基于圖像相關(guān)檢測(cè)的快速反射鏡穩(wěn)像系統(tǒng)及方法

焦慧華，周 偉

（1．瓊臺(tái)師范高等?？茖W(xué)校，海南 ?？?571127;2．中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200000）

一、引言

本文涉及光電成像系統(tǒng)的穩(wěn)像技術(shù)[1]，相機(jī)在成像過(guò)程中，由于外界或自身的各種干擾，導(dǎo)致在曝光時(shí)間內(nèi)，圖像在焦平面上存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，成像質(zhì)量往往產(chǎn)生一定程度的退化，為了得到高分辨的圖像，必須采取穩(wěn)像措施。穩(wěn)像技術(shù)的應(yīng)用使得成像系統(tǒng)的整體性能得到提升，成像的分辨率也大大提高。實(shí)時(shí)的穩(wěn)像技術(shù)在軍事衛(wèi)星相機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)偵察、目標(biāo)監(jiān)視和預(yù)警監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重要作用。

機(jī)載、艦載和空間成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)成像時(shí),會(huì)由于平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)、顫振及姿態(tài)變化等使相機(jī)在曝光時(shí)被照物影像與感光元件間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),以此帶來(lái)成像模糊及拖尾效應(yīng)[2]，使得成像質(zhì)量往往產(chǎn)生一定程度的退化，對(duì)比度以及分辨率降低，對(duì)于高分辨率相機(jī)來(lái)說(shuō)，情況更是如此。這種退化單靠提高成像器件的分辨率或者單純的后期圖像處理已經(jīng)不能滿足得到高分辨像質(zhì)的要求。因此，如何降低甚至消除外界干擾對(duì)成像質(zhì)量的影響也成為了穩(wěn)像技術(shù)的關(guān)鍵所在。

目前常用的穩(wěn)像技術(shù)主要有：光學(xué)式穩(wěn)像技術(shù)、微機(jī)械式穩(wěn)像技術(shù)、電子穩(wěn)像技術(shù)和綜合穩(wěn)像技術(shù)[3]。光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)是在光路中設(shè)置一些光學(xué)元件作為對(duì)不穩(wěn)定圖像的補(bǔ)償。典型的光學(xué)穩(wěn)像方法是利用光楔來(lái)控制瞄準(zhǔn)線的方向,通過(guò)移動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)光楔,改變出射光線的角度和方向,來(lái)進(jìn)行像移的補(bǔ)償,從而達(dá)到穩(wěn)像的目的。光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)的主要缺陷是僅適用于振動(dòng)較小的環(huán)境條件,且補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)和制造工藝太復(fù)雜。同時(shí),如果僅依靠棱鏡、反射鏡或者光楔等光學(xué)元件進(jìn)行被動(dòng)補(bǔ)償,穩(wěn)定能力受到較大限制。電子穩(wěn)像技術(shù)是應(yīng)用數(shù)字圖像處理的方法來(lái)直接確定圖像序列的偏移并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募夹g(shù),電子穩(wěn)像方法只是去除視頻圖像序列幀間因攝像機(jī)無(wú)意抖動(dòng)造成的擾動(dòng)，它只能使視頻序列在播放過(guò)程中在視覺(jué)上產(chǎn)生一種穩(wěn)定播放的效果，而不能對(duì)單幅圖像在曝光時(shí)間內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)像，也就是不能真正提高其成像的分辨率。微機(jī)械穩(wěn)像技術(shù)[4]是通過(guò)微機(jī)械裝置直接控制偏轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)或成像焦面移動(dòng),補(bǔ)償像移,完成穩(wěn)像任務(wù)。微機(jī)械穩(wěn)像系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊,但需要通過(guò)一定方法來(lái)獲得焦面位置并對(duì)位移進(jìn)行控制。綜合穩(wěn)像技術(shù)就是應(yīng)用多種穩(wěn)像技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)穩(wěn)像,以獲得更好像質(zhì)的技術(shù)。

本文所述的穩(wěn)像系統(tǒng)屬于微機(jī)械穩(wěn)像系統(tǒng)，微機(jī)械穩(wěn)像方式是對(duì)傳統(tǒng)光機(jī)穩(wěn)像方式的全面改進(jìn),具有高速、高精度的像移探測(cè)能力和補(bǔ)償執(zhí)行能力,并且利用該技術(shù)組成的系統(tǒng)還具有體積小、功耗低、對(duì)遙感器光學(xué)系統(tǒng)影響小和對(duì)像質(zhì)影響小等眾多優(yōu)點(diǎn),因此微機(jī)械補(bǔ)償方式成為高分辨率遙感器首選的穩(wěn)像技術(shù)之一。

二、穩(wěn)像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 基于圖像相關(guān)檢測(cè)的快速反射鏡穩(wěn)像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

整個(gè)系統(tǒng)主要由成像光學(xué)系統(tǒng)1、快速反射鏡2、大面陣焦平面探測(cè)器3、兩個(gè)微型高速CMOS探測(cè)器4和FPGA圖像相關(guān)處理單元5組成。該系統(tǒng)的關(guān)鍵在于微型高速CMOS探測(cè)器如何實(shí)時(shí)獲得成像系統(tǒng)光軸的偏移量，由于成像系統(tǒng)的光軸因外界擾動(dòng)或自身運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致抖動(dòng)時(shí)，則在焦平面上的圖像會(huì)發(fā)生微小的偏移，這時(shí)候可以在焦平面上安裝高速CMOS探測(cè)器，與主成像探測(cè)器并行排列，為了提高圖像偏移量檢測(cè)的準(zhǔn)確度，這里采用兩個(gè)微型CMOS探測(cè)器并排安裝在大面陣焦平面探測(cè)器兩側(cè)，與大面陣焦平面探測(cè)器距離不超過(guò)2mm，如圖2所示。

圖2 成像系統(tǒng)焦平面探測(cè)器安裝示意圖

微型CMOS探測(cè)器對(duì)圖像進(jìn)行高速的采樣，然后通過(guò)實(shí)時(shí)圖像相關(guān)的方法獲得圖像在焦平面的偏移量。光學(xué)信號(hào)通過(guò)成像光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)快速反射鏡的反射后將信號(hào)匯聚在大面陣焦平面探測(cè)器與兩個(gè)輔助微型高速CMOS探測(cè)器上面，兩個(gè)輔助微型高速CMOS探測(cè)器對(duì)運(yùn)動(dòng)的圖像進(jìn)行高速采樣，通過(guò)FPGA圖像相關(guān)處理單元實(shí)時(shí)獲得圖像的偏移量，偏移量反饋給快速反射鏡的控制器，控制快速反射鏡的偏轉(zhuǎn)，使圖像在焦平面上穩(wěn)定。快速反射鏡采用壓電陶瓷快擺鏡，壓電陶瓷具有響應(yīng)頻率快、分辨率高，位移精確的特點(diǎn)。最后大面陣焦平面探測(cè)器對(duì)穩(wěn)定的圖像進(jìn)行積分，這樣就大面陣焦平面探測(cè)器可以獲得高分辨率的圖像。

圖像相關(guān)算法計(jì)算量比較大，但是計(jì)算結(jié)果的精度很高，誤差小于0.3像素。對(duì)于圖像相關(guān)計(jì)算量較大的問(wèn)題，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于FPGA的快速圖像相關(guān)模塊，F(xiàn)PGA具有并行處理，靈活編程的特點(diǎn)。該系統(tǒng)中的FPGA圖像相關(guān)處理模塊采用快速傅里葉變換的方法實(shí)現(xiàn)兩幀圖像的實(shí)時(shí)相關(guān)運(yùn)算，其內(nèi)部功能模塊如圖3所示，其進(jìn)行相關(guān)處理的流程如下。

（1）由高速微型CMOS探測(cè)器輸出的圖像送入到FPGA的圖像輸入接口，首先經(jīng)過(guò)FPGA的圖像預(yù)處理單元，對(duì)圖像進(jìn)行相關(guān)算法的預(yù)處理操作，即暗流校正、增益校正等。

圖3 FPGA圖像相關(guān)處理單元功能框圖

（2）輸入圖像進(jìn)行預(yù)處理后，分別對(duì)參考幀圖像和當(dāng)前幀圖像并行進(jìn)行FFT傅里葉變換，這里采用基-2快速傅里葉變換算法，提高運(yùn)算速度。

（3）參考幀圖像和當(dāng)前幀圖像進(jìn)行FFT變換后，再對(duì)參考幀圖像的FFT取共軛，與當(dāng)前幀圖像的FFT直接相乘運(yùn)算，將乘得的結(jié)果再進(jìn)行IFFT傅里葉逆變換，這樣就完成了兩幀圖像的相關(guān)運(yùn)算。

（4）最后通過(guò)曲面擬合，取相關(guān)運(yùn)算結(jié)果中最大值的位置，位置坐標(biāo)就是兩幀圖像之間的位置偏移量，通過(guò)FPGA輸出接口送給快速反射鏡驅(qū)動(dòng)控制輸入端。完成偏移量的反饋控制。

該系統(tǒng)通過(guò)高速FPGA圖像相關(guān)的方法實(shí)現(xiàn)圖像的運(yùn)動(dòng)偏移量檢測(cè)，然后采用微機(jī)械裝置快速反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)控制圖像在焦平面上穩(wěn)定，使得系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

三、系統(tǒng)相關(guān)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)像系統(tǒng)，我們采用了如下的實(shí)現(xiàn)技術(shù)：

1.一種基于圖像相關(guān)檢測(cè)的快速反射鏡穩(wěn)像系統(tǒng)，主要指通過(guò)成像系統(tǒng)焦平面兩側(cè)的兩個(gè)輔助微型高速CMOS探測(cè)器實(shí)時(shí)采樣，采樣的相鄰兩幀圖像經(jīng)過(guò)基于FPGA的圖像相關(guān)器計(jì)算圖像運(yùn)動(dòng)矢量，將運(yùn)動(dòng)矢量反饋給快速反射鏡控制器，控制反射鏡偏轉(zhuǎn)光束，實(shí)現(xiàn)成像探測(cè)器穩(wěn)定成像。

2.采用兩個(gè)輔助微型高速CMOS探測(cè)器對(duì)焦平面的偏移圖像進(jìn)行采樣，該探測(cè)器的像元大小在64x64以內(nèi)，幀速要高于120幀每秒，兩個(gè)微型探測(cè)器分別安裝在主成像探測(cè)器兩邊，與成像探測(cè)器距離不超過(guò)2mm，并與主成像探測(cè)器共焦面。

3．采用FPGA實(shí)現(xiàn)兩幀64x64像元圖像的相關(guān)處理，采用快速傅里葉變換算法，快速計(jì)算兩幀圖像的偏移量。

4．采用基于壓電陶瓷的快速反射鏡控制光束的偏轉(zhuǎn)，快速反射鏡控制器的輸入與圖像相關(guān)器的偏移量輸出級(jí)聯(lián)，采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)快速反射鏡的閉環(huán)控制。

四、實(shí)現(xiàn)方案

根據(jù)本文所述的基于圖像相關(guān)檢測(cè)的快速反射鏡穩(wěn)像系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，平臺(tái)由成像光學(xué)系統(tǒng)1、快速反射鏡2、大面陣焦平面探測(cè)器3、兩個(gè)微型高速CMOS探測(cè)器4和FPGA圖像相關(guān)處理單元5構(gòu)成。

成像光學(xué)系統(tǒng)1采用普通的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，口徑為 150mm，焦距 1800mm，F(xiàn) 數(shù)為 12，分辨率〈5”,系統(tǒng)瞬時(shí)視場(chǎng)為 8urad，總視場(chǎng) 0．95°。

快速反射鏡2采用四支點(diǎn)XY軸壓電偏轉(zhuǎn)平臺(tái)，其閉環(huán)傾斜角度可達(dá)+2mrad，分辨率達(dá)0．05urad，鏡面直徑為 50mm，閉環(huán)線性度 0．2%，共振頻率 3．3KHz，其鏡面與焦平面的距離 H為100mm。

大面陣焦平面探測(cè)器3采用具有全局快門的單色面陣CCD器件，其面陣大小為1k*1k，響應(yīng)波長(zhǎng)為400～1000nm，像元尺寸為 14um*14um，幀頻5fps，積分時(shí)間可調(diào)整。

微型高速CMOS探測(cè)器4采用高幀頻小面陣CMOS器件，其面陣大小為64*64，可見光波段，像移尺寸為8um*8um，幀頻150 fps，積分時(shí)間小于1ms。

FPGA圖像相關(guān)處理單元5如圖3所示，它由圖像預(yù)處理模塊、圖像FFT變換模塊、矩陣IFFT逆變換模塊和曲面擬合模塊構(gòu)成。FPGA邏輯單元數(shù)為12060LEs，內(nèi)置2個(gè)PLL和234Kbits RAM，外部時(shí)鐘為40MHz。

五、結(jié)語(yǔ)

本文所述的穩(wěn)像系統(tǒng)屬于微機(jī)械穩(wěn)像系統(tǒng)，微機(jī)械穩(wěn)像方式是對(duì)傳統(tǒng)光機(jī)穩(wěn)像方式的全面改進(jìn),具有高速、高精度的像移探測(cè)能力和補(bǔ)償執(zhí)行能力,并且利用該技術(shù)組成的系統(tǒng)還具有體積小、功耗低、對(duì)遙感器光學(xué)系統(tǒng)影響小和對(duì)像質(zhì)影響小等眾多優(yōu)點(diǎn),因此微機(jī)械補(bǔ)償方式成為高分辨率遙感器首選的穩(wěn)像技術(shù)之一。

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[2]徐之海,陳岳庭,等．面陣空間相機(jī)穩(wěn)像補(bǔ)償研究[J]．紅外與激光工程,2007,(10)：593-596．

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[4]Yue ting,Chen Zhihai,Xu QiLi．Image Stabilization Using Motion Estimation and Micro-mechanical Compensation．2008 congress on Image and Signal Processing 2008：578-582．