推扫式遥感相机对焦评价方法研究
第一章绪论
1.1课题背景及意义
遥感技术是20世纪60年代兴起的一种探测技术，其应用传感器对远距离、非接触的目标所辐射和反射的电磁波信息进行收集与处理，并最终成像，从而可以有效地对目标进行探测与识别。遥感技术目前已被广泛地应用在环境监测、资源调查、地形测绘、军事侦察等各方面，在国民经济与国家安全中起着越来越重要的作用。
遥感技术的核心是遥感器。空间遥感相机作为一种采用光电成像技术的常用遥感器，在航天航空遥感技术中发挥着不可或缺的作用。最初的空间遥感相机成像介质采用胶片，虽然其具有分辨率高、性能可靠的优点，但无法具有实时传输的特性，使得胶片型空间遥感相机的发展一直受限。
自1969年美国贝尔实验室成功研制出第一块CCD图像传感器起，数字成像技术便开始了高速发展数码相机逐渐取代胶片相机，不断地贴近人们的生活与工作。并且，随着数字成像器件性能的不断提升以及其拼接技术的不断完善，数字成像技术被迅速应用到空间遥感相机中，从而有效地解决了空间遥感相机实时传输问题。同时，随着微电子技术与计算机技术的迅猛发展，空间遥感相机已不断朝着高分辨率水平迈进。此外，数字型空间遥感相机具有强穿透薄雾能力、轻重量、高可靠性、维护便利等优势，使得其成为目前主流的对地遥感技术，并不断发挥其更为广泛、重要的作用。
空间遥感相机的运行平台是卫星、飞船等各种空间飞行器，其在发射与在轨飞行期间容易受到外界复杂环境的干扰，比如受到冲击、振动的影响，或者外界大气压力、温度、湿度等发生剧烈变化，这些情况下会使得空间遥感相机的焦面发生一定的偏离，产生离焦现象，从而导致成像质量的下降因而为了确保空间遥感相机在复杂环境中都能清晰成像，空间遥感相机需要配备一套对焦系统，及时地修正调焦位置以保证成像质量。
1.2空间遥感相机对焦评价方法研究现状
目前，自动对焦技术的主流方向都是基于图像处理的技术，而在基于图像处理的自动对焦技术中又以对焦深度法为重点。它是一类建立在搜索算法上的自动对焦方法，通过所建立的对焦评价方法（即图像清晰度评价函数）对不同对焦位置所成的像进行清晰度的评价，并利用最佳对焦位置处图像最清晰这个特点来找到最佳对焦位置。该类方法一般需要搜索较多的图像来寻找最佳对焦位置，精确度很高，其关键是选择合适的对焦评价方法，要求对焦评价曲线具有单峰单调性。
1.2.1面阵式遥感相机对焦评价方法
传统的对焦评价方法都需要景物保持静止，而空间相机一直处于运动现实，因而无法直接将这些对焦评价方法应用于空间相机中。针对上述问题，面阵式遥感相机自动对焦技术最常用的方法是重复拍摄法。它是由对焦深度法演化而来，由于卫星绕地球轨道运动过程中，一个周期后又会重新掠过同一个位置上空。因此，当遥感相机对地面某场景拍摄一幅图像后，等下次相机再次掠过该地时进行重复拍摄以保证调焦前后拍摄的目标类似或相同，之后经过多次这样的拍摄过程可得到一组场景相似的图像序列，最终利用传统的对焦评价方法就可以找出最佳对焦位置，但是该方法完成一次对焦所需要的时间过长，一般需要几天甚至几个礼拜，效率很低，不适用于实时性、机动性要求很高的卫星，如敏捷卫星，从而无法应用于诸如灾害、战争检测、资源勘探、气象观测等高实时要求的情况下。
此外，考虑到面阵式遥感相机短时间间断拍摄的两顿图像间具有重叠区域重叠区域有相同的景物且具有可比性，因而对于两帧图像的重叠区域可以采用现有的对焦评价方法进行清晰度评价，从而根据序列图像的传递特性将评价值映射到统一评价体系，利用搜索算法找到最佳对焦位置，实现自动对焦。
第二章推扫式遥感相机成像机理与离焦情况分析
2.1推扫式遥感相机成像方式介绍
2.1.1推扫式遥感相机介绍
推扫式空间遥感相机又称为缝隙式相机或航带式相机，是空间相机的一种类型，其成像方式不同于传统的框幅式相机。传统的框幅式相机依赖于相机的机械快门，每曝光一次则对地面景物成一次像。而推扫式相机并不具有快门，采用连续曝光的方式成像。如图所示，图中表示的是胶片型推扫式相机的成像过程示意图。地面景物的像经过物镜会聚并通过相机的固定狭缝，之后在胶片上曝光成像。在成像的过程中，地面的景物相对于狭缝不断移动，与此同时，胶片在卷轴的驱动下不停地移动，其移动速度必须和地面影像的移动速度相同，才能确保地面影像在胶片准确的位置曙光并得到连续相片，而不会出现影像重叠或不连续现象。
式中：Vp为胶片的移动速度；Vy为地面影像的移动速度；Vc为空间相机的飞行速度；f为空间相机的物镜焦距；H为空间相机的飞行高度。
由此可知，推扫式相机理想成像的关键是保证胶片的移动速度与相机的推扫速度匹配，即公式2.1所示。从公式可知，决定这一关系的核心是要求相机飞行速度和飞行高度的比值保持不变，即速高比不变。然而在实际的成像过程中，空间相机会受到外界环境的影响从而难以做到速高比不变，加之相机姿态的变化也不易控制，因而胶片型遥感相机很少采用推扫式的成像方式。但是这种成像方式为基于线阵的空间遥感相机提供了依据，尤其是TDICCD的出现，使得推扫式这一成像方式得到了越来越多的应用。
2.2空间环境对遥感相机离焦的影响
空间遥感相机在发射之前，系统是经过精确调焦的，但是由于轨道高空的大气压力、温度、湿度等都发生了变化，因而进入轨道后可能会引起光学系统焦距的改变，从而产生离焦现象，影响图像质量。并且在某些应用场合，例如拍摄飞行器时，由于遥感相机与目标间距离变化很大也会使得遥感相机产生离焦情况，从而需进行自动对焦。
2.2.1大气压力变化对遥感相机离焦的影响
遥感相机的离焦误差来源之一是大气层的光学不均勾性和不稳定性。大气压力随着轨道高度的变化而变化，而大气压力的改变将会引起空间折射率的相应变化。当轨道高度增加时，空气的密度将变小，大气压力也会随之减小，相应的空气折射率也将变小，从而造成焦距变短，焦面向镜头方向移动。单一薄透镜焦距随大气压力变化的计算公式为：
式中：f为光学系统镜头焦距，ng为玻璃折射率，P为某飞行高度的大气压力。Po为相机在地面装配时的大气压力，na为空气折射率。
因而从公式可知，大气压力增加使焦距变长，焦面远离镜头；大气压力减少使焦距变短，焦面靠近镜头。此外，大气压力的变化会使得镜头零件中的空气密度变化，同样会引起相机焦面发生偏移，引起离焦。
第三章基于小波包能量谱的对焦评价方法.........16
3.1小波包技术介绍........16
3.1.1小波包分析概述..........16
3.1.2小波包理论与算法.........17
第四章基于强边缘宽度直方图的对焦评价方法........42
4.1算法原理与步骤.........42
4.1.1强边缘检测........43
第五章总结与展望........58
5.1总结.........58
5.2展望..........59
第四章基于强边缘宽度直方图的对焦评价方法
第三章所提到的基于小波包能量谱的对焦评价方法虽然具有良好的与图像内容无关性的特点，但是由于其较高的计算复杂度，因而对系统的硬件处理设备要求也很高，不具备很好的实时性。本章节考虑到基于图像空间域的方法具有低计算复杂度的特点，从而提出一种基于图像边缘特性的对焦评价方法用于推扫式遥感相机自动对焦技术中。
4.1算法原理与步骤
一般情况下，图像模糊会引起边缘的扩散，通过边缘的扩散情况可以表征清晰度。由于遥感图像一般都具有房屋、道路等直线结构，因而利用上述性质可以有效地判断遥感图像的清晰度，一定程度上可以实现清晰度的评价与图像内容无关，从而应用到推扫式遥感相机对焦评价方法中实现自动对焦功能。
对于一幅清晰理想阶跃边缘图像而言，其边缘宽度可以认为是0，当其模糊后，其边缘将扩散，宽度将会增加。显然，随着模糊量的增大，边缘宽度也将不断增大，因而理论上我们只需得到阶跃边缘扩散后的宽度就可以认为是真实扩散宽度，从而表征清晰度，即阶跃边缘扩散宽度越大，清晰度越低。如图4-1所示，清晰理想阶跃边缘图像经过半径为10像素的均匀模糊后，其边缘宽度变为20像素。
第五章总结与展望
5.1总结
随着航天遥感技术的不断发展，基于TDICCD的推扫式遥感相机越发显示出其重要性。针对遥感图像成像质量的迫切要求，需要深入研究该类相机的自动对焦技术。本文在此背景下开展了研究，通过对TDICCD推扫式遥感相机成像机理的分析，在现有该类相机对焦评价方法的基础上，分别从空间域与小波包域提出了两种与摄影目标景物无关的对焦评价方法，并通过仿真与实拍实验的分析，验证了算法的可行性。本文完成的工作主要有以下几点：
1）重点介绍了推扫式遥感相机的成像方式以及TDICCD的成像机理，明确了TDICCD推扫式遥感相机自动对焦技术的关键点需建立一种与摄影目标景物无关的对焦评价方法，并对目前一些可用于推扫式遥感相机的对焦评价方法进行了分析。
2）重点分析了小波包的技术特点，得出小波包技术具有频率分解精细、有效表示局部信号的优势以及良好的时频特性，从而在功率谱不变性这一理念的基础上，建立了基于小波包能量谱不变性的观点，发现不同内容图像间在小波包域具有几乎一致的能量谱曲线。算法通过对图像进行小波包的分解，合理选取与相机运动方向相垂直的不同尺度不同频率下的小波包系数，并以减少样本随机性为原则，对各小波包系数进行有效的能量表征，最终通过对各小波包系数进行加权求和的方式得到清晰度评价值。继而搭建实验平台，模拟推扫式遥感相机的成像过程，通过实验发现：该对焦评价方法在无像移失配或在有像移失配但离焦模糊不是过大的情况下可做到与摄影目标景物无关的绝对式检焦。
3）重点考虑了遥感图像大多具有直线结构，因而引入模糊会引起边缘扩散这一理论，通过边缘的扩散情况来表征清晰度评价值。算法通过边缘检测算子选取与相机运动方向平行的强边缘，由强边缘垂直方向的灰度变化计算其边缘宽度，之后对所有的强边缘宽度建立直方图，继而引入基于直方图信息的距离因子，对不同边缘加入不同权重，从而求和得到清晰度评价值。通过实拍实验与模糊图像库的测试发现：该对焦评价方法具有与图像内容无关的绝对式检焦特点，对焦曲线具有良好的单调性，并不受像移失配的干扰，还具有与主观评价一致性的特点，是一种有效的推扫式遥感相机的对焦评价方法。
参考文献（略）