专利名称：航空全帧转移型面阵ccd相机像移补偿方法
技术领域：
本发明属于摄影测量技术领域，涉及全帧转移型面阵CCD相机在航空摄影测量中的应用，具体涉及一种航空全帧转移型面阵CCD相机运动像移的补偿方法。
背景技术：
航空摄影的一个主要特点是要求在相机与景物间存在运动时拍摄成像。对于航空面阵相机，如果不对像移进行补偿，将造成拍摄图像的模糊。目前，面阵相机航空摄影的像移补偿主要采用机械式补偿方式，如采用摆镜的光学补偿、采用在曝光时间内移动像面的机电补偿、整个相机点头式补偿等等。这种机械式补偿方式需要在航空相机上设计一套复杂的机电控制系统，以跟踪飞机运动模态。由于飞机在空中运动不易精确控制，机械式补偿一直存在结构复杂，成本高，补偿精度低等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服航空摄影中机械式像移补偿的缺点，针对全帧转移型面阵CCD相机提出一种新的纯电学像移补偿方法，不仅能获得清晰的航拍图像，而且还可降低面阵航空相机研制成本和复杂程度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是本发明航空全帧转移型面阵CCD相机像移补偿方法，包括以下步骤通过成像单元的相机镜头和快门获取地表景物信息，采集到全帧转移型CCD芯片中，形成图像，输入到FPGA模块；同时从飞控系统中获得相机曝光时的飞行状态参数，输入到FPGA模块；由FPGA模块对采集到的上述数据进行处理，处理步骤包括计算出CCD图像的像移动量，并通过全帧图像转移保持在曝光时间内景物与CCD图像间相对静止，得到最终图像；
由FPGA控制CCD通过接口将最终图像按数字图像方式输出清晰图像，实现像移补偿。
本发明是通过对相机像元移动来完成像移补偿，其航空摄影电子像移原理为地面景物经过相机镜头成像在相机的CCD焦面上，在曝光时间内，飞机一直在保持飞行状态，不同景物就会在CCD焦面上产生混叠，导致图像模糊。只有在飞行过程中，CCD焦面上的图像也随着飞行方向同步运动，才能保证同一个景物在CCD上的像的位置是固定的。这就是面阵相机电子像移的基本思想，利用电子像移技术可以补偿运动的不同步导致的图像模糊。
本发明的有益效果是，本发明航空全帧转移型面阵CCD相机像移补偿方法是由FPGA模块实现的全电子补偿，结构简单，可极大地降低面阵航空相机研制成本，提高可靠性；另外，采用FPGA作为控制模块，可以方便地实现曝光补偿、边缘处理和凝视补偿等功能。采用多相驱动方式，可以使本发明的电子补偿精度达到亚像素级，在飞机运动中得到高清晰图像。
图1为根据本发明针对全帧转移型面阵CCD相机的电子像移补偿示例性方法的原理框图。
图2为多相驱动原理框图。
图3为“丢失”像元曝光补偿原理示意图。
具体实施例方式
下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明的成像单元由镜头、快门和CCD芯片组成。其中镜头采用航空专业镜头，可以适应飞行高度和振动冲击等恶劣环境变化。CCD芯片采用全帧转移型大面阵CCD芯片，可以满足大幅面高分辨率的航空摄影要求。快门由机械快门和电子快门组合构成，机械快门可以保证一帧图像拍摄结束后，继续进行转移操作不会影响本帧图像的质量，电子快门可以提供高精度的曝光量控制，同时实现自动光照条件适应。成像单元通过镜头和快门将地面景物映射到CCD靶面上，形成图像，输入到FPGA模块。
从飞机上的飞控系统提供飞机的速高比和姿态信息，也同时输入到FPGA模块。
由FPGA处理模块对采集到的上述数据进行综合计算，确定像移参数，然后分步驱动CCD芯片实现像移补偿，得到最终图像。最终图像由FPGA控制CCD通过接口按数字图像方式输出。
FPGA模块的处理步骤还包括飞行参数输入从飞控系统中获得相机曝光时飞机的准确飞行速高比和飞行姿态，以保证FPGA控制模块可以根据飞机速高比确定在曝光时间内像元电荷包移动速度、CCD行频、需移动的行数等参数。进一步控制全帧转移型CCD的像元电荷包移动速度等于实际的像移速度，达到像元电荷包在相邻两次运动间的曝光时间(积分时间或行周期)同步的效果。
像移参数计算和多相驱动根据输入的速高比参数实时计算CCD像元移动速度、方向，并改变行频的码频转换单元，控制行同步驱动电路，实现变频驱动的功能。像移采用多相驱动模式，可以达到亚像素的补偿精度，提高同步精度，以得到高清晰图像。
参见图2，为了使像元电荷包移动速度等于实际的像移速度，必须实时从飞机的导航仪引入飞行速度和高度数据，实时进行速高比V/H计算，并根据V/H确定在曝光时间内像元电荷包移动速度、CCD行频、需移动的行数。像移补偿公式为FΦ＝Fm/CmcCmc＝K*V/H*Fm式中FΦ为驱动单元给出的像移补偿信号频率；Fm为CCD驱动单元内部采用的主时钟；Cmc为对Fm的计数值；K为常量，只与镜头焦距和多相驱动模式有关，不需要改变；V/H为飞机的飞行速高比。
在系统中，CCD驱动逻辑由FPGA产生，与飞机导航系统接口以及Cmc的计算都由MCU完成。MCU通过接口将计算得到的Cmc写入FPGA，FPGA根据Cmc计数给出像移补偿时钟。
曝光补偿由快门开关测量和补偿算法组成。由于相机的曝光时间是由机械快门和电子快门共同决定的，而机械快门的稳定性和准确性比较差，需要在相机的成像单元中增加快门开关信号的测量单元。同时补偿非行周期的整数倍曝光导致的残余像移量，进一步提高成像质量。
“丢失”像元处理即边沿处理，用于处理曝光时间内电菏包移动中丢失的图像行，根据补偿曝光的精度和图像对比度信息，确定需要舍去的图像行数。如果不允许数据舍去，采取灰度平衡和曝光控制方法进行补偿。
参见图3，“丢失”像元曝光补偿是对不能丢弃像移补偿的边缘像素而进行的曝光量补偿。在CCD曝光时间之内，图像前端和后端的曝光量与图像中间是不一样的，由于在曝光时间内不断进行像移计算，图像中间曝光量最大，边缘两端线形减少。整个图像的曝光量曲线如图3所示。如果前后边沿的以外的图像不能丢弃，必须将它们的亮度线性增加一个倍数，才能与中间图像的亮度拼合到一起。这个过程由FPGA在数字域中自动完成。补偿后两端曝光时间曲线如图中虚线所示，达到曝光补偿的目的。
凝视处理针对特定的航空测量中需要长时间瞄准地面固定点的情况，设计了凝视补偿算法，在相对较长的时间内，可以进行多次曝光，并进行连续像移补偿。
经过上述诸处理步骤后，实现了多相高精度像移控制，保证飞行中的航拍图像质量。
本发明的特定实施例已给出了航空全帧转移型面阵CCD相机像移补偿方法的附图及其详细说明，对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明的工作原理和应用前提下对它所做的任何显而易见的改动，都不会超出本申请说明书描述和所附权利要求限定的保护范围。
权利要求
1.一种航空全帧转移型面阵CCD相机像移补偿方法，其特征在于，包括以下步骤通过成像单元的相机镜头和快门获取地表景物信息，采集到全帧转移型CCD芯片中，形成图像，输入到FPGA模块；同时从飞控系统中获得相机曝光时的飞行状态参数，输入到FPGA模块；由FPGA模块对采集到的上述数据进行处理，处理步骤包括计算出CCD图像的像移动量，并通过全帧图像转移保持在曝光时间内景物与CCD图像间相对静止，得到最终图像；由FPGA控制CCD通过接口将最终图像按数字图像方式输出清晰图像，实现像移补偿。
2.根据权利要求1所述的航空全帧转移型面阵CCD相机像移补偿方法，其特征在于，所述的FPGA模块的处理步骤还包括从飞控系统中获得相机曝光时飞机的准确飞行速高比和飞行姿态，根据飞机速高比确定在曝光时间内像元电荷包移动速度、CCD行频、需移动的行数，进一步控制全帧转移型CCD的像元电荷包移动速度等于实际的像移速度，达到像元电荷包在相邻两次运动间的曝光时间，如积分时间或行周期，同步的效果。
3.根据权利要求2所述的航空全帧转移型面阵CCD相机像移补偿方法，其特征在于，还包括步骤根据输入的速高比参数实时计算CCD像元移动速度、方向，并改变行频的码频转换单元，控制行同步驱动电路，实现变频驱动的功能，像移采用多相驱动模式。
4.根据权利要求3所述的航空全帧转移型面阵CCD相机像移补偿方法，其特征在于，像移补偿公式为FΦ＝Fm/CmcCmc＝K*V/H*Fm式中FΦ为驱动单元给出的像移补偿信号频率；Fm为CCD驱动单元内部采用的主时钟；Cmc为对Fm的计数值；K为常量，只与镜头焦距和多相驱动模式有关，不需要改变；V/H为飞机的飞行速高比。
5.根据权利要求3所述的航空全帧转移型面阵CCD相机像移补偿方法，其特征在于，还包括步骤在相机的成像单元中增加快门开关信号的测量单元，同时补偿非行周期的整数倍曝光导致的残余像移量。
6.根据权利要求5所述的航空全帧转移型面阵CCD相机像移补偿方法，其特征在于，还包括边沿处理步骤针对在曝光时间内电菏包移动中丢失的图像行，根据补偿曝光的精度和图像对比度信息，确定需要舍去的图像行数，如果不允许数据舍去，采取灰度平衡和曝光控制方法进行补偿。
7.根据权利要求6所述的航空全帧转移型面阵CCD相机像移补偿方法，其特征在于，还包括步骤针对特定的航空测量中需要长时间瞄准地面固定点的情况，设计了凝视补偿算法，在相对较长的时间内，可以进行多次曝光，并进行连续像移补偿。
全文摘要
本发明公开一种航空全帧转移型面阵CCD相机像移补偿方法，采用机械快门与电子快门相结合，并根据飞机速高比改变CCD行频驱动的纯电学像移补偿方法，完成航空摄影中的像移补偿。与常规机械式补偿技术相比，极大地降低了面阵航空相机研制成本和复杂程度。在像移补偿中，充分考虑了飞行姿态和曝光抖动，及凝视模态等影响，以增强补偿效果。补偿电路采用多相驱动方式，可以使电子补偿精度达到亚像素级，进一步提高图像清晰度。
文档编号G01C11/02GK101078622SQ20071011766
公开日2007年11月28日 申请日期2007年6月21日 优先权日2007年6月21日
发明者徐磊, 谢森, 朱敏 申请人:北京凌云光视数字图像技术有限公司