光學遙感衛(wèi)星在軌動態(tài)場景實時匹配方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學遙感信息獲取與處理技術領域，設及一種場景動態(tài)范圍實時測量 及相機在軌參數與場景動態(tài)范圍的實時匹配方法，可有效支撐衛(wèi)星在軌動態(tài)場景的實時匹 配。
【背景技術】
[0002] 我國對高分辨率、高質量的光學遙感衛(wèi)星遙感圖像需求迫切。然而，盡管目前已研 制并在軌運行了多顆光學遙感衛(wèi)星，解決了遙感圖像的"有、無"問題，圖像質量不斷實現 "由低到高"逐步提升，但從已在軌的衛(wèi)星來看，衛(wèi)星成像質量仍不夠理想，盡管在衛(wèi)星研制 中各成像環(huán)節(jié)的客觀性能指標都滿足技術要求，但在軌衛(wèi)星仍存在圖像動態(tài)范圍偏窄、直 方圖集中、灰度層次不夠豐富，暗場景影像細節(jié)分辨能力不強等問題，運說明除了成像環(huán)節(jié) 本身的因素限制，相機在軌參數和場景動態(tài)范圍的實時匹配性也是影響衛(wèi)星在軌成像質量 的重要因素。
[0003]然而，自然場景的動態(tài)范圍可W高達108,而受到相機本身的限制，實際光學遙感 衛(wèi)星相機的動態(tài)范圍通常為IO3W內，因此光學遙感成像系統(tǒng)很難完整地兼顧被攝場景中 的高亮度區(qū)域和低光照區(qū)域。因此，衛(wèi)星在軌運行過程中準確測量地面場景的動態(tài)范圍，并 W此為依據，合理地設置拍照相機的曝光時間和增益，實現目標場景信息的最大化獲取對 大幅提高圖像質量具有重要意義。然而，目前在光學遙感領域，該方面的研究未見報道。
【發(fā)明內容】
[0004]針對目前國內在軌衛(wèi)星存在的圖像動態(tài)范圍偏窄、直方圖集中、灰度層次不夠豐 富、暗場景圖像細節(jié)分辨能力不強的問題，本發(fā)明提供了一種光學遙感衛(wèi)星在軌動態(tài)場景 實時匹配方法。該方法能夠利用測光相機拍攝圖像的直方圖特征W及測光相機與拍照相機 的福射響應關系實時測量場景動態(tài)范圍，并W此為依據合理設置拍照相機的曝光時間與增 益，實現相機在軌運行過程中設置的在軌參數與所攝地面場景動態(tài)范圍的實時最優(yōu)匹配。 [000引本發(fā)明的目的是通過W下技術方案實現的：
[0006] -種光學遙感衛(wèi)星在軌動態(tài)場景實時匹配方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1:對相機動態(tài)范圍進行測量；
[0008]步驟2:對測光相機與拍照相機的福射響應關系進行標定；
[0009]步驟3:利用測光相機至多=次拍攝場景獲取的圖像測量當前場景動態(tài)范圍；
[0010] 步驟4:根據場景動態(tài)解算拍照相機的在軌參數，實現相機與場景動態(tài)的實時匹 配。
[0011] 本發(fā)明針對光學遙感衛(wèi)星在軌動態(tài)場景實時測量及相機在軌參數的實時解算問 題，提出了一種衛(wèi)星動態(tài)場景實時匹配方法，該方法具有如下優(yōu)點：
[0012] 1、結合測光相機與拍照相機福射響應關系的標定W及不同時刻拍照導致同一場 景在像面發(fā)生偏移的像移補償，通過測光相機至多=次拍攝地面場景，實現場景動態(tài)范圍 的實時測量；
[0013]2、針對地面場景動態(tài)范圍通常超出相機動態(tài)的問題，設計并提出了基于高亮度、 低亮度和中點匹配的相機與場景動態(tài)范圍匹配方案，同時給出了不同情況下的相機在軌參 數解算方法；
[0014]3、利用該方法可根據衛(wèi)星在軌實時拍攝的地面景物，合理地設置相機曝光時間和 增益，實現相機與場景動態(tài)范圍的最佳匹配，從而達到最大化與最優(yōu)化獲取場景有效信息 的目的。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明光學遙感衛(wèi)星在軌動態(tài)場景實時匹配方法的整體流程圖；
[0016]圖2為場景動態(tài)范圍測量方法的流程圖；
[0017]圖3中灰度曝光時間計算流程圖；
[0018]圖4為場景動態(tài)范圍計算流程圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋 在本發(fā)明的保護范圍中。
[0020] 如圖1所示，本發(fā)明提供了一種光學遙感衛(wèi)星在軌動態(tài)場景實時匹配方法，具體實 施步驟如下：
[0021] 步驟1:對相機動態(tài)范圍進行測量；
[0022] 相機的動態(tài)范圍定義為飽和信號量與噪聲之比。當相機無任何光照輸入時，獲得 圖像中僅包含暗電流和隨機噪聲。
[0023] 步驟1-1:計算像元信號平均值；
[0024]設圖像傳感器像元個數為MXN，在無任何光照的情況下獲得P張圖片。則坐標為 (m，n)的像元信號平均值為：
[0026] 其中，Q(m，n，i)為第i張圖片在坐標(m，n)處的像元信號值，i為圖片數；
[0027]步驟1-2:計算各像元信號殘差；
[0028] e{m,n,i)=Q{m,n,i) -Q{m,n) i=h'.P;
[0029]步驟1-3:計算像元信號標準差；
[0030]相機的標準差即為獲得圖像所有殘差的均方根值，即：
[0032]步驟1-4:計算相機的動態(tài)范圍。
[0034]其中，b是量化位數。
[0035]步驟2:對測光相機與拍照相機的福射響應關系進行標定；
[0036]本發(fā)明采用一個獨立與拍照相機的成像系統(tǒng)對地面場景的動態(tài)范圍進行測量，稱 為測光相機。測光相機與拍照相機使用的傳感器可能是不同的。為了使測光相機得到的動 態(tài)范圍可W被拍照相機所用，必須對兩臺相機的福射響應關系進行換算，即福射響應關系 標定。
[0037]在動態(tài)范圍的計算及匹配過程中，始終需要使用到的是傳感器表面相對福照度值 E'dE'值的換算僅需要求解特征增益的比值，設E's為拍照相機的相對福照度值，設E'm為測 光相機的相對福照度值，當兩臺相機的傳感器獲得相同的福照度，則相對福照度的換算方 法為：
[0039]測光相機與拍照相機的福射響應關系標定實施方法如下：
[0040]步驟2-1:選取發(fā)光亮度均勻且不變的光源；
[0041]步驟2-2:分別用測光相機和拍照相機對選定光源進行成像；
[0042]注意調整曝光時間，使傳感器輸出灰度在灰度中值附近。
[0043]步驟2-3:計算測光相機和拍照相機的福照度E'm和E'S;
[004引其中，Vm是測光相機測得圖像(步驟2-2獲取圖像)飽和灰度值，Ovm為測光相機直流 偏置，U為測光相機曝光時間，gvm是測光相機VGA增益；
[0047]其中，Vs是拍照相機測得圖像飽和灰度值，Ovs為拍照相機直流偏置，ts為拍照相機 曝光時間，gvs是拍照相機VGA增益；
[0048]步驟2-4:計算得出拍照相機與測光相機的特征增益比值，如下式：
[0050]其中，gts、gtm分別代表拍照相機與測光相機的特征增益值。
[0051]步驟3:利用測光相機至多=次拍攝場景獲取的圖像測量當前場景動態(tài)范圍；
[0052]如圖2所示，本發(fā)明通過調整曝光時間至多S次拍照，獲得同一場景的一組圖像， 并利用該組圖像直方圖特性計算場景動態(tài)范圍，具體方法為：
[0053] 步驟3-1:對場景第一次成像；
[0054]為了獲得場景亮度的基本分布情況，第一次成像使用較小的曝光時間ti，該時間 由相機和被攝場景兩方面確定，確定原則為獲得圖像灰度為0的像素數量不能超過總像素 數量的20%。本次成像獲得的圖像將是一張欠曝光的圖像。
[0055] 步驟3-2:當第一次成像獲取圖像中含有灰度為0的像素時，對場景第二次成像，否 則執(zhí)行步驟3-6;
[0056] 如果第一次對場景成像獲取的圖像含有灰度為0的像素，則需要進行第二次成像， 因而需要計算第二次成像曝光時間，具體方法如下：
[0057] 步驟3-2-1:計算最大曝光時間：
[0059] 其中，n為目標場景所成的像覆蓋像元的個數，L為被攝物體至鏡頭的距離，AO為 像元間距，V為相機移動速度，f為鏡頭焦距。
[0060] 當第一次成像