本發(fā)明涉及航空成像領(lǐng)域的一種相移補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
：當(dāng)成像于傳感器表面的圖像在曝光時(shí)間內(nèi)有位移時(shí)，圖像會(huì)出現(xiàn)拖影，影響成像質(zhì)量。而對(duì)于航拍時(shí)，飛機(jī)以固定速度飛行，成像于攝像裝置傳感器表面的圖像會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移。針對(duì)此種情況，需要進(jìn)行相移補(bǔ)償，從而消除傳感器的成像區(qū)域與需要拍攝的圖像目標(biāo)之間的相對(duì)位移。常用的相移補(bǔ)償為機(jī)械補(bǔ)償，在曝光時(shí)間內(nèi)讓傳感器的位移速度與拍攝目標(biāo)的位移速度相匹配(速度一致)；此種補(bǔ)償方式整機(jī)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電子學(xué)設(shè)計(jì)也相對(duì)復(fù)雜。目前，電子相移補(bǔ)償多采用全幀ccd設(shè)計(jì)的，全幀ccd設(shè)計(jì)相移補(bǔ)償有幀頻低、價(jià)格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗高等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)使用時(shí)有著諸多限制。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明對(duì)航空視覺成像領(lǐng)域存在的相移問題經(jīng)過了深入研究，從電子學(xué)設(shè)計(jì)出發(fā)，提出一種新的相移補(bǔ)償方法，克服了傳統(tǒng)相移補(bǔ)償方案存在的整機(jī)體積大、結(jié)構(gòu)和電子學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜等問題。本發(fā)明的方案如下：基于行間轉(zhuǎn)移ccd的電子相移補(bǔ)償方法，利用行間轉(zhuǎn)移ccd功能，包括以下步驟：步驟一：目標(biāo)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)在ccd表面成像，“影像”以vtarget運(yùn)動(dòng)；步驟二：將ccd每個(gè)像素的成像區(qū)的“影像”轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移區(qū)；所述目標(biāo)對(duì)應(yīng)成像在ccd任一像素的內(nèi)容記為a，此時(shí)像素成像區(qū)以及轉(zhuǎn)移區(qū)的信號(hào)記為a1；步驟三：當(dāng)目標(biāo)a運(yùn)動(dòng)到兩個(gè)像素的交界處時(shí)，對(duì)成像區(qū)內(nèi)的所有像素進(jìn)行“清零”，即對(duì)所有像素的光電子進(jìn)行復(fù)位；步驟四：當(dāng)目標(biāo)a運(yùn)動(dòng)到兩個(gè)像素的交界處時(shí)，還同時(shí)將所有像素的成像區(qū)以及轉(zhuǎn)移區(qū)圖像沿垂直方向下移一行；步驟五：由于步驟三對(duì)成像區(qū)域進(jìn)行了“清零”，因此當(dāng)前在含有a1信號(hào)的像素的成像區(qū)內(nèi)成像的目標(biāo)還是a，此刻再對(duì)圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)移，在該像素內(nèi)的電荷包能量為a1+a2，成像目標(biāo)還是a，因此沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)；以此類推，在曝光時(shí)間內(nèi)，最終累計(jì)到目標(biāo)電荷為a＝a1+a2+…+an；其中：n為累加次數(shù)；假設(shè)像元尺寸為p；曝光時(shí)間為：對(duì)于以上方案，通常最長(zhǎng)曝光時(shí)間小于每幀的轉(zhuǎn)移時(shí)間。實(shí)現(xiàn)所述行間轉(zhuǎn)移ccd功能的芯片通常要求最高頻率工作在4通道模式、54mhz時(shí)鐘。本發(fā)明優(yōu)選sony公司的icx694芯片實(shí)現(xiàn)所述行間轉(zhuǎn)移ccd功能。本發(fā)明的技術(shù)效果如下：利用行間轉(zhuǎn)移(interline)ccd功能，讓ccd傳感器的成像區(qū)域隨著拍攝目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在曝光時(shí)間內(nèi)拍攝目標(biāo)與成像區(qū)域進(jìn)行匹配。與機(jī)械補(bǔ)償方法相比，本發(fā)明簡(jiǎn)化了航空視覺成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有效提高了產(chǎn)品可靠性和相移補(bǔ)償精度，降低了產(chǎn)品功耗、體積等。本發(fā)明還具有幀頻高、成本低、使用靈活、硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。附圖說明圖1為ccd單個(gè)像素的實(shí)際設(shè)定結(jié)構(gòu)。圖2為目標(biāo)與傳感器對(duì)應(yīng)示意圖。圖3為步驟一影像成像的示意圖。圖4為步驟二“影像”讀出的示意圖。圖5為步驟三“影像”清零的示意圖。圖6為步驟四“影像”轉(zhuǎn)移的示意圖。圖7為步驟五“影像”疊加的示意圖。圖8為整個(gè)電子相移補(bǔ)償過程的流程圖。圖9為icx694框圖。圖10為曝光區(qū)域示意圖。圖11為轉(zhuǎn)移區(qū)域示意圖。圖12為轉(zhuǎn)移流程圖。圖13為速度對(duì)應(yīng)圖。圖14為參數(shù)匹配圖。具體實(shí)施方式一、行間轉(zhuǎn)移ccd功能模型及工作原理ccd全稱為電荷耦合器件(chargecoupleddevice)，有關(guān)介紹該器件的文獻(xiàn)有很多，往往從理論角度出發(fā)介紹其工作原理；而對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，真正有意義的是“怎么用”。本發(fā)明主要將ccd理解為通道。如圖1所示，ccd在成像區(qū)收集電荷，轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移區(qū)，在通過垂直轉(zhuǎn)移(通道)、水平轉(zhuǎn)移(通道)將ccd像素輸出。電子快門：清除成像區(qū)的有效電荷；讀出操作：將成像區(qū)的有效電荷轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移區(qū)域；v驅(qū)動(dòng)：將垂直轉(zhuǎn)移區(qū)的電荷向下一行轉(zhuǎn)移；h驅(qū)動(dòng)：將水平轉(zhuǎn)移區(qū)的電荷向外輸出。二、本發(fā)明利用行間轉(zhuǎn)移ccd功能實(shí)現(xiàn)電子相移補(bǔ)償?shù)脑沓上裣到y(tǒng)是一個(gè)光、機(jī)、電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在相移補(bǔ)償設(shè)計(jì)中，補(bǔ)償速度與飛機(jī)飛行速度、飛機(jī)高度、光學(xué)視場(chǎng)、光學(xué)焦距等指標(biāo)相關(guān)。這里我們只關(guān)心成像于傳感器表面的“影像”在傳感器上的位移速度。假設(shè)“影像”在傳感器表面的速度為vtarget。目標(biāo)與傳感器如圖2簡(jiǎn)單示意，本發(fā)明的電子相移補(bǔ)償由以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：步驟一：如圖3所示，目標(biāo)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)在傳感器表面成像，“影像”以vtarget運(yùn)動(dòng)。步驟二：如圖4所示，將成像區(qū)的的影像轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移區(qū)。步驟三，如圖5所示，當(dāng)目標(biāo)a運(yùn)動(dòng)到兩個(gè)像素的交界處時(shí)，對(duì)成像區(qū)內(nèi)的所有像素進(jìn)行“清零”。步驟四：如圖6所示，在進(jìn)行完步驟二時(shí)，將所有圖像沿垂直方向下移一行。備注：步驟三與步驟四是同時(shí)進(jìn)行的。步驟五：如圖7所示，由于步驟三時(shí)對(duì)成像區(qū)域進(jìn)行了“清零”，因此在此段時(shí)間內(nèi)在含有a1信號(hào)的像素的成像區(qū)內(nèi)成像的目標(biāo)還是a，此刻再對(duì)圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)移，在該像素內(nèi)的電荷包能量為a1+a2，成像目標(biāo)還是a，因此沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其他過程以此類推。因此在曝光時(shí)間內(nèi)，最終累計(jì)到目標(biāo)電荷為a＝a1+a2+…+an其中：n為累加次數(shù)。假設(shè)像元尺寸為p，曝光時(shí)間為：此過程流程如圖8所示。三、主要指標(biāo)分析以sony公司icx694(如圖9所示)為例對(duì)其主要指標(biāo)進(jìn)行分析。3.1幀頻分析：由于在此種模式下，成像于傳感器表面的“影像”必須與轉(zhuǎn)移同一方向。icx694最高頻率是工作在4通道模式，在4通道模式下，輸出時(shí)top端和bottom端圖像的轉(zhuǎn)移方向是相反的，因此在曝光階段top端采用與輸出時(shí)相反時(shí)序。即在曝光時(shí)，top端和bottom端時(shí)序相同；在輸出時(shí)，采用4通道方式輸出(top端和bottom端時(shí)序相反)，可以實(shí)現(xiàn)全分辨率輸出。在電子相移模式下，采用曝光與轉(zhuǎn)移結(jié)合方式進(jìn)行，因此，幀頻是與曝光時(shí)間長(zhǎng)短相關(guān)的。在正常模式下，曝光與轉(zhuǎn)移是同時(shí)進(jìn)行的，最長(zhǎng)曝光時(shí)間小于每幀的轉(zhuǎn)移時(shí)間即能達(dá)到傳感器的最高輸出幀頻。如圖10、11所示，由于圖像上半部分為漸變區(qū)域(相移補(bǔ)償造成)，下半部分為全部圖像，因此必須對(duì)全區(qū)域進(jìn)行轉(zhuǎn)移。采用4通道方式進(jìn)行轉(zhuǎn)移。8行黑電平作為圖像黑電平的參考之一(另外為水平黑電平參考)，此8行需要全部讀出。隨后564行直接傾瀉掉，再最后的540行全部讀出。讀出一幅1080p的圖像時(shí)間為：tread_image_1080p＝548×thalf_of_line+564×tdump_of_line+32clk其中：tread_image_1080p在四通道模式下讀出一副圖像所需要的時(shí)間；thalf_of_line讀出半行所需要的時(shí)間；tdump_of_line傾瀉一行所需要的時(shí)間；根據(jù)時(shí)序圖可知，轉(zhuǎn)移半行需要時(shí)間為即thalf_of_line為：1804個(gè)clk；傾瀉一行時(shí)間tdump_of_line為：256個(gè)clk；由公式可以計(jì)算出，在四通道模式下，讀出一副圖像需要時(shí)間為：548*1804+564*256+32＝1133008個(gè)時(shí)鐘采用54mhz時(shí)鐘，轉(zhuǎn)移完一副圖像需要20.98ms。本項(xiàng)目以25幀/s，1080p為設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此每幅圖像曝光+轉(zhuǎn)移時(shí)間為40ms。留給單幅圖像的曝光時(shí)間不大于19ms。因此，攝像機(jī)最大曝光時(shí)間為：其中：texposure_max為允許的最大曝光時(shí)間，單位ms；目標(biāo)幀頻為我們?cè)O(shè)計(jì)的目標(biāo)頻率。表1典型目標(biāo)幀頻與最大曝光時(shí)間列表目標(biāo)幀頻(幀/s)最大曝光時(shí)間(ms)2519.022029.021545.691079.025179.023.2最大允許速度分析這里分析的速度為“影像”在傳感器表面的速度。飛機(jī)允許的最大飛行速度與飛機(jī)的速度、高度、光學(xué)系統(tǒng)的焦距等參數(shù)有關(guān)，飛機(jī)飛行的最快速度可以通過速高比公式等效到傳感器表面的光學(xué)影像速度，因此這里只分析傳感器表面的“影像”速度。假設(shè)對(duì)于理想圖像灰度值的最大曝光時(shí)間為texposure_max，由于曝光區(qū)域最大允許走過572行，每行的尺寸為4.54um，因此可以計(jì)算出允許的“影像”的最大速度為：其中：vtarget為“影像”的最大速度，texposure_max為最大曝光時(shí)間，4.54um為一個(gè)像素的尺寸。這里以25幀/s，1080p分辨率為例，在此模式下，允許的最大曝光時(shí)間為19.02ms，代入公式可以求得允許的最大“影像”速度為136.5mm/s。同時(shí)在曝光區(qū)域，由于讀出、清零、轉(zhuǎn)移采用驅(qū)動(dòng)信號(hào)完成，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，建議“影像”走過一個(gè)像素的時(shí)間大于讀出或者轉(zhuǎn)移時(shí)間的10倍(此為經(jīng)驗(yàn)值，需要實(shí)際驗(yàn)證)。在該芯片中讀出時(shí)間6.3us，清零時(shí)間為1.3us，轉(zhuǎn)移時(shí)間為2.8us。因此，要求“影像”走過一個(gè)像素的時(shí)間大于60us。要求“影像”在傳感器表面的速度小于4.54um/60us＝75mm/s其中：4.54um為一個(gè)像素的尺寸。表2典型目標(biāo)幀頻與允許的目標(biāo)“影像”關(guān)系目標(biāo)幀頻(幀/s)最大曝光時(shí)間(ms)公式計(jì)算出(mm/s)建議采用值(mm/s)252.85136.5752012.8589.5751529.5256.846.71062.8532.921.95162.8514.58.473.3設(shè)計(jì)使用在時(shí)序設(shè)計(jì)完之后，補(bǔ)償速度就是固定的。因此對(duì)于不同的補(bǔ)償速度應(yīng)當(dāng)事先知道，對(duì)于不同的速度可以采用上位機(jī)輸入的方式進(jìn)行控制，如圖13所示。使用時(shí)，使用環(huán)境及光學(xué)參數(shù)決定了“影像”速度，“影像”速度必須與補(bǔ)償速度一致，如圖14所示。當(dāng)前第1頁12