基于检调光的航空可见光摄像机曝光融合方法研究

【类型】学位论文

【作者】申小禾 

【关键词】 自动调光,直方图分析,航空摄像机,曝光融合,FPGA硬件平台,双树复小波变换

【摘要】航空可见光摄像机作为一种重要的航空光电成像设备,可以获得大量真实而详尽的地物图像信息,在航空侦查上发挥着重要的作用。航空可见光摄像机从空中对地面拍摄,受天气阴晴、太阳高度角、地表景物变化的影响,拍摄场景亮度情况复杂,曝光不准确的情况时有发生。目前工程中采用的基于灰度平均值的自动调光方法在复杂场景下,得到的图像往往不理想,不能满足航空侦察的需求,自动调光是获取图像的第一步,对后期图像处理至关重要,对亮度复杂场景下的自动调光方法进行研究有着重要的研究价值和应用意义;当场景的明暗对比强烈时,动态范围远高于摄像机的动态范围时,自动调光不能使得到的图像全面地反映场景的亮暗层次,借助图像融合的手段弥补自动调光的不足是很有必要的。本文深入研究了摄像机成像原理,分析了CCD成像系统的曝光函数,论述了曝光融合的流程以及关键点,重点研究了亮度复杂场景下的调光方法和明暗对比强烈的高动态场景下的曝光融合方法。本文的主要研究内容归纳如下:1、航空摄像机在拍摄时场景不断变化,亮度复杂的场景经常出现,这时灰度平均值法往往不能得到曝光准确的图像,针对这一问题提出了一种基于直方图分析的自动调光方法。首先根据当前帧图像的灰度直方图中灰度级为0和255附近的信息进行初调,避免直方图溢出现象,使曝光情况基本正常;然后分析灰度直方图信息,计算出图像中的不感兴趣区域(包含的灰度级单一,信息量少的区域),根据不感兴趣区域占整幅图像的比重,由权值分配曲线为其分配不同的权值,使测光的重点放在感兴趣区域;最后计算加权后的灰度平均值,并将其作为反馈量控制下一帧的调光。2、为了满足航空可见光摄像机对体积与实时性的要求,结合FPGA可重复性编程,实时性好和体积小的优点,选取FPGA作为自动调光算法的硬件平台。分模块将本文提出的自动调光算法移植到FPGA硬件平台,通过顶层模块调用各模块联合仿真,仿真实验结果显示,在暗背景和亮背景场景下,相比于传统方法能够有效地提高感兴趣区域的信息熵,像素时钟50MHz,处理一帧1024×768的图像,耗时15.76ms,满足实时性要求。3、针对高动态范围场景下自动调光无法获得亮暗层次丰富图像的问题,提出使用曝光融合的方法弥补自动调光的不足。航空摄像机拍摄多曝光图像时难免振动,在融合前需先配准。分析了航空多曝光图像的特点和配准需求,选取SURF特征点提取和描述算法,在匹配的环节采用欧式距离作为相似性度量,采用K-D树作为搜索策略,使用随机抽样一致性算法(RANSAC)去除误匹配点,选取仿射变换作为空间变换模型。4、针对高动态场景下自动调光的不足,提出了一种在复小波域内结合亮度分析的曝光融合方法。首先分析了图像亮度与曝光情况之间的关系,并设置了3个分配权值的函数。然后使用双树复小波变换工具,将多曝光图像分解为低频分量和高频分量;低频分量根据亮度分析的结果分配权值,加权平均后得到融合后的低频分量,这样使得融合结果整体亮度准确、适中;将高频系数的绝对值和对应低频分量的权值共同用于高频分量的融合,有效地保留了源图像中的细节信息同时减少噪声的影响。最后将融合后的低频和高频分量逆变换得到融合结果。综上所述,论文对航空可见光摄像机获取亮暗层次丰富图像涉及的相关理论进行了分析,围绕着亮度复杂场景下的自动调光和曝光融合等关键问题进行了研究,取得了一定的成果。论文的相关成果为航空可见光摄像机获取亮暗层次信息丰富的图像提供了理论基础,具有借鉴意义。

【学位名称】博士

【学位授予单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

【学位授予年度】2017

【导师姓名】刘晶红

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