一種多窗口跟蹤的穩(wěn)像方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明是一種多窗口跟蹤的穩(wěn)像方法，包括獲取目標(biāo)場(chǎng)景的大視場(chǎng)圖像；根據(jù)跟蹤窗口的圖像特征，獲取穩(wěn)像跟蹤時(shí)的多個(gè)跟蹤窗口；對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景再次成像，獲得并存儲(chǔ)每個(gè)跟蹤窗口的窗口圖像并作為參考圖像；更新每個(gè)跟蹤窗口的窗口圖像，獲取并對(duì)當(dāng)前窗口圖像與參考圖像進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)計(jì)算，利用每個(gè)窗口圖像的相關(guān)峰值的變化情況，獲得每個(gè)窗口圖像的加權(quán)系數(shù)，并對(duì)每個(gè)窗口圖像偏移量加權(quán)處理，得到成像光學(xué)系統(tǒng)焦平面圖像整體偏移量；利用每個(gè)窗口圖像偏移量的統(tǒng)計(jì)特性，將有效焦平面圖像偏移量轉(zhuǎn)換成成像光學(xué)系統(tǒng)中擺鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的位置控制量并轉(zhuǎn)換成模擬量，用于控制擺鏡驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)成像光學(xué)系統(tǒng)中的擺鏡偏轉(zhuǎn)；直至成像光學(xué)系統(tǒng)完成高分辨率圖像成像。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種多窗口跟蹤的穩(wěn)像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高分辨率成像領(lǐng)域，具體地說(shuō)，它涉及一種多窗口跟蹤的穩(wěn)像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]穩(wěn)像系統(tǒng)是空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡和地面遙感衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的關(guān)鍵器件。在空間太陽(yáng)觀(guān)測(cè)和地面遙感過(guò)程中，衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)控制的殘余抖動(dòng)引起光學(xué)系統(tǒng)指向不穩(wěn)定，導(dǎo)致成像相機(jī)采樣積分時(shí)間內(nèi)的圖像抖動(dòng)，進(jìn)而嚴(yán)重地影響光學(xué)系統(tǒng)的成像分辨率。解決這一問(wèn)題的方法有兩種:一種是提高航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制精度以改進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)隨機(jī)抖動(dòng)特性降低其對(duì)成像分辨率的影響，這種方法技術(shù)難度大、成本高；另一種是在空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡和地球遙感衛(wèi)星上安裝補(bǔ)償圖像偏移的穩(wěn)像系統(tǒng)以獲得高質(zhì)量的圖像。
[0003]穩(wěn)像系統(tǒng)實(shí)時(shí)探測(cè)、校正主光軸隨機(jī)抖動(dòng)的原理圖如圖1所示。從光學(xué)系統(tǒng)主鏡來(lái)的主光線(xiàn)經(jīng)擺鏡鏡面反射后成像在主成像相機(jī)和高幀頻探測(cè)相機(jī)上。當(dāng)穩(wěn)像系統(tǒng)不工作時(shí)，擺鏡靜止，由于光學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)抖動(dòng)等原因造成主光線(xiàn)在擺鏡鏡面上的入射角發(fā)生變化，主光線(xiàn)出射角相應(yīng)變化，最終導(dǎo)致圖像在主成像相機(jī)上晃動(dòng)，得到模糊的圖像，嚴(yán)重降低了光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率。當(dāng)穩(wěn)像系統(tǒng)工作時(shí)，由于高幀頻探測(cè)相機(jī)的積分時(shí)間非常短，對(duì)于高頻分量少的擾動(dòng)仍可以采集到清晰的圖像，根據(jù)這一圖像序列與起始參考圖像的相關(guān)計(jì)算結(jié)果，可以得到圖像運(yùn)動(dòng)的方向和大小，進(jìn)而用伺服控制算法得到實(shí)際的控制量，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)擺鏡偏轉(zhuǎn)，使經(jīng)擺鏡鏡面反射的光線(xiàn)仍然趨向于原來(lái)的主光線(xiàn)，從而衰減圖像的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到在主成像相機(jī)的積分時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定圖像的目的，得到空間高分辨率的圖像。
[0004]圖像互相關(guān)算法作為穩(wěn)像系統(tǒng)探測(cè)圖像運(yùn)動(dòng)方向和大小的關(guān)鍵算法，其計(jì)算精度和計(jì)算效率是影響系統(tǒng)的跟蹤精度和穩(wěn)定性的重要因素之一。在十多年的穩(wěn)像技術(shù)研究中，我們發(fā)現(xiàn)用互相關(guān)算法計(jì)算圖像相對(duì)偏移量的方法具有以下特點(diǎn):(I)互相關(guān)計(jì)算量巨大，一般隨圖像尺寸N成4次方增長(zhǎng)；(2)受圖像內(nèi)容的影響，在圖像的相互垂直方向上的兩個(gè)偏移量的計(jì)算精度通常是不一樣的，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)方向計(jì)算精度尚可，另一個(gè)方向計(jì)算結(jié)果出錯(cuò)的情況，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致穩(wěn)像系統(tǒng)振蕩、無(wú)法正常工作；(3)探測(cè)視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)的時(shí)變特性會(huì)對(duì)探測(cè)精度產(chǎn)生不利影響，即隨時(shí)間的推移，探測(cè)精度逐漸下降。
[0005]傳統(tǒng)穩(wěn)像系統(tǒng)采用單一的小探測(cè)窗口(32X32像元或64X64像元)進(jìn)行目標(biāo)圖像運(yùn)動(dòng)相關(guān)探測(cè)，運(yùn)算量小，但同時(shí)也因探測(cè)窗口小且位置固定，探測(cè)相機(jī)拍攝到的圖像即為相關(guān)探測(cè)目標(biāo)圖像，不具備目標(biāo)圖像選擇功能，也無(wú)法考慮目標(biāo)圖像時(shí)變特性的影響。這樣的穩(wěn)像系統(tǒng)和探測(cè)方法雖具有簡(jiǎn)單和計(jì)算量較少的特點(diǎn)，但相關(guān)探測(cè)精度因相關(guān)目標(biāo)圖像不同而不同，在某些情況下相關(guān)探測(cè)結(jié)果出現(xiàn)振蕩、甚至出錯(cuò)，導(dǎo)致穩(wěn)像系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0007]為提高穩(wěn)像系統(tǒng)的跟蹤精度、穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明的目的是研究一種新型的考慮了目標(biāo)圖像內(nèi)容和時(shí)變特性影響且計(jì)算效率高的穩(wěn)像系統(tǒng)和探測(cè)方法，為此本發(fā)明的目的是提出了一種應(yīng)用范圍廣、適用性強(qiáng)、且能適用于時(shí)變特性目標(biāo)的在多窗口跟蹤的穩(wěn)像方法。
[0008]( 二)技術(shù)方案
[0009]本發(fā)明提供一種多窗口跟蹤的穩(wěn)像方法的步驟如下:
[0010]步驟S1:獲取目標(biāo)場(chǎng)景的大視場(chǎng)圖像；
[0011]步驟S2:根據(jù)設(shè)定跟蹤窗口尺寸和選取跟蹤窗口的圖像特征，獲取穩(wěn)像跟蹤時(shí)的多個(gè)跟蹤窗口；
[0012]步驟S3:對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景再次成像，獲得并存儲(chǔ)每個(gè)跟蹤窗口的窗口圖像，并將每個(gè)窗口圖像作為參考圖像；
[0013]步驟S4:更新每個(gè)跟蹤窗口的窗口圖像，獲取并對(duì)當(dāng)前窗口圖像與參考圖像進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)計(jì)算，得到相關(guān)峰值的位置，獲得每個(gè)窗口圖像偏移量；
[0014]步驟S5:利用每個(gè)窗口圖像的相關(guān)峰值的變化情況，獲得每個(gè)窗口圖像的加權(quán)系數(shù)，并對(duì)每個(gè)窗口圖像偏移量進(jìn)行加權(quán)處理，得到成像光學(xué)系統(tǒng)焦平面圖像整體偏移量；
[0015]步驟S6:利用每個(gè)窗口圖像偏移量的統(tǒng)計(jì)特性，判斷成像光學(xué)系統(tǒng)的焦平面圖像整體偏移量是否為有效偏移量，如果焦平面圖像整體偏移量有效，則執(zhí)行步驟S7，如果焦平面圖像整體偏移量無(wú)效，則執(zhí)行步驟SI ；
[0016]步驟S7:利用伺服控制器將有效焦平面圖像偏移量轉(zhuǎn)換成成像光學(xué)系統(tǒng)中擺鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的位置控制量，并將位置控制量轉(zhuǎn)換成模擬量；
[0017]步驟S8:根據(jù)模擬量控制擺鏡驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)成像光學(xué)系統(tǒng)中的擺鏡偏轉(zhuǎn)；重復(fù)步驟S4?步驟S8，直至成像光學(xué)系統(tǒng)完成高分辨率圖像成像。
[0018]優(yōu)選實(shí)施例，利用開(kāi)窗探測(cè)相機(jī)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景成像，以低幀頻得到目標(biāo)場(chǎng)景的大視場(chǎng)圖像，以高幀頻得到穩(wěn)像跟蹤時(shí)的多個(gè)跟蹤窗口的窗口圖像。
[0019]優(yōu)選實(shí)施例，獲取穩(wěn)像跟蹤時(shí)的多個(gè)跟蹤窗口的步驟包括:根據(jù)設(shè)定跟蹤窗口尺寸和選取跟蹤窗口的圖像特征，將大視場(chǎng)圖像分割成多個(gè)跟蹤窗口大小的圖像，記錄各跟蹤窗口的位置并計(jì)算各跟蹤窗口中的圖像特征值，根據(jù)圖像特征值的統(tǒng)計(jì)特性設(shè)定跟蹤窗口選取閾值，選出穩(wěn)像跟蹤時(shí)的多個(gè)跟蹤窗口。
[0020]優(yōu)選實(shí)施例，所述當(dāng)前窗口圖像與參考圖像進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)計(jì)算是找出函數(shù)最大值的位置，并用該函數(shù)最大值的位置周?chē)幕ハ嚓P(guān)函數(shù)值進(jìn)行曲面擬合，擬合得到的曲面最大值為相關(guān)峰值，相關(guān)峰值表示當(dāng)前圖像與參考圖像的相似程度，相關(guān)峰值所在位置表示當(dāng)前圖像與參考圖像之間的偏移量。
[0021]優(yōu)選實(shí)施例，所述成像光學(xué)系統(tǒng)焦平面圖像整體偏移量是各窗口圖像偏移量的加權(quán)和，互相關(guān)峰值變化慢的窗口圖像的加權(quán)系數(shù)大，變化快的窗口圖像的加權(quán)系數(shù)小，當(dāng)相關(guān)峰值變化速率超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，加權(quán)系數(shù)變?yōu)镺。
[0022](三)有益效果
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)如下:
[0024](I)本發(fā)明方法可動(dòng)態(tài)優(yōu)化選擇多個(gè)跟蹤窗口，提高成像光學(xué)系統(tǒng)焦平面圖像整體偏移量的計(jì)算精度和可靠性，使穩(wěn)像系統(tǒng)工作時(shí)的穩(wěn)定性更好、可靠性更高?，F(xiàn)有方法中探測(cè)相機(jī)成像視場(chǎng)很小，在穩(wěn)像系統(tǒng)穩(wěn)像跟蹤時(shí)僅有一個(gè)跟蹤窗口，且窗口大小不變、位置固定，無(wú)法主動(dòng)選擇跟蹤圖像，而跟蹤圖像的內(nèi)容對(duì)成像光學(xué)系統(tǒng)焦平面圖像偏移量的計(jì)算精度和可靠性具有決定性作用，嚴(yán)重時(shí)將影響穩(wěn)像系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。例如，當(dāng)探測(cè)相機(jī)對(duì)準(zhǔn)地球海面或是太陽(yáng)黑子中心時(shí)，跟蹤窗口圖像為對(duì)比度極低的均勻圖像，用這樣的圖像序列進(jìn)行相關(guān)計(jì)算得到的計(jì)算結(jié)果無(wú)法正確描述成像光學(xué)系統(tǒng)焦平面真實(shí)移動(dòng)量，相關(guān)計(jì)算失效，穩(wěn)像系統(tǒng)不能正常工作。本發(fā)明方法采用開(kāi)窗探測(cè)相機(jī)對(duì)大視場(chǎng)目標(biāo)場(chǎng)景成像，視場(chǎng)范圍較現(xiàn)有方法中的探測(cè)視場(chǎng)增大了數(shù)百倍從而使得視場(chǎng)內(nèi)圖像內(nèi)容較之更為豐富，在這樣的大視場(chǎng)圖像中采用適于穩(wěn)像跟蹤的圖像特征優(yōu)化選擇了多個(gè)跟蹤窗口，跟蹤窗口的個(gè)數(shù)、大小和位置可以動(dòng)態(tài)調(diào)整。各跟蹤窗口圖像均包含明顯內(nèi)容且適于進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，相比現(xiàn)有方法的單一跟蹤窗口隨機(jī)圖像，從跟蹤圖像內(nèi)容方面降低了相關(guān)計(jì)算失效的概率，從而提高了穩(wěn)像系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使穩(wěn)像系統(tǒng)通用性更好、適用范圍更廣。同時(shí)，本發(fā)明方法采用多個(gè)跟蹤窗口主要是考慮了對(duì)于同一光軸抖動(dòng)所引起的成像光學(xué)系統(tǒng)焦平面圖像運(yùn)動(dòng)的相關(guān)探測(cè)精度因不同跟蹤圖像而不同，各個(gè)跟蹤窗口的圖像偏移量加權(quán)得到成像光學(xué)系統(tǒng)焦平面圖像偏移量可減小相關(guān)計(jì)算誤差，提高穩(wěn)像系統(tǒng)的閉環(huán)跟蹤精度，從而使成像光學(xué)系統(tǒng)拍攝到的高分辨率圖像更清晰。
[0025](2)本發(fā)明方法考慮了跟蹤圖像的時(shí)變特性對(duì)相關(guān)探測(cè)精度的影響，根據(jù)各個(gè)窗口圖像相關(guān)峰值的變化情況修正其在成像光學(xué)系統(tǒng)焦平面圖像運(yùn)動(dòng)中的加權(quán)系數(shù)，減緩了相關(guān)探測(cè)精度隨時(shí)間延長(zhǎng)而下降的趨勢(shì)，使得穩(wěn)像效果更好，尤其是對(duì)成像光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的曝光拍攝。現(xiàn)有方法是單一跟蹤窗口的隨機(jī)圖像相關(guān)探測(cè)，跟蹤場(chǎng)景不同，圖像變化情況不同。例如太陽(yáng)觀(guān)測(cè)時(shí)，米粒組織的壽命只有8分鐘，而太陽(yáng)黑子的壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)甚至幾天，當(dāng)跟蹤視場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)米粒組織時(shí)，對(duì)于長(zhǎng)于I分鐘的成像光學(xué)系統(tǒng)高分辨率圖像拍攝，穩(wěn)像效果會(huì)明顯下降。本發(fā)明方法中成像光學(xué)系統(tǒng)焦平面圖像整體偏移量是各窗口圖像偏移量的加權(quán)和，相關(guān)峰值變化慢的窗口圖像的加權(quán)系數(shù)大，變化快的窗口圖像的加權(quán)系數(shù)小，當(dāng)相關(guān)峰值變化速率超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，加權(quán)系數(shù)變?yōu)?，使得圖像內(nèi)容變化快的跟蹤窗口偏移量在焦平面圖像整體偏移量加權(quán)計(jì)算中的占比減少，從而減緩相關(guān)探測(cè)精度隨時(shí)間延長(zhǎng)而下降的趨勢(shì)。對(duì)于相同場(chǎng)景、相同曝光時(shí)間(尤其是長(zhǎng)曝光時(shí)間)的高分辨率圖像拍攝，本發(fā)明方法的穩(wěn)像效果優(yōu)于現(xiàn)有方法。
[0026](3)采用本發(fā)明方法的穩(wěn)像系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)時(shí)性基本相同。本發(fā)明方法在多個(gè)跟蹤窗口選定后僅輸出多個(gè)跟蹤窗口圖像，當(dāng)跟蹤窗口為I時(shí)，采用本發(fā)明方法的實(shí)時(shí)性與現(xiàn)有系統(tǒng)相同，當(dāng)跟蹤窗口多于I個(gè)時(shí)，研制的計(jì)算控制單元可采用并行處理技術(shù)，同時(shí)計(jì)算多個(gè)跟蹤窗口的圖像偏移量，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)性與現(xiàn)有系統(tǒng)基本相同。所以采用本發(fā)明方法的穩(wěn)像系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)時(shí)性基本相同，但穩(wěn)像效果和適用范圍卻優(yōu)于現(xiàn)有系統(tǒng)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為穩(wěn)像系統(tǒng)工作原理示意圖；
[0028]圖2為采用本發(fā)明方法的穩(wěn)像系統(tǒng)組成框圖；
[0029]圖3為本發(fā)明方法的流程圖；
[0030]圖4為本發(fā)明的跟蹤窗口選擇示意圖。【具體實(shí)施方式】
[0031]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0032]如圖2示出本發(fā)明方法所采用多窗口跟蹤的穩(wěn)像系統(tǒng)。該穩(wěn)像系統(tǒng)由開(kāi)窗探測(cè)相機(jī)、計(jì)算控制單元、擺鏡驅(qū)動(dòng)器、擺鏡和計(jì)算機(jī)監(jiān)控單元組成的穩(wěn)像系統(tǒng)，其中:
[0033]開(kāi)窗探測(cè)相機(jī)，用于在穩(wěn)像跟蹤前的單一窗口大視場(chǎng)成像和穩(wěn)像跟蹤時(shí)的多窗口小視場(chǎng)成像，采用高速CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)相機(jī)或具有多窗口開(kāi)窗功能的(XD(電荷耦合元件)相機(jī)，開(kāi)窗探測(cè)相機(jī)分辨率達(dá)到1280X 1024像素，輸出幀頻500幀/秒，并可根據(jù)用戶(hù)需要設(shè)置相機(jī)輸出圖像的大小、位置和幀頻，開(kāi)窗探測(cè)相機(jī)將探測(cè)到的數(shù)字圖像信號(hào)(單窗口大視場(chǎng)圖像或多窗口小視場(chǎng)圖像)傳輸?shù)接?jì)算控制單元的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)和數(shù)據(jù)處理器(DSP)，并接收來(lái)自計(jì)算控制單元的相機(jī)控制指令；
[0034]計(jì)算控制單元是由現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)、數(shù)據(jù)處理器(DSP)和DA轉(zhuǎn)換器組成，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列與數(shù)據(jù)處理器連接，DA轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)處理器連接。計(jì)算控制單元分別與開(kāi)窗探測(cè)相機(jī)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控單元和擺鏡驅(qū)動(dòng)器連接，用于接收開(kāi)窗探測(cè)相機(jī)輸出的大視場(chǎng)圖像，由圖像特征函數(shù)優(yōu)選多個(gè)跟蹤窗口，設(shè)定開(kāi)窗探測(cè)相機(jī)小視場(chǎng)成像窗口并接收小視場(chǎng)圖像，對(duì)多跟蹤窗口進(jìn)行相關(guān)計(jì)算再加權(quán)得到探測(cè)焦面上圖像的運(yùn)動(dòng)量，穩(wěn)像跟蹤過(guò)程中根據(jù)各窗口相關(guān)系數(shù)的變化修改加權(quán)系數(shù)，由伺服控制器得到擺鏡的位置控制數(shù)字量，并由DA轉(zhuǎn)換成模擬數(shù)據(jù)輸出到擺鏡驅(qū)動(dòng)器，計(jì)算控制單元將開(kāi)窗探測(cè)相機(jī)輸出圖像的大小、位置和幀頻的相機(jī)工作模式控制指令經(jīng)計(jì)算控制單元的DSP后到FPGA再傳輸?shù)介_(kāi)窗探測(cè)相機(jī)，穩(wěn)像跟蹤時(shí)計(jì)算控制單元的DSP將擺鏡的位置控制數(shù)字量輸出到DA并轉(zhuǎn)換成擺鏡位置控制電壓模擬量輸出到擺鏡驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)接收到的計(jì)算機(jī)監(jiān)控單元的監(jiān)控指令，計(jì)算控制單元的DSP還將計(jì)算控制單元的伺服控制器參數(shù)等狀態(tài)信息輸出到計(jì)算機(jī)監(jiān)控單元；
[0035]擺鏡驅(qū)動(dòng)器，將計(jì)算控制單元輸出的擺鏡位置控制電壓模擬量放大為擺鏡驅(qū)動(dòng)電壓模擬量輸出到擺鏡，采用市場(chǎng)上供應(yīng)的擺鏡驅(qū)動(dòng)器；
[0036]擺鏡，由擺鏡驅(qū)動(dòng)器輸出的擺鏡驅(qū)動(dòng)電壓模擬量驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)以減小成像光軸的抖動(dòng)達(dá)到穩(wěn)像的目的，采用市場(chǎng)上供應(yīng)的擺鏡平臺(tái)，擺鏡鏡片為自研產(chǎn)品，口徑由成像光學(xué)系統(tǒng)決定;
[0037]計(jì)算機(jī)監(jiān)控單元，與計(jì)算控制單元相連，用于監(jiān)控穩(wěn)像系統(tǒng)工作狀態(tài)，采用Windows操作系統(tǒng)的商業(yè)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控單元可根據(jù)監(jiān)控內(nèi)容(穩(wěn)像系統(tǒng)控制器參數(shù)等)輸出監(jiān)控計(jì)算控制單元的監(jiān)控指令到計(jì)算控制單元，并接收計(jì)算控制單元返回的監(jiān)控信息。
[0038]本發(fā)明方法在該穩(wěn)像系統(tǒng)中的具體實(shí)現(xiàn)步驟如圖3所示。
[0039]步驟1:啟動(dòng)穩(wěn)像系統(tǒng)所有組件:開(kāi)窗探測(cè)相機(jī)、計(jì)算控制單元、擺鏡驅(qū)動(dòng)器、擺鏡和計(jì)算機(jī)監(jiān)控單元，系統(tǒng)進(jìn)入窗口搜索模式；
[0040]開(kāi)窗探測(cè)相機(jī)為單一窗口大視場(chǎng)成像輸出模式，幀頻設(shè)置為flOT，單位為幀每秒，200 ( flow ( 500 ;接收目標(biāo)場(chǎng)景的光信號(hào)，目標(biāo)場(chǎng)景的光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換產(chǎn)生目標(biāo)場(chǎng)景大視場(chǎng)數(shù)字圖像I，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為大視場(chǎng)圖像I。大視場(chǎng)圖像I長(zhǎng)度為A個(gè)像素、寬度為B個(gè)像素。[0041]步驟2:根據(jù)設(shè)定跟蹤窗口尺寸和選取跟蹤窗口的圖像特征，選取穩(wěn)像系統(tǒng)穩(wěn)像跟蹤時(shí)的多個(gè)跟蹤窗口。
[0042]圖4示出跟蹤窗口選取示意圖，確定跟蹤窗口長(zhǎng)度為P個(gè)像素、跟蹤窗口寬度為Q個(gè)像素，其中P〈A、Q<B ;如圖4虛線(xiàn)所示，將大視場(chǎng)圖像I分割為Nwindtjw個(gè)跟蹤窗口大小的小視場(chǎng)圖像；以序列號(hào)標(biāo)識(shí)每個(gè)小視場(chǎng)圖像，如圖4中數(shù)字所示;第i個(gè)小視場(chǎng)圖像表示為Wi, i為小視場(chǎng)圖像的序列號(hào)，i = 1,2,……，Nwindtjw ;圖4中第i個(gè)小視場(chǎng)圖像Wi左上角第一個(gè)像素在大視場(chǎng)圖像I中的坐標(biāo)為(aybj，用以表示第i個(gè)小視場(chǎng)圖像Wi的位置，ai，bi是坐標(biāo)(ai； bi)的坐標(biāo)點(diǎn)。
[0043]選用能夠描述小視場(chǎng)圖像內(nèi)容且計(jì)算量小、抗噪聲干擾能力強(qiáng)的圖像特征算子S，計(jì)算各小視場(chǎng)圖像的特征值，如公式(I)~(4)示出:
[0044]
【權(quán)利要求】
1.一種多窗口跟蹤的穩(wěn)像方法，該方法包括步驟如下: 步驟S1:獲取目標(biāo)場(chǎng)景的大視場(chǎng)圖像； 步驟S2:根據(jù)設(shè)定跟蹤窗口尺寸和選取跟蹤窗口的圖像特征，獲取穩(wěn)像跟蹤時(shí)的多個(gè)跟蹤窗口 ； 步驟S3:對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景再次成像，獲得并存儲(chǔ)每個(gè)跟蹤窗口的窗口圖像，并將每個(gè)窗口圖像作為參考圖像； 步驟S4:更新每個(gè)跟蹤窗口的窗口圖像，獲取并對(duì)當(dāng)前窗口圖像與參考圖像進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)計(jì)算，得到相關(guān)峰值的位置，獲得每個(gè)窗口圖像偏移量； 步驟S5:利用每個(gè)窗口圖像的相關(guān)峰值的變化情況，獲得每個(gè)窗口圖像的加權(quán)系數(shù)，并對(duì)每個(gè)窗口圖像偏移量進(jìn)行加權(quán)處理，得到成像光學(xué)系統(tǒng)焦平面圖像整體偏移量； 步驟S6:利用每個(gè)窗口圖像偏移量的統(tǒng)計(jì)特性，判斷成像光學(xué)系統(tǒng)的焦平面圖像整體偏移量是否為有效偏移量，如果焦平面圖像整體偏移量有效，則執(zhí)行步驟S7，如果焦平面圖像整體偏移量無(wú)效，則執(zhí)行步驟SI ； 步驟S7:利用伺服控制器將有效焦平面圖像偏移量轉(zhuǎn)換成成像光學(xué)系統(tǒng)中擺鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的位置控制量，并將位置控制量轉(zhuǎn)換成模擬量； 步驟S8:根據(jù)模擬量控制擺鏡驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)成像光學(xué)系統(tǒng)中的擺鏡偏轉(zhuǎn)；重復(fù)步驟S4?步驟S8，直至成像光學(xué)系統(tǒng)完成高分辨率圖像成像。
2.如權(quán)利要求1所述的多窗口跟蹤的穩(wěn)像方法，其特征在于，利用開(kāi)窗探測(cè)相機(jī)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景成像，以低幀頻得到目標(biāo)場(chǎng)景的大視場(chǎng)圖像，以高幀頻得到穩(wěn)像跟蹤時(shí)的多個(gè)跟蹤窗口的窗口圖像。
3.如權(quán)利要求2所述的多窗口跟蹤的穩(wěn)像方法，其特征在于，獲取穩(wěn)像跟蹤時(shí)的多個(gè)跟蹤窗口的步驟包括:根據(jù)設(shè)定跟蹤窗口尺寸和選取跟蹤窗口的圖像特征，將大視場(chǎng)圖像分割成多個(gè)跟蹤窗口大小的圖像，記錄各跟蹤窗口的位置并計(jì)算各跟蹤窗口中的圖像特征值，根據(jù)圖像特征值的統(tǒng)計(jì)特性設(shè)定跟蹤窗口選取閾值，選出穩(wěn)像跟蹤時(shí)的多個(gè)跟蹤窗口。
4.如權(quán)利要求1所述的多窗口跟蹤的穩(wěn)像方法，其特征在于，所述當(dāng)前窗口圖像與參考圖像進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)計(jì)算是找出函數(shù)最大值的位置，并用該函數(shù)最大值的位置周?chē)幕ハ嚓P(guān)函數(shù)值進(jìn)行曲面擬合，擬合得到的曲面最大值為相關(guān)峰值，相關(guān)峰值表示當(dāng)前圖像與參考圖像的相似程度，相關(guān)峰值所在位置表示當(dāng)前圖像與參考圖像之間的偏移量。
5.如權(quán)利要求1所述的多窗口跟蹤的穩(wěn)像方法，其特征在于，所述成像光學(xué)系統(tǒng)焦平面圖像整體偏移量是各窗口圖像偏移量的加權(quán)和，互相關(guān)峰值變化慢的窗口圖像的加權(quán)系數(shù)大，變化快的窗口圖像的加權(quán)系數(shù)小，當(dāng)相關(guān)峰值變化速率超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，加權(quán)系數(shù)變?yōu)镺。
【文檔編號(hào)】H04N5/232GK104010130SQ201410185423
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】姜愛(ài)民, 戴妍峰, 王景宇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)