)直儀分辨率板位置δ可以測出相機(jī)焦面誤差Δf。當(dāng)相機(jī)檢焦完成后，把準(zhǔn)直儀焦點位置上的分辨率板作為無限遠(yuǎn)的物，經(jīng)相機(jī)鏡頭成像在CCD面上，如果檢焦系統(tǒng)沒有誤差，其分辨率板的像最清楚和分辨率值最高;如果檢焦系統(tǒng)存在誤差Δf，再調(diào)節(jié)準(zhǔn)直儀分辨率板位置，直至找出相機(jī)成像最清楚(分辨率最高)對應(yīng)的分辨率板位置 δ，通過式(3)計算出檢焦誤差Δf［9］。

式中:f為相機(jī)焦距;f0為準(zhǔn)直儀焦距。測試裝置如圖5所示，準(zhǔn)直儀為 BU3000，其 f0=3000 mm;航空相機(jī)f=600 mm，相對孔徑 N=1∶5.6，CCD 像元尺寸為9 μm×9 μm;攝影密封艙通過溫壓控制臺控制壓力和溫度;相機(jī)測控臺控制相機(jī)工作和CCD輸出圖像顯示。

圖5 實驗裝置Fig.5 Configuration of test equipment

4.2 測試結(jié)果

航空CCD相機(jī)檢焦誤差技術(shù)指標(biāo)為0.01 mm。相機(jī)實際工作環(huán)境設(shè)計的是20℃的保溫箱，且要求溫度的變化率是每小時不超過2℃。在密封艙共設(shè)置了6組壓力P和溫度t數(shù)據(jù)模擬航空攝影狀態(tài)。每一組數(shù)據(jù)設(shè)定后，相機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定2 h以上，然后控制相機(jī)完成檢焦工作。調(diào)節(jié)分辨率板位置，直至找到CCD輸出的分辨率最大值所對應(yīng)的δ位置，根據(jù)式(3)計算檢焦誤差Δf，如表1所示。

通過實驗室測試可以看出，6種情況下，自動檢焦系統(tǒng)的檢焦誤差在0.004～0.009 mm之間，滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

表1 模擬測量結(jié)果Table 1 Measurement results of simulated date

機(jī)載試驗中，在3～10 km不同攝影高度拍攝三線靶標(biāo)，由于機(jī)載分辨率值與自動調(diào)焦系統(tǒng)精度和像穩(wěn)定系統(tǒng)的精度有關(guān)，因此機(jī)載分辨率值是一項綜合指標(biāo)。鑒定結(jié)論為:機(jī)載分辨率指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求，影像清晰。

5 結(jié)論

圖像清晰度評價函數(shù)在基于圖像處理的自動檢焦技術(shù)中起著關(guān)鍵的作用。通過選用兩個不同的圖像清晰度評價函數(shù)，分不同步長進(jìn)行粗精檢焦過程，不僅解決了圖像處理的自準(zhǔn)直檢焦快速和精度問題，而且簡化了檢焦系統(tǒng)的配置。經(jīng)過在實驗室測試和試驗證明:系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，取得了令人滿意的檢焦效果，保證了航空相機(jī)消除大氣壓力和溫度影響同時獲得高清晰度的圖像。這種方法已經(jīng)成為今后航空相機(jī)自動檢焦技術(shù)發(fā)展的重要研究方向之一［10］。

［1］許兆林，趙育良，張國棟.新型航空相機(jī)自動調(diào)焦系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電光與控制，2011，18(4):77-80.

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［3］蔣海華.基于圖像清晰度評價函數(shù)的顯微鏡自動調(diào)焦技術(shù)研究［J］.光學(xué)技術(shù)，2008，34(s):284-285.

［4］史磊，金光，田海英，等.航空相機(jī)的自準(zhǔn)直自動檢焦方法研究［J］.光學(xué)精密工程，2008，16(12):2460-2462.

［5］許兆林，賈曉笑，趙育良，等.長焦距航空相機(jī)系統(tǒng)［M］.北京:海潮出版社，2005.

［6］蔡明榮，馬軍山，王福紅.自動調(diào)焦系統(tǒng)中圖像清晰度判別方法的研究［J］.光學(xué)儀器，2008，30(5):35-37.

［7］賈曉飛，李宜斌，陳德智，等.非制冷紅外熱像儀的快速自動調(diào)焦算法設(shè)計［J］.激光與紅外，2009，39(6):689-690.

［8］宮光勇，何文忠，高旭輝.紅外系統(tǒng)中自動調(diào)焦爬山搜索算法的優(yōu)化設(shè)計［J］.激光與紅外，2007，37(11):1213-1215.

［9］蘇大圖，趙立平，沙定國.光學(xué)測量與像質(zhì)鑒定［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2000.

［10］梁翠萍，李清安，喬彥峰，等.簡析光學(xué)系統(tǒng)自動調(diào)焦的方法［J］.電光與控制，2006，13(6):94-96.