CN103248838A - 基于数字域tdi算法的cmos相机图像调偏流方法 - Google Patents

Abstract

基于数字域TDI算法的CMOS相机图像调偏流方法，涉及TDI推摆扫相机的像移补偿技术领域。解决现有像移补偿机制采用机械式调偏流的方法存在的问题，具体步骤为：输入像移速度矢量和偏流角；计算偏流角反映在图像的像素个数；设计一种像素配准模型，对待累加像素位置定位和像素灰度值二次计算；应用数字域TDI算法，得到时间延迟积分图像；在每个行周期输出1行经过M级积分的数字图像，其它未输出像素转入“前帧累加后图像”并与再输入图像进行进一步累加。本发明避免了复杂的机械调偏流机构以及对高精度和高实时性调偏流控制机构的依赖，利用数字域操作灵活的优势，该方法简便易行，实时性好，稳定性好。

Description

基于数字域TDI算法的CMOS相机图像调偏流方法

技术领域

本发明涉及数字域TDI CMOS遥感相机应用领域，具体涉及一种基于数字域TDI技术的偏流角的图像域调整方法。

背景技术

TDI（Time Delayed and Integration，时间延迟积分）技术通过对同一目标多次曝光，在与推扫速度严格匹配时可大幅提高成像***的灵敏度和信噪比。因此被广泛应用于高分辨力航天遥感、机器视觉、微光成像等众领域。目前航天高分辨遥感领域普遍采用TDI CCD作为图像传感器。然而，TDI CCD在应用中不断暴露出诸多缺陷，诸如体量大、功耗大、积分级数不可连续调整、不可双向扫描、在轨自主调焦困难、依赖复杂的机械调偏流机构等，这些都是由TDICCD器件自身结构特点造成的固有缺陷，因此拥有一系列优势的CMOS图像传感器逐渐受到研究人员的重视，并且为了使CMOS图像传感器适用于高分辨航天遥感领域，提出了数字域TDI CMOS相机，即在CMOS相机面阵成像的基础上在数字域完成对应像素的时间延迟累加。显然，数字域TDI操作灵活且易实现。

然而，不管是TDI CCD相机还是数字域TDI CMOS相机，只要TDI成像模式必然存在像移失配，这是由于卫星在轨的姿态、轨道参数实时变化，星下点的经纬度也不断改变，导致像平面的像移速度矢量不固定；在敏捷成像模式下像移现象更为显著。因此在航天相机推摆扫成像过程中必须有精密的像移补偿机制，尤其在敏捷成像时还要求有甚高的卫星姿态稳定度，否则像移失配现象将引起光学***传递函数下降，甚至使图像发生畸变和模糊。其中由于像移速度矢方向与推扫方向不重合引起的像移失配对应于偏流角的影响，即将像移速度与推扫方向组成的角度称为偏流角。

为了消除偏流角对成像的影响，目前我国航天相机采用的调整偏流角方法是：分析产生像移的各个环节，计算出像移速度矢和偏流角，然后由调偏流控制机构控制调偏流机构驱动焦面至合适的位置。这种方法实现起来复杂，不仅增加了额外的调偏流机构和控制机构，而且对调偏流控制机构的精度和实时性提出很高的要求。所以，目前急需一种适用于数字域TDI CMOS遥感相机的简单易行的高精度调偏流方法。

发明内容

本发明为解决现有像移补偿机制采用机械式调偏流的方法，需要采用精密复杂的调偏流机构，并且对调偏流控制机构要求精度高、实时性强等问题，提供一种基于数字域TDI算法的CMOS相机图像调偏流方法。

基于数字域TDI算法的CMOS相机图像调偏流方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、输入像移速度矢V_P和偏流角β；并根据当前输入的像移速度矢V_P和偏流角β计算纵向和横向像移对应的像素数；用公式一和公式二表示为：

公式一、 $n_1=\frac{V_P.\cos \mathrm{\β}}{a}$

公式二、 $n_2=\frac{V_P.\sin \mathrm{\β}}{a}$

式中，a为像元尺寸；

步骤二、采用公式三和公式四计算由偏流角β引起的纵向和横向像移在第i个行周期图像的像素偏差数；

公式三、 ${\mathrm{\Δn}}_1\left(i\right)=\frac{{\∫}_0^{{\mathrm{iT}}_{\mathrm{line}}}{V}_P.\cos \mathrm{\βdt}}{a}$

公式四、 ${\mathrm{\Δn}}_2\left(i\right)=\frac{{\∫}_0^{{\mathrm{iT}}_{\mathrm{line}}}{V}_P.\sin \mathrm{\βdt}}{a}$

式中，T_line为行周期；

步骤三、设计图像像素配准模型，获得当前帧待累加像素矩阵；

具体过程为：定位待累加像素的坐标点位置；用公式五和公式六表示纵向像移像素偏差数的非整数部分和整数部分；采用公式七和公式八表示横向像移像素偏差数的非整数部分和整数部分；式中，rem()表示取余；int()表示向下取整，所述int()取值为不大于括号内数据的最大整数；

公式五、α₁(i)=rem(△n₁(i))

公式六、△β₁(i)=int(△n₁(i))-int(△n₁(i-1))

公式七、α₂(i)=rem(△n₂(i))

公式八、△β₂(i)=int(△n₂(i))-int(△n₂(i-1))

判断像移像素偏差数是否为非整数，如果是，则执行步骤四，如果否，则将当前输入的像素矩阵作为当前帧待累加像素矩阵并执行步骤五；

步骤四、对像移像素偏差数为非整数部分的图像进行插值，获得插值矩阵，即当前待累加像素矩阵；插值公式用公式九表示为：

公式九、

式中，P_i表示第i帧像素矩阵，P_i(m,n)表示第m行第n列像素；n_lines表示第i帧像素矩阵的行向像素数；n_pixels表示第i帧像素矩阵的列向像素数；

步骤五、将当前帧待累加像素矩阵与前一帧累加后的像素矩阵采用数字域TDI算法，最终得到匹配景物的时间延迟积分清晰图像；所述采用数字域TDI算法的公式为：

本发明的有益效果：本发明的数字域TDI CMOS遥感相机的图像调偏流方法，利用数字域TDI的工作原理及其灵活的操作优势，将偏流失配计算转换为图像像素的位移量（m，n），然后通过图像之间配准像素累加加以补偿偏流失配量。本发明的调偏流方法省去了机械调偏流法所依赖的复杂调偏流机构和调偏流控制机构，直接从图像入手，通过配准图像像素在数字域对位累加来调整偏流角的失配量，实现简单，速度快精度高，很适合航天TDI相机在轨偏流补偿，尤其满足未来卫星的一体化、集成化发展要求。

附图说明

图1为本发明所述的基于数字域TDI算法的CMOS相机图像调偏流方法的流程图；

图2为本发明所述的基于数字域TDI算法的CMOS相机图像调偏流方法中数字域TDI CMOS相机角度偏差26.56度的图像调偏流示意图；图中（a）（b）分别是对应前一帧和当前帧获取的图像帧；

图3为本发明所述的基于数字域TDI算法的CMOS相机图像调偏流方法中设计的条纹靶标组合示意图；

图4为图3中条纹靶标组合中水平条纹的成像实验效果图；

图5为图3中条纹靶标组合中角度偏差26.56°条纹的图像调偏流成像实验效果图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施，基于数字域TDI算法的CMOS相机图像调偏流方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、输入像移速度矢V_P和偏流角β；并根据当前输入的像移速度矢V_P和偏流角β计算纵向和横向像移对应的像素数；用公式一和公式二表示为：

公式一、 $n_1=\frac{V_P.\cos \mathrm{\β}}{a}$

公式二、 $n_2=\frac{V_P.\sin \mathrm{\β}}{a}$

式中，a为像元尺寸；

步骤二、采用公式三和公式四计算由偏流角β引起的纵向和横向像移在第i个行周期图像的像素偏差数；

公式三、 ${\mathrm{\Δn}}_1\left(i\right)=\frac{{\∫}_0^{{\mathrm{iT}}_{\mathrm{line}}}{V}_P.\cos \mathrm{\βdt}}{a}$

公式四、 $\mathrm{\Δ}{n}_2\left(i\right)=\frac{{\∫}_0^{{\mathrm{iT}}_{\mathrm{line}}}{V}_P\·\sin \mathrm{\βdt}}{a}$

式中，T_line为行周期；

步骤三、设计图像像素配准模型，获得当前帧待累加像素矩阵；

具体过程为：定位待累加像素的坐标点位置；用公式五和公式六表示纵向像移像素偏差数的非整数部分和整数部分；采用公式七和公式八表示横向像移像素偏差数的非整数部分和整数部分；式中，rem()表示取余；int()表示向下取整，所述int()取值为不大于括号内数据的最大整数；

公式五、α₁(i)=rem(△n₁(i))

公式六、△β₁(i)=int(△n₁(i))-int(△n₁(i-1))

公式七、α₂(i)=rem(△n₂(i))

公式八、△β₂(i)=int(△n₂(i))-int(△n₂(i-1))

判断像移像素偏差数是否为非整数，如果是，则执行步骤四，如果否，则将当前输入的像素矩阵作为当前帧待累加像素矩阵并执行步骤五；

步骤四、对像移像素偏差数为非整数部分的图像进行插值，获得插值矩阵，即当前待累加像素矩阵；插值公式用公式九表示为：

公式九、

式中，P_i表示第i帧像素矩阵，P_i(m,n)表示第m行第n列像素；n_lines表示第i帧像素矩阵的行向像素数；n_pixels表示第i帧像素矩阵的列向像素数；

步骤五、将当前帧待累加像素矩阵与前一帧累加后的像素矩阵采用数字域TDI算法，最终得到匹配景物的时间延迟积分清晰图像；所述采用数字域TDI算法的公式为：

步骤六、像素矩阵在数字域累加完成后将经过M级积分的一行图像输出，输出图像为匹配景物的M级时间延迟积分清晰图像；其它未输出像素转入前帧累加后图像并与再输入图像进行进一步累加。当下一帧图像到来时，重新进入步骤一。

结合图2，图（a）和（b）分别对应相邻两帧获取图像。对比两图像可知，相邻两帧图像中的灰色阴影区域对应相同的地面景物，显然因为26.56度偏流角的存在，b图像帧像素相对于a不仅存在纵向像素偏差而且也产生了横向偏差，此时若按照对应列像素叠加显然不可以，但是将当前帧的第j+1列与前帧的第j列像素叠加则可物像匹配，根据任意像移角度偏差的数字域TDI输出信号模型推导出该情况下TDI计算公式：

S=P_k+(M-1)(i-M+1,j+M-1)+P_k+(M-2)(i-M+2,j+M-2)

+...+P_k(i,j)+P_k+1(i-1,j+1)

式中，S为数字域TDI后的图像；P_k(i,j)表示第k帧图像的第i行、第j列像素。

结合图3、图4和图5，图3是为了验证角度偏差的图像调偏流方法而设计的条纹靶标组合，图4对应其中水平条纹的成像结果，图5对应其中倾斜26.56°条纹的成像结果。靶标组合中上半部分为等宽的水平黑白条纹，靶标下半部分为倾角26.56度的等宽黑白条纹。传感器水平安装并与靶标保持相对静止。以静态条纹模拟动态推扫过程，因此等效于倾斜26.56°安装的传感器对目标景物推扫成像。对水平条纹部分的成像模拟存在偏流角失配且未应用图像调偏流方法的TDI成像。成像结果如图4所示，可知图像模糊，分辨率极低。而等效倾斜26.56°安装且应用图像调偏流方法的倾斜条纹成像结果如图5所示，可见图像黑白条纹对比鲜明，细节信息丰富。以上实验结果表明应用本发明设计的图像调偏流方法能明显改善成像效果，可行有效。

Claims (2)

1.基于数字域TDI算法的CMOS相机图像调偏流方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、输入像移速度矢V_P和偏流角β；并根据当前输入的像移速度矢V_P和偏流角β计算纵向和横向像移对应的像素数；用公式一和公式二表示为：

公式一、 $n_1=\frac{V_P.\cos \mathrm{\β}}{a}$

公式二、 $n_2=\frac{V_P.\sin \mathrm{\β}}{a}$

式中，a为像元尺寸；

步骤二、采用公式三和公式四计算由偏流角β引起的纵向和横向像移在第i个行周期图像的像素偏差数；

公式三、 ${\mathrm{\Δn}}_1\left(i\right)=\frac{{\∫}_0^{{\mathrm{iT}}_{\mathrm{line}}}{V}_P.\cos \mathrm{\βdt}}{a}$

公式四、 ${\mathrm{\Δn}}_2\left(i\right)=\frac{{\∫}_0^{{\mathrm{iT}}_{\mathrm{line}}}{V}_P.\sin \mathrm{\βdt}}{a}$

式中，T_line为行周期；

步骤三、设计图像像素配准模型，获得当前帧待累加像素矩阵；

具体过程为：定位待累加像素的坐标点位置；用公式五和公式六表示纵向像移像素偏差数的非整数部分和整数部分；采用公式七和公式八表示横向像移像素偏差数的非整数部分和整数部分；式中，rem()表示取余；int()表示向下取整，所述int()取值为不大于括号内数据的最大整数；

公式五、α₁(i)=rem(△n₁(i))

公式六、△β₁(i)=int(△n₁(i))-int(△n₁(i-1))

公式七、α₂(i)=rem(△n₂(i))

公式八、△β₂(i)=int(△n₂(i))-int(△n₂(i-1))

判断像移像素偏差数是否为非整数，如果是，则执行步骤四，如果否，则将当前输入的像素矩阵作为当前帧待累加像素矩阵并执行步骤五；

步骤四、对像移像素偏差数为非整数部分的图像进行插值，获得插值矩阵，即当前待累加像素矩阵；插值公式用公式九表示为：

公式九、

式中，P_i表示第i帧像素矩阵，P_i(m,n)表示第m行第n列像素；n_lines表示第i帧像素矩阵的行向像素数；n_pixels表示第i帧像素矩阵的列向像素数；

步骤五、将当前帧待累加像素矩阵与前一帧累加后的像素矩阵采用数字域TDI算法，最终得到匹配景物的时间延迟积分清晰图像；所述采用数字域TDI算法的公式为：

2.根据权利要求1所述的调偏流方法，其特征在于，步骤五采用数字域TDI算法的具体输出图像的过程为、将当前帧待累加像素矩阵与前一帧累加后的像素矩阵采用数字域TDI算法，将其中经过M级积分的一行图像输出，未经过M级积分的像素作为前一帧累加像素，直到输出下一帧图像时，返回步骤一；最终得到匹配景物的时间延迟积分清晰图像。

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