人控交會對接攝像機調(diào)光算法設(shè)計與驗證方法研究

高偉，任焜，張強，劉宗玉，王志毅，李婷，楊林芳

(北京控制工程研究所，北京100094)

人控交會對接攝像機調(diào)光算法設(shè)計與驗證方法研究

高偉，任焜，張強，劉宗玉，王志毅，李婷，楊林芳

(北京控制工程研究所，北京100094)

航天器人控交會對接過程中，空間光照環(huán)境極為復(fù)雜.攝像機作為最主要的相對測量敏感器，需要設(shè)計合理的調(diào)光算法以適應(yīng)各種工況.詳細分析了航天器的空間光照環(huán)境，針對人控交會對接的場景特點，對基于直方圖的自動調(diào)光算法提出了改進措施，并提出了全面的地面驗證測試方法，證明了改進后的直方圖自動調(diào)光算法的合理性.

交會對接;攝像機;調(diào)光算法

0 引言

空間交會對接的在軌實現(xiàn)手段有自動交會對接和人控交會對接兩種［1］，其中，人控交會對接主要通過航天員控制追蹤器來完成兩個航天器的對接任務(wù)，是自動交會對接的重要備份手段.

在人控交會對接過程中，攝像機是最主要的相對測量敏感器，航天員主要通過觀察攝像機圖像，來判斷兩飛行器間的相對位置和姿態(tài)信息［2］.由于空間光照環(huán)境極為復(fù)雜，對于攝像機這種對光照條件敏感的光學(xué)成像敏感器，為了保證能夠滿足在軌對接時的觀察與測量要求，需在設(shè)計時認真考慮其調(diào)光適應(yīng)能力，并在地面測試時進行充分驗證.

1 空間光照條件分析

考慮到對接工況在不同空間光照環(huán)境的巨大差異，本文從空間交會對接在陽照區(qū)和陰影區(qū)兩種不同工況來分析.

1.1 陽照區(qū)工況

陽照區(qū)的主要照明光源是太陽光，可以近似為平行光，最大照度為1個太陽常數(shù)(即110000 lux).航天器在軌所處為真空環(huán)境，不存在光的散射現(xiàn)象，在太陽強光照射下，只有目標(biāo)器被照得非常亮，而整個太空仍為黑背景.

在交會對接相對遠距離位置，目標(biāo)器的張角很小，在追蹤器安裝的攝像機圖像上，僅為一個很小的亮點，圖像的絕大部分區(qū)域呈接近像素最低亮度分辨率的黑色.隨著距離逐漸拉近，目標(biāo)器在圖像中所占的比例越來越大，尤其在最近階段(10 m以內(nèi))，隨著相對距離的減小，目標(biāo)器在圖像中所占區(qū)域會急速加大，白平衡發(fā)生劇烈變化，在此情況下，若要求航天員準(zhǔn)確判斷目標(biāo)器的相對姿態(tài)和位置信息，就要求攝像機必須能夠自動調(diào)整好圖像亮度，使航天員能清晰辨識出整個目標(biāo)器以及對接目標(biāo)的局部細節(jié).

攝像機在最后靠攏階段的成像質(zhì)量如何，直接影響整個對接任務(wù)的成敗.而此時攝像機所拍攝的場景更為復(fù)雜，根據(jù)太陽光與航天器相對位置的不同，可以分為太陽光照射目標(biāo)器或追蹤器兩種情況.

(1)太陽光照射目標(biāo)器

在目標(biāo)器對接口附近，分布有各種交會對接合作目標(biāo)、對接機構(gòu)、發(fā)動機、艙口等多種材料、面積、形狀不同的反射物，并且在對接的最后階段，攝像機視場將被這些異行體所構(gòu)成的目標(biāo)器充滿.在這些復(fù)雜背景中，十字靶標(biāo)為攝像機的合作目標(biāo)，用于人控交會對接近距離位置的相對信息判斷，可能被太陽光以不同的角度照射.對于其他合作目標(biāo)和對接機構(gòu)，當(dāng)表面與太陽光呈特定角度時，有可能形成比較強的反射源.這就要求攝像機能夠剔除干擾，清晰地識別出十字靶標(biāo).

(2)太陽光照射追蹤器

為抑制空間環(huán)境的雜光干擾，攝像機設(shè)計了一個比較大的遮光罩.當(dāng)太陽光與攝像機光軸的夾角較大時，對成像效果基本不會造成影響;但當(dāng)太陽光進入攝像機抑制角內(nèi)，就有可能導(dǎo)致成像效果變差.此時，需要對攝像機的雜光抑制能力進行摸底，從而明確能夠?qū)嵤┤丝亟粫拥拇翱跅l件.

1.2 陰影區(qū)工況

在陰影區(qū)，航天器處于一種真空、無光照的環(huán)境，為了能夠?qū)嵤┤丝亟粫硬僮?，設(shè)計了兩臺交會燈，分別安裝于攝像機兩側(cè)來照亮目標(biāo).

交會燈為一組LED發(fā)光陣列，有一定的發(fā)光角，兩臺燈合成之后也僅能照亮有限的區(qū)域，能夠照亮的最近距離與交會燈的發(fā)光角及相對安裝位置有關(guān).在進行航天器安裝布局設(shè)計時，需考慮上述情況，保證始終能夠照亮靶標(biāo).

另外，交會燈的光強與太陽光相比要弱得多，并且與相對距離的平方成反比關(guān)系，距離越遠的位置光強越弱，有可能出現(xiàn)遠距離攝像機無法識別目標(biāo)的情況.同時，在陰影區(qū)整個交會對接過程中，交會燈照到目標(biāo)上的光強始終處于變化狀態(tài)，最大與最小光強相比相差幾個數(shù)量級，攝像機需適應(yīng)上述大范圍的光強變化.

2 調(diào)光算法設(shè)計

為了在上述光強變化范圍大、反射條件復(fù)雜等空間光照環(huán)境下，攝像機能夠清晰成像，就需要設(shè)計足夠智能的調(diào)光算法，對各種工況快速做出反應(yīng)，保證成像質(zhì)量.

日常生活中所使用的普通數(shù)碼相機，主要通過調(diào)整光圈口徑大小和快門速度(即曝光時間)來達到清晰成像的目的［3］.函數(shù)關(guān)系可以表示為［4］

其中，EV為曝光值，A為光圈大小，T為曝光時間.

人控交會對接用攝像機，從在軌實際應(yīng)用的可靠性和產(chǎn)品小型化考慮，不適宜配置可調(diào)整光圈口徑的活動部件，能調(diào)節(jié)的僅為曝光時間.可通過調(diào)光算法的軟件設(shè)計，控制探測器的積分時間及增益，利用電子快門來調(diào)節(jié)曝光時間，實現(xiàn)調(diào)光操作.在具體算法實現(xiàn)上分為自動調(diào)光和手動調(diào)光兩種方式.

2.1 自動調(diào)光算法設(shè)計

自動調(diào)光方式能夠根據(jù)外部光照條件的變化，自動調(diào)整探測器的積分時間及增益，將圖像調(diào)整至比較適宜的亮度，達到自動曝光的目的.

自動調(diào)光算法包括直方圖算法、光子計數(shù)算法和模糊邏輯算法等，目前工程中常用的為基于直方圖的自動調(diào)光算法.基本思想是根據(jù)圖像的亮度直方圖信息計算當(dāng)前圖像亮度的加權(quán)均值，再將此加權(quán)均值與預(yù)設(shè)參考值比較來輸出曝光控制量，從而實現(xiàn)攝像機的自動曝光控制［5］.

這種方法適用于場景亮度均勻，沒有干擾的情況，當(dāng)背景與目標(biāo)的亮度差異較大時，這種方法不能對其很好地調(diào)光，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了很多的研究［6-8］.為使該自動調(diào)光算法適用于人控交會對接攝像機，本文提出如下3個方面的改進措施:

2.1.1 區(qū)域分割及權(quán)重分配

人控交會對接攝像機的視場一般為幾十度，通過拍攝得到一副一定比例的矩形圖像.而航天器的對接走廊相對較小，正常情況下目標(biāo)應(yīng)處于攝像機視場的中心區(qū)域.

在進行加權(quán)均值計算時，將圖像進行如下圖所示的區(qū)域劃分.其中，中心菱形區(qū)域所占權(quán)重較大，周邊四個三角區(qū)域所占權(quán)重較小.

核心是將圖像進行區(qū)域分割，并在計算加權(quán)均值時為各區(qū)域分配特定的權(quán)值，將曝光重點放在用戶感興趣區(qū)域，降低不感興趣區(qū)域所占的比重，達到優(yōu)化圖像亮度效果的目的.通過上述區(qū)域分割和權(quán)重分配，可以讓調(diào)光操作的針對性比較強，使目標(biāo)能夠主導(dǎo)整幅圖像的調(diào)光效果.

2.1.2 干擾物剔除策略

最后靠攏段，攝像機的拍攝對象為十字靶標(biāo)，靶標(biāo)的十字架和圓盤刻度線涂有白漆，其余的表面涂有黑色消光漆.正常光照條件下，靶標(biāo)圖像不會出現(xiàn)過亮的情況.為了剔除對接過程中的雜光干擾，在計算當(dāng)前圖像亮度加權(quán)均值時，剔除強反射率的目標(biāo).

同時，在人控交會對接的中、遠距離，存在大面積的太空黑背景，如果其參與計算過程，勢必拉低整幅圖像的加權(quán)均值，而這部分信息對于目標(biāo)辨識而言是沒有意義的，也需要在計算時剔除.

具體算法實現(xiàn)時，可以設(shè)定亮度的上限和下限閾值.在計算亮度加權(quán)均值時，如果采集點的亮度超出該閾值區(qū)間便加以舍棄，不參與加權(quán)均值的計算過程.

2.1.3 變步長調(diào)整方式

為防止調(diào)光前后圖像亮度突變的情況，可采取變步長的調(diào)整方式，根據(jù)當(dāng)前圖像亮度的加權(quán)均值與預(yù)設(shè)參考值的誤差大小分段選取調(diào)光步長，具體計算公式如下:

其中，Tnew為下一拍曝光時間，Tnow為當(dāng)前的曝光時間，Ddes為設(shè)定的參考值，Dmea為當(dāng)前圖像亮度的加權(quán)均值.當(dāng)亮度誤差小于一定值時，認為自動曝光調(diào)整到位，否則繼續(xù)進行調(diào)整，增加或減少步長.變步長調(diào)整方式，可以使圖像的調(diào)光過程比較柔和，便于航天員觀看.

2.2 手動調(diào)光算法設(shè)計

為了確保在軌交會對接時的攝像機正常清晰成像，設(shè)計手動調(diào)光方式作為自動調(diào)光的備份手段.手動調(diào)光是依靠人為操作來調(diào)整攝像機探測器的積分時間和增益，達到清晰成像的目的.

需要預(yù)先設(shè)定好一定的調(diào)光步長，每操作一次“調(diào)光增”或“調(diào)光減”按鍵，執(zhí)行一次調(diào)光操作.

相比于自動調(diào)光算法，手動調(diào)光完全決定于人員的操作，機動靈活程度更高.當(dāng)突發(fā)場景靠自動調(diào)光無法適應(yīng)時，可借助手動調(diào)光進行干預(yù).

3 調(diào)光適應(yīng)性驗證方法

充分的地面測試是產(chǎn)品在軌性能正常的重要保證，因此，在保證設(shè)計正確的同時，必須要設(shè)計全面細致、合理可行的地面方案進行驗證［9］.

本次驗證主要通過設(shè)備模擬各種空間光照環(huán)境，對攝像機的調(diào)光適應(yīng)性進行驗證.為模擬交會對接的場景特點，需建立兩個大型的目標(biāo)轉(zhuǎn)臺和追蹤轉(zhuǎn)臺，分別與目標(biāo)器和追蹤器的對接面口徑相當(dāng).按照真實的相對位置，將合作目標(biāo)、對接機構(gòu)等設(shè)備安裝于目標(biāo)轉(zhuǎn)臺，將攝像機、交會燈安裝于追蹤轉(zhuǎn)臺.

3.1 自動調(diào)光算法驗證

3.1.1 陽照區(qū)

可利用太陽模擬器(簡稱太模)模擬陽照區(qū)的主要照明光源，需保證被照位置處的照度為一個太陽常數(shù)，交會燈作為輔助光源處于常亮狀態(tài).

下面分別針對太陽光照射目標(biāo)器和照射追蹤器兩個不同的場景來設(shè)計測試工況.

3.1.1.1 太陽光照射目標(biāo)器

使太模照射目標(biāo)轉(zhuǎn)臺，針對這種情況設(shè)計具體工況如下:

a)以航天器的軌道條件為輸入，使太陽光以不同角度照射目標(biāo)轉(zhuǎn)臺，驗證這種情況下攝像機自動調(diào)光的適應(yīng)能力;

b)太陽光被追蹤器帆板持續(xù)遮擋，導(dǎo)致十字靶標(biāo)部分被太陽光照亮，驗證攝像機所成靶標(biāo)圖像是否出現(xiàn)亮度不一致情況;

c)太陽光被追蹤器帆板瞬間遮擋并迅速移開，驗證此動態(tài)過程中攝像機的快速恢復(fù)能力.

上述幾種工況均無需改變目標(biāo)轉(zhuǎn)臺和追蹤轉(zhuǎn)臺的相對位置關(guān)系.為驗證對接距離由遠及近過程中，目標(biāo)由小變大的動態(tài)效果，設(shè)計下列工況:

d)太陽光照射目標(biāo)轉(zhuǎn)臺情況下，使追蹤轉(zhuǎn)臺按照真實對接速度從遠距離位置逐漸接近目標(biāo)轉(zhuǎn)臺，驗證整個過程中攝像機能否適應(yīng)目標(biāo)場景的變化.

3.1.1.2 太陽光照射追蹤器

使太模照射追蹤轉(zhuǎn)臺，針對這種情況設(shè)計具體工況如下:

a)太陽光在攝像機視場的水平、垂直和兩個對角方向進行掃描，觀察進入和移出時刻能夠清晰成像的太模與攝像機的臨界夾角，驗證攝像機的雜光抑制能力;

b)太陽光從十字靶標(biāo)后面投射至攝像機，造成逆光成像效果，驗證在交會燈的照射下攝像機逆光成像的能力;

c)太陽光進入攝像機視場并迅速移出，驗證攝像機的快速恢復(fù)能力;

d)太陽光被目標(biāo)器帆板瞬間遮擋并迅速移開，驗證此動態(tài)過程中攝像機的快速恢復(fù)能力.

上述幾種工況也無需改變目標(biāo)轉(zhuǎn)臺和追蹤轉(zhuǎn)臺的相對位置關(guān)系.另外，為驗證目標(biāo)由小變大的動態(tài)效果，設(shè)計下列工況:

e)太陽光照射追蹤轉(zhuǎn)臺情況下，使追蹤轉(zhuǎn)臺按照真實對接速度從遠距離位置逐漸接近目標(biāo)轉(zhuǎn)臺，驗證整個過程中攝像機能否適應(yīng)目標(biāo)場景的變化.這個工況下，太模需跟隨追蹤轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動，保證追蹤轉(zhuǎn)臺始終被太陽光照射.

3.1.2 陰影區(qū)

選取避光試驗室環(huán)境，并關(guān)閉室內(nèi)所有照明光源來模擬陰影區(qū)工況.針對這種情況設(shè)計工況如下:

a)以航天器交會對接條件為輸入，使交會燈以不同角度照射目標(biāo)，驗證這種情況下攝像機自動調(diào)光的適應(yīng)能力;

b)在人控交會對接最遠距離位置，置一個低照度(與攝像機最低成像閾值相當(dāng))的小目標(biāo)，驗證攝像機對遠距離低照度小目標(biāo)的識別能力;

c)追蹤轉(zhuǎn)臺按照真實對接速度從遠距離位置逐漸接近目標(biāo)轉(zhuǎn)臺，這個過程中光強逐漸增強，驗證攝像機能否適應(yīng)目標(biāo)場景的變化.

3.2 手動調(diào)光算法驗證

為驗證手動調(diào)光算法，設(shè)計具體工況如下:

將一強反射率物體置于攝像機視場，改變物體與太陽光間的相對夾角直至產(chǎn)生鬼像，再進行手動調(diào)光操作，驗證手動調(diào)光的干預(yù)能力.

4 驗證結(jié)果

針對改進后的基于直方圖自動調(diào)光算法設(shè)計的攝像機，開展調(diào)光適應(yīng)性驗證試驗，試驗結(jié)果表明:

(1)當(dāng)太陽光照射目標(biāo)器時，太陽光以不同角度照射目標(biāo)，攝像機靠自動調(diào)光均能適應(yīng)，成像清晰;當(dāng)靶標(biāo)被太陽光部分照亮?xí)r，攝像機依靠交會燈的照射，靶標(biāo)成像清晰;對于瞬間遮擋的情況，攝像機圖像能夠迅速恢復(fù)正常;相對距離由遠及近的動態(tài)接近過程中，攝像機能夠適應(yīng)目標(biāo)場景的變化.具體成像效果如下圖所示(左為寬視場，右為窄視場):

圖2 太陽光照射目標(biāo)器成像效果Fig.2Imaging effects of the target in sunlight

(2)當(dāng)太陽光照射追蹤器時，太陽光在雜光抑制角外照射，攝像機成像清晰;對于逆光場景，靠交會燈的照亮攝像機能夠清晰辨識目標(biāo);對于瞬間遮擋的情況，攝像機圖像能夠迅速恢復(fù)正常;當(dāng)太陽光進入攝像機視場并迅速移出后，圖像能夠快速恢復(fù);相對距離由遠及近的動態(tài)接近過程中，攝像機能夠適應(yīng)目標(biāo)場景的變化.具體成像效果如下圖所示(左為寬視場，右為窄視場):

(3)對于陰影區(qū)工況，交會燈以不同角度照射目標(biāo)時，攝像機靠自動調(diào)光均能適應(yīng);對遠距離低照度(與閾值相當(dāng))小目標(biāo)，攝像機能夠識別;相對距離由遠及近的動態(tài)接近過程中，攝像機能夠適應(yīng)目標(biāo)場景的變化.具體成像效果如下圖所示(左為寬視場，右為窄視場).

圖3 太陽光照射追蹤器成像效果Fig.3Imaging effects of the chaser in sunlight

圖4 陰影區(qū)成像效果Fig.4Imaging effects of shadow

(4)靠手動調(diào)光操作，可以有效地消除鬼像.具體成像效果如下圖所示(左為調(diào)光前，右為調(diào)光后).

圖5 手動調(diào)光效果Fig.5Imaging effects of the manual exposure algorithm

5 結(jié)論

為適應(yīng)人控交會對接過程中所面臨的各種復(fù)雜光照環(huán)境，將基于直方圖的自動調(diào)光算法進行改進，并應(yīng)用于作為主要相對測量敏感器的攝像機.通過分析陽照區(qū)、陰影區(qū)的光照環(huán)境特點，設(shè)計了全面的測試用例，對調(diào)光算法進行了驗證.驗證結(jié)果充分說明，基于改進后的直方圖自動調(diào)光算法，攝像機能夠快速地適應(yīng)各種復(fù)雜光照條件，滿足在軌使用的要求.

［1］吳洪鑫，胡海霞，解永春，等.自主交會對接若干問題［J］.宇航學(xué)報，2003，24(2):132-137.WU H X，HU H X，XIE Y C，et al.Several questions on autonomous rendezvous docking［J］.Journal of Astronautics，2003，24(2):132-137.

［2］高偉，任焜，劉宗玉，等.陰影區(qū)較遠距離手動交會對接目標(biāo)識別方法［J］.空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2015，41(1):46-49.GAO W，REN K，LIU Z Y，et al.The object identification methods for manual controlled rendezvous and docking in shadow and remoter region［J］.Aerospace Control and Application，2015，41(1):46-49.

［3］王瀟瀟，譚山，黃鋒.數(shù)碼照相機曝光時間及測試方法淺析［J］.自動化與信息工程，2014，35(5):46-48.WANG X X，TAN S，HUANG F.An Analysis on Exposure Time and Test Method of Digital Camera［J］.Automation＆Information Engineering，2014，35(5):46-48.

［4］徐培鳳，李正明，孫俊.基于圖像的自動曝光算法研究［J］.光學(xué)儀器，2005，27(2):59-61.XU P F，LI Z M，SUN J.Study on auto-exposure algorithm based on images analysis［J］.Optical Instruments，2005，27(2):59-61.

［5］楊海濤，常義林，王靜，等.基于亮度直方圖的自動曝光控制方法［J］.光學(xué)學(xué)報，2007，27(5):842-847.YANG H T，CHANG Y L，WANG J，et al.A New Automatic Exposure Algorithm for Video Cameras Using Luminance Histogram［J］.Acta Optica sinica，2007，27(5):842-847.

［6］申小禾，劉晶紅，楚廣生.基于直方圖分析的航空攝像機自動調(diào)光算法研究［J］.電子與信息，2016，38 (3):541-548.SHEN X H，LIU J H，CHU G S.Auto Exposure Algorithm for Aerial Camera Based on Histogram Statistics Method［J］.Journal of Electronics＆Information Technology，2016，38(3):541-548.

［7］LIANG J Y，QIN Y J，HONG Z L.An auto-exposure algorithm for detecting high contrast lighting conditions［C］//The 7thInternational Conference on ASIC，Gulin，China，2007:275-278.

［8］可見光相機調(diào)光調(diào)焦圖像處理算法研究［D］.中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，2014.

［9］王振華，張國峰，陳朝暉.空間交會對接GNC軟件的自動測試［J］.空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2012，38(5): 42-48.WANG Z H，ZHANG G F，CHEN Z H.Automatic test of GNC software for spacecraft rendezvous and docking［J］.Aerospace Control and Application，2012，38 (5):42-48.

Design and Experimental Verification of Television Camera’s Exposure Algorithm for Manual Controlled Rendezvous and Docking

GAO Wei，REN Kun，ZHANG Qiang，LIU Zongyu，WANG Zhiyi，LI Ting，YANG Linfang
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100094，China)

During manual controlled rendezvous and docking of spacecraft，the space condition of illumination is very complex.As the most important relative measurement sensor，television camera needs to be designed with appropriate exposure algorithm so as to adapt every different condition.The space condition of illumination is analyzed in this paper.Aiming at the characteristic of manual controlled rendezvous and docking，the automatic exposure algorithm is improved based on luminance histogram，and the experimental verification approaches are proposed to prove its efficiency and availability.

rendezvous and docking;television camera; exposure algorithm

V448

A

1674-1579(2016)06-0037-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.06.007

高偉(1982—)，女，工程師，研究方向為導(dǎo)航制導(dǎo)與控制;任焜(1978—)，男，高級工程師，研究方向為導(dǎo)航制導(dǎo)與控制;張強(1970—)，男，研究員，研究方向為控制理論與控制工程;劉宗玉(1975—)，男，研究員，研究方向為控制理論與控制工程;王志毅(1986—)，男，工程師，研究方向為分系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計;李婷(1975—)，女，高級工程師，研究方向為分系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計;楊林芳(1983—)，女，工程師，研究方向為自動化控制.

2016-04-21